煤灰熔融特性的實(shí)驗(yàn)研究

煤灰熔融特性的實(shí)驗(yàn)研究

許多關(guān)于煤灰內(nèi)礦的行為特征的研究已經(jīng)進(jìn)行。這些研究是從礦物學(xué)的角度來解釋和描述煤灰的熔融過程。在粉末煤燃燒爐系統(tǒng)中，煤灰中的堿性金屬含量很少，通常只有幾%，但其影響應(yīng)得到充分考慮。堿性金屬是導(dǎo)致路橋側(cè)高溫污染和腐蝕的主要因素，也是導(dǎo)致路橋側(cè)爐渣不良的。然而，由于堿性金屬化學(xué)的快速分解，堿性金屬化碳難以在高溫下蒸發(fā)，并且堿性金屬化碳灰的含量減少。在本研究中，通過不同的碳灰粉，我們可以在弱仍然原性氣氛中測量混合灰樣的灰樣，并使用x-輻射分析其礦物組成的變化。并比較和分析ko-al2o3-sio2和na2o-al2o3-sio2三個(gè)系統(tǒng)的相圖。這為預(yù)測二次系統(tǒng)相圖中碳灰粉的形成特性提供了基礎(chǔ)，并促進(jìn)了對電信裝置葉片渣趨勢的預(yù)測。1混合灰樣中礦物組成變化的x-射線衍射分析試樣采用平頂山煙煤和江西萍鄉(xiāng)煤.根據(jù)GB212—91測定灰分方法所規(guī)定的步驟和要求制成800℃灰樣.灰樣化學(xué)成分如表1所示,灰樣熔融特性溫度如表2所示(其中TD為變形溫度,TS為軟化溫度,TF為流動溫度).添加劑采用分析純的K2CO3和Na2CO3,用分析天平稱量,按不同的比例分別與兩種煤灰摻混,再將其添加量折算成K2O和Na2O.混合灰樣用瑪瑙研缽研磨混合均勻,并磨細(xì)至通過160目篩,測定灰熔點(diǎn).為研究含一定比例的K2O和Na2O的江西萍鄉(xiāng)混合灰樣礦物組成變化,在不同溫度時(shí)對煤灰和添加劑的礦物組成進(jìn)行X-射線衍射分析.試樣制取方法為:分別添加K2O和Na2O的混合灰樣,在弱還原性氣氛下,800℃至變形溫度TD溫度范圍內(nèi)每隔100℃分別使試樣恒溫加熱1h,迅速取出試樣放入水中急冷,以保持該溫度下試樣應(yīng)有的礦物組成,避免在冷卻過程中發(fā)生晶體析出和晶型轉(zhuǎn)變.加熱處理后的灰樣用瑪瑙研缽研磨至200目后制成試樣.用日本RIGAKU公司制造的D/MAX-3B全自動粉末X-射線衍射儀進(jìn)行分析.儀器的衍射條件為:Cu-Kα射線;Ni濾光片;管電流30mA;管電壓30kV.2結(jié)果與分析2.1ko質(zhì)量分?jǐn)?shù)對煤灰熔點(diǎn)的影響弱還原性氣氛下測得添加K2O和Na2O的混合灰樣熔融特性溫度關(guān)系曲線圖見圖1~4.平頂山煤灰還原氣氛下添加K2O對煤灰熔點(diǎn)的影響如圖1所示,添加Na2O影響如圖2所示.煤灰中添加K2O后灰熔點(diǎn)呈下降趨勢,當(dāng)煤灰中K2O質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到9.44%時(shí),煤灰熔點(diǎn)降到低谷;超過這點(diǎn)后灰熔點(diǎn)又重新上升,這是由于形成了新的熔點(diǎn)較高的礦物質(zhì)所致.煤灰中添加Na2O后灰熔點(diǎn)呈明顯下降趨勢,并達(dá)到低谷,此后隨Na2O含量增大,灰熔點(diǎn)上升,在Na2O質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9.08%時(shí)達(dá)到高峰.此后隨Na2O含量進(jìn)一步增大,灰熔點(diǎn)下降.江西萍鄉(xiāng)煤灰還原氣氛下添加K2O對煤灰熔點(diǎn)的影響如圖3所示,添加Na2O影響如圖4所示.煤灰中添加K2O后灰熔點(diǎn)呈緩慢下降趨勢.K2O質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到13.96%時(shí),灰熔點(diǎn)到達(dá)低谷,之后隨K2O含量進(jìn)一步增加,熔點(diǎn)升高,并超過1500℃.這是因?yàn)樯闪巳埸c(diǎn)更高的新礦物質(zhì).煤灰中添加Na2O灰熔點(diǎn)下降趨勢明顯,并在Na2O質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%左右時(shí)曲線有一個(gè)拐點(diǎn).2.2試樣主要礦物質(zhì)x-射線衍射分析分別對江西萍鄉(xiāng)原煤和800℃灰樣進(jìn)行X-射線衍射分析,X-射線衍射強(qiáng)度Cps變化見圖5和圖6.由圖5和圖6可知,江西原煤的礦物質(zhì)成分為石英、高嶺石、白云石等,其中石英含量較多,白云石含量較少.800℃灰中主要礦物質(zhì)為石英.