太原西山矿煤石煅烧活化研究

太原西山矿煤石煅烧活化研究

0煤石的活化方式中国是世界上最大的煤炭生产和消费国。在煤炭生产和加工过程中产生的固体残渣（如骨头）已成为中国最大的工业固体残渣之一。与其他固体废弃物相比,我国在煤矸石理论研究和应用方面都显得相当薄弱,对激发其潜在活性的研究也是如此。煤矸石废弃物本身的活性较低,往往不能被有效利用,而煤矸石的活性在很大程度上决定着煤矸石制品的强度和性能,如何激发其潜在活性是制约煤矸石工业废渣有效利用的瓶颈。煤矸石的活化方式通常有物理活化、化学活化、热活化和微波辐照活化等,本文主要研究煤矸石的煅烧热处理活化(简称热活化)。煅烧是激发煤矸石活性的一种有效手段,旨在利用高温使煤矸石微观结构中的各微粒产生剧烈的热运动,脱去矿物中的结合水,钙、镁、铁等阳离子重新选择填隙位置,致使硅氧四面体和铝氧三角体不可能充分地聚合成长链,形成大量的自由端的断裂点。质点无法再按照一定规律排列,形成处于热力学不稳定状态玻璃相结构,从而使烧成后的煤矸石中含有大量的活性氧化硅和氧化铝,达到活化的目的。1矿物成分分析煤矸石取自太原西山矿,主要化学成分见表1。经X射线衍射分析(见图1)、红外光谱分析,并结合表1可确定该煤矸石的矿物成分主要为:高岭石、石英、菱铁矿、云母、钙长石和白云母等。2热处理活化煤石煤矸石的差热分析曲线见图2。由图2可知,煤矸石的相变温度为518、610、952、982℃,因此设计8个煤矸石的煅烧热处理活化温度,分别为:500、600、700、800、900、1000、1100、1200℃。热处理活化过程为:将煤矸石原料破碎、粉磨后过120目方孔筛,控制筛余量在5%以内,置于精确控温的箱式电炉中进行煅烧实验,恒温2h,取出急冷至室温,制得热活化煤矸石。经过热处理后,得到8种不同的活化煤矸石G500、G600、G700、G800、G900、G1000、G1100、G1200。通过对煤矸石的差热曲线分析可知,在50～200℃之间出现的不太明显的吸热谷是煤矸石脱去吸附水;在450～700℃之间出现强烈的吸热效应相当于高岭石失去结晶水,晶格遭到破坏;在950℃附近出现的吸热谷是云母类矿物晶格破坏所显示的吸热效应;在1000℃附近出现的放热峰是由于高岭石、云母类矿物分解后发生重结晶所致。3结果与讨论3.1从晶面间距和峰强分析看经500～1200℃煅烧的8个煤矸石试样的XRD图谱见图3。由图3可以看出:与未煅烧煤矸石样相比,500℃煅烧样各衍射峰基本无变化,主要还是高岭石和α-石英2种矿物。经600、700、800℃煅烧后,试样仍无明显的变化,但是上述3个煅烧样同500℃煅烧样相比,发生了以下变化:一种是α-石英的衍射峰(晶面间距d值为0.3341nm)的峰强度有所增加,这可能是由于煤矸石中残留炭的燃烧以及高岭石和云母类矿物中部分结构水的脱除生成了无定形的SiO2,造成煅烧样中SiO2的相对含量提高;另一种是高岭石的衍射峰(晶面间距d值为0.7144nm)逐渐消失,这可能是由于该矿物的—OH被部分脱出,使(001)晶面结构遭到破坏,高岭石向偏高岭石转变。同600℃煅烧样相比,700℃及800℃煅烧样的0.4506nm衍射峰峰值有所下降,这可能是高岭石的(020)晶面的剩余结构水进一步脱除造成的,这与文献的结果一致。从图3还可看出:1000℃煅烧样的XRD图谱中,已无明显的高岭石衍射峰,说明高岭石结构已完全破坏。α-石英的衍射峰(d值为0.3341nm)的峰强有所下降,说明α-石英的结构已开始受到破坏。当煅烧温度升至1200℃时,仍保持这种变化,并有莫来石衍射峰(d值为0.5358,0.3336,0.1541nm)出现。3.2煅烧温度对si4+和al3+溶出量的影响经500～1200℃(温度间隔100℃)煅烧的8个煤矸石试样和煤矸石原矿,在1mol/LNaOH溶液中Si4+和Al3+的溶出量见图4。由图4可知:在500～900℃之间Si4+和Al3+在碱溶液中的溶出特性十分相似,随试样煅烧温度的升高,其在碱溶液中的溶出量不断增大。在700℃时,Si4+和Al3+的溶出量达最大,分别为66.77mg/g和69.20mg/g。煅烧温度超过700℃以后,随着温度的继续升高,Si4+和Al3+的溶出量呈下降趋势。1200℃煅烧试样Si4+和Al3+的溶出量分别为21.18mg/g和1.79mg/g,是所有煅烧试样中溶出量最小的试样。图4表明:900℃煅烧过的试样的Al3+的溶出量与800℃相差较小,这是由于在该煅烧温度下偏高岭石向莫来石结构转变,在此转变过程中产生了纳米尺度的γ—Al2O3,从而使溶液中的Al3+溶出量下降幅度不大。继续升高温度,试样中形成了莫来石晶体,导致Al3+溶出量急剧下降。3.3sem测试方法对煤矸石活化前后的XRD和硅、铝溶出量的考察可知:700℃煅烧的煤矸石的活性最佳。为了进一步分析煅烧过程中煤矸石结构的变化,利用SEM测试方法对煤矸石进行了微观结构测定,并与未煅烧的煤矸石进行对比,见图5、图6。从图5、图6可以看出:未煅烧煤矸石的结构比较致密,而煅烧后煤矸石的结构发生了很大变化。煅烧后的煤矸石结构基本呈疏松状态,这是因为煤矸石在高温煅烧过程中伴有结构膨胀、成分挥发,其结构与多微孔、多断键、多可溶物(如:SiO2,Al2O3)、内能更高的无定形态结构相对应。4煤石物相组成和微结构a.煤矸石煅烧后产生的偏高岭石是煤矸石活性的主要来源。煅烧可以破坏天然煤矸石中牢固的Si—O和Al—O键结构,形成具有活性的SiO2和Al2O3,明显改变煤矸石的物相组成和微结构,提高煤矸石活性。b.煤矸石在20℃,1mol/LNaOH溶