冷軋摩擦鐵粉對(duì)河南九里山煤灰熔融性的影響

王 航,袁春偉,趙基鋼,孔令濤

(1.中國(guó)昆侖工程有限公司,北京 100037;2.華東理工大學(xué)石油加工研究所,上海 200237;3.新疆大學(xué)煤炭清潔轉(zhuǎn)化與化工過(guò)程自治區(qū)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,新疆烏魯木齊 830046)

0 引 言

冷軋帶鋼具有厚度小、精度高、性能好、品種多、用途廣等優(yōu)點(diǎn),冷軋工藝被各國(guó)廣泛采用[1]。為保證冷軋過(guò)程軋輥與鋼板的軋制,需用冷軋乳化液潤(rùn)滑保護(hù)表面并移熱,在此摩擦過(guò)程中不可避免產(chǎn)生了大量細(xì)鐵粉顆粒,過(guò)量的摩擦鐵粉需去除,否則會(huì)影響冷軋鋼表面的平整性;同時(shí)磁過(guò)濾去除過(guò)量鐵粉時(shí)不可避免地帶出有用的冷軋乳化油,為保證冷軋過(guò)程順利進(jìn)行需定期補(bǔ)充新鮮冷軋乳化液。因此,在冷軋鋼生產(chǎn)過(guò)程中不可避免產(chǎn)生大量冷軋磁過(guò)濾產(chǎn)物(主要成分為鐵粉與冷軋乳化油)。磁過(guò)濾產(chǎn)物過(guò)去主要采用填埋和焚燒的處理方式,導(dǎo)致有效資源的極大浪費(fèi),造成環(huán)境污染[2-4]。

我國(guó)煤炭資源豐富,大規(guī)模煤氣化技術(shù)作為清潔煤技術(shù)已廣泛用于制氣與合成化學(xué)品等領(lǐng)域。當(dāng)今氣流床作為先進(jìn)的氣化技術(shù)均采用液態(tài)排渣。由于我國(guó)煤炭總產(chǎn)量的一半以上為1 400℃以上的高灰熔融性煤[5],高于液態(tài)排渣的溫度要求,因此首要問(wèn)題是如何降低煤灰熔融溫度以達(dá)到液態(tài)排渣要求。目前一般采取加入配煤[6-7]、助熔劑[7-8]或配煤與助熔劑相結(jié)合[8-9]的方法降低煤的灰熔融溫度。劉象等[10]考察Fe2O3對(duì)高灰熔融溫度LNC煤礦物組成、微觀形貌等的影響,認(rèn)為Fe2O3的引入抑制了莫來(lái)石的生成,從而使煤灰在較低溫度下即發(fā)生熔融;Shen等[11]研究了熔巖對(duì)煤灰特性的影響,結(jié)果表明熔鹽與準(zhǔn)東煤灰的相互作用降低了熔融體系的熱擴(kuò)散系數(shù),降低了灰熔融溫度;Li等[12]研究了鈣基、鐵基等助熔劑對(duì)煤灰熔融溫度的影響,證實(shí)助熔劑可顯著降低皖北劉二橋煤礦灰熔融溫度,從而達(dá)到煤氣化爐的使用要求;楊建國(guó)等[13]通過(guò)研究煤灰熔融過(guò)程中的礦物演變及其對(duì)灰熔融溫度的影響,認(rèn)為大量生成的莫來(lái)石使煤灰的熔點(diǎn)很高。但鮮見(jiàn)冷軋鋼產(chǎn)生的磁過(guò)濾產(chǎn)物用于助熔高灰熔融性煤的報(bào)道。為實(shí)現(xiàn)冷軋磁過(guò)濾產(chǎn)物廢棄物的資源化利用,結(jié)合大型煤氣化爐液態(tài)排渣要求,分析了某鋼廠(chǎng)磁過(guò)濾產(chǎn)物分離出的摩擦鐵粉的性質(zhì),并以摩擦鐵粉為助熔劑,研究對(duì)河南九里山煤灰熔融性的影響,最后采用X射線(xiàn)衍射研究了煤灰的礦物組成變化,并分析助熔機(jī)理,為煤的清潔化利用拓寬原料來(lái)源,同時(shí)為鋼廠(chǎng)冷軋磁過(guò)濾產(chǎn)物廢棄物的資源化利用提供技術(shù)與理論支撐。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原料

原料煤(RC)來(lái)自河南九里山煤礦,性質(zhì)分析見(jiàn)表1;所用助熔劑為某鋼廠(chǎng)磁過(guò)濾產(chǎn)物分離出的摩擦鐵粉,性質(zhì)見(jiàn)表2。

表1 原煤樣性質(zhì)分析Table 1 Properties of raw coal sample

表2 冷軋摩擦鐵粉的組成及含量Table 2 Chemical composition and content of iron powder by cold rolled friction