同時(shí)為了研究添加K2O和Na2O后煤灰樣中礦物質(zhì)的變化,對江西萍鄉(xiāng)灰添加添加劑后熔點(diǎn)較低時(shí)的混合灰樣1#(K2O質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10.49%)和2#(Na2O質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12.01%)進(jìn)行X-射線衍射分析.各試樣主要礦物質(zhì)X-射線衍射強(qiáng)度變化如圖7和圖8所示.圖7和圖8表明1#混合灰樣中石英含量隨溫度升高而減少,從900℃左右開始與K2O和Al2O3形成白榴石(K2O·Al2O3·4SiO2),石英晶體和白榴石在1300℃時(shí)XRD衍射峰均趨于消失;2#混合灰樣中石英含量隨溫度升高而減少,800℃開始與Na2O和Al2O3形成霞石(Na2O·Al2O3·2SiO2),霞石在1100℃衍射峰消失,石英在更高溫度下完全熔融.3三元焦相圖分析了煤灰的融合特性3.1wsio3+al2o3、al2o3、3.2o33.23.K2O-Al2O3-SiO2三元系統(tǒng)相圖如圖9所示,L1為斜率w(SiO2)/w(Al2O3)比率保持不變的直線(比率為2.27),也是江西煤灰與不同比率的K2O摻混的混合灰樣的近似跡線.直線L2的斜率為w(SiO2)/w(Al2O3)=1.53,是平頂山煤灰與不同比率的K2O摻混的混合灰樣的近似跡線.將直線L1按熔融溫度和灰樣中K2O含量關(guān)系繪制成圖3的實(shí)線部分(液相溫度曲線),實(shí)驗(yàn)結(jié)果繪制成虛線部分(熔融特性溫度曲線).將兩線比較可知,液相線的趨勢和熔融溫度特性曲線相似,但是并不接近平行,相互之間存在5%左右的K2O含量位移,這個(gè)位差的存在是由于有Fe和Ca存在.另外,虛線與系統(tǒng)相圖液相線溫度曲線相比,波谷淺,下降上升趨勢平緩,這可能是由于K2O在高溫下?lián)]發(fā)所致.當(dāng)w(SiO2)/w(Al2O3)=3左右時(shí),這種改變會有效地加寬白榴石(KAlSi2O6)區(qū),降低最大液相溫度100℃左右,圖中兩者將會更加符合.在白榴石最高溫度附近發(fā)生的偏離可能歸因于高溫下富鉀硅酸鹽液體的極低粘度,這種偏離使觀察到的灰錐完全熔融時(shí),理論上的灰錐只部分熔融.基于這種考慮,高K2O含量下變形溫度和流動溫度間間隔很小說明容易熔融.Kahraman等人研究鉀長石與石英混合樣的熔融,發(fā)現(xiàn)混合樣在900~1200℃發(fā)生熔融,混合樣的相圖標(biāo)明共熔點(diǎn)溫度在980~1150℃,與煤灰熔融特性相似.圖9中,L1線周圍主要結(jié)晶區(qū)的礦物質(zhì)有石英、莫來石、白榴石、鉀霞石等.考慮灰樣其他礦物組分影響,混合灰樣w(K2O)=10.49%的SiO2,Al2O3和K2O組分點(diǎn)A落在白榴石相區(qū),這與w(K2O)=10.49%的江西煤灰混合灰樣在較高溫度下檢測出的石英、白榴石為主要生成礦物基本一致.根據(jù)X-射線衍射分析結(jié)果,可以推斷在高溫下,添加K2O的灰樣主要發(fā)生以下反應(yīng):K2O+Al2O3+4SiO2→K2O?Al2O3?4SiO2(白榴石).Κ2Ο+Al2Ο3+4SiΟ2→Κ2Ο?Al2Ο3?4SiΟ2(白榴石).3.2還原氣氛中添加na2o的灰樣的工程應(yīng)用Na2O-Al2O3-SiO2三元系統(tǒng)相圖如圖10所示.圖中直線L1為江西煤灰與不同比率Na2O摻混的混合灰樣的近似跡線,w(SiO2)/w(Al2O3)=2.27.直線L2為平頂山煤灰與不同比率Na2O摻混的混合灰樣近似跡線,w(SiO2)/w(Al2O3)=1.53.L1線的液相線溫度曲線在圖4中用實(shí)線表示,虛線表示混合灰樣的灰熔點(diǎn)溫度曲線.它們之間除存在10%左右Na2O質(zhì)量分?jǐn)?shù)的位差外,其余都與液相線溫度曲線接近平行.這個(gè)位差是由于煤灰中存在除Na2O外的其他堿性成分(Ca,Fe,K等)的緣故.圖10中,B點(diǎn)為Na2O質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12.01%混合灰樣圓整SiO2,Al2O3和Na2O成分的組分點(diǎn).考慮到灰樣中其他組分所引起的偏差,B落在霞石相區(qū),這與混合灰樣在還原氣氛X-射線衍射分析到主要生成礦物質(zhì)為石英和霞石基本符合.L1線周圍主要結(jié)晶區(qū)的礦物質(zhì)為石英、莫來石、霞石、三斜霞石等,這幾種礦物質(zhì)在一起會有共熔現(xiàn)象發(fā)生,其中鈉長石與霞石相區(qū)形成共熔點(diǎn)溫度1062℃,B點(diǎn)接近此共熔點(diǎn),而混合灰樣變形溫度為1086℃,兩者符合較好.此結(jié)果與Reifenstein等人的研究符合.熔融實(shí)驗(yàn)表明,直到1050℃之前灰柱才發(fā)生明顯的變形,與鈉長石-二氧化硅二元相圖中兩者共熔溫度為1062℃符合較好.霞石、三斜霞石形成最低共熔點(diǎn)