1.2 灰樣的制備及高溫?zé)崽幚?/h3>

將磨細(xì)的原煤(粒徑＜0.2 mm)與一定比例的摩擦鐵粉混合均勻,將混好的樣品放入瓷舟并置入馬弗爐中,于850℃灰化一定時(shí)間后取出快速冷卻,而后放入真空干燥箱于105℃下干燥36 h后密封待用,即制得灰樣[8-10]。在氮?dú)夥諊?將灰樣置于高溫管式爐中,由室溫以5℃/min升溫速率加熱至預(yù)設(shè)熱處理溫度(850～1 350℃)后,取出冷卻,接著放入真空干燥箱于105℃下干燥36 h后密封待用,即為灰樣的高溫?zé)崽幚磉^(guò)程[8-10]。

1.3 樣品分析

摩擦鐵粉的形貌采用JSM-6301F場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡分析;粒度及分布采用英國(guó)馬爾文儀器有限公司MS-2000型激光粒度分析儀測(cè)定;化學(xué)組成及含量采用日本島津公司的XRF-1800X射線(xiàn)熒光光譜儀測(cè)定。煤灰的礦物組成采用日本理光機(jī)電公司的Rigaku D/max 2550VB/PC X射線(xiàn)衍射儀測(cè)定,管電壓為40 kV,管電流為100 mA,Cu靶。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 冷軋摩擦鐵粉性質(zhì)

礦石作為煤助熔劑時(shí),需將其機(jī)械粉碎成細(xì)顆粒(小于0.2 mm),故冷軋摩擦鐵粉的粒度、組成及含量對(duì)煤灰熔融性有重要影響。摩擦鐵粉的掃描電鏡如圖1所示,粒度分布如圖2所示。由圖1可知,摩擦鐵粉的形狀為不規(guī)則狀,粒度較小,絕大部分在10 μm以下,與圖2的粒度分布結(jié)果(顆粒尺寸為0.6 ～ 16 μm)相吻合,遠(yuǎn)小于煤樣粒度(小于0.2 mm),故其作為助熔劑時(shí)無(wú)需進(jìn)一步粉碎。由表2可知,摩擦鐵粉中主要含鐵元素,鐵氧化物的含量高達(dá)98%以上,可以作為高熔點(diǎn)煤的鐵基助熔劑使用。

圖1 摩擦鐵粉的SEM分析Fig.1 SEM images of iron powder by cold rolled friction

圖2 摩擦鐵粉的粒度分布Fig.2 Particles size distribution of iron powder by cold rolled friction

2.2 摩擦鐵粉對(duì)煤灰熔融性的影響

以摩擦鐵粉為助熔劑,考察其添加量(以原煤灰量為基準(zhǔn))對(duì)RC煤灰熔融溫度的影響,結(jié)果如圖3所示?？芍?RC煤灰熔溫度很高(煤灰流動(dòng)溫度高達(dá)1 510℃),助熔劑添加量為2%時(shí),煤灰熔融特征溫度明顯下降,幅度達(dá)到約200℃;繼續(xù)增加助熔劑添加量,煤灰樣的變形溫度、軟化溫度和流動(dòng)溫度基本無(wú)明顯變化。說(shuō)明摩擦鐵粉可明顯降低河南九里山煤的灰熔融性,當(dāng)摩擦鐵粉添加量為2%時(shí),河南九里山煤灰流動(dòng)溫度由1 510℃降至1 340℃,可滿(mǎn)足氣流床液態(tài)排渣要求。

圖3 摩擦鐵粉添加量對(duì)RC煤灰熔融溫度的影響Fig.3 Effect of iron powder content on ash melting temperature of RC coal

2.3 添加助熔劑前后RC煤灰的XRD分析

不同熱處理溫度的RC原煤灰的XRD分析如圖4所示。RC原煤灰在熱處理?xiàng)l件下的特征衍射峰與皖北劉橋二礦煤灰類(lèi)似[9-10]。雖然煤灰中高嶺石等黏土礦物轉(zhuǎn)變生成石英與莫來(lái)石,莫來(lái)石極易與CaO反應(yīng)生成鈣長(zhǎng)石,與赤鐵礦還原成的FeO生成鐵尖晶石(Fe2Al2O4)與鐵橄欖石(Fe2SiO4)等低溫共熔化合物,但由于高嶺石居多,故高溫下RC煤灰中礦物以莫來(lái)石為主,導(dǎo)致灰熔融溫度高。

圖4 RC原煤灰在不同熱處理溫度下的XRD分析Fig.4 XRD of RC raw coal ash at different heattreatment temperature

摩擦鐵粉添加量為2%時(shí),不同熱處理溫度下RC煤灰的 XRD分析如圖5所示?？芍?添加2.0%摩擦鐵粉的煤灰除有少量硬石膏外,礦物中以赤鐵礦與石英為主,這與皖北劉橋二礦煤添加鐵基助熔劑類(lèi)似[8,12],即在弱還原性氣氛下,含鐵氧化物易被還原成FeO,FeO在高溫下與煤灰反應(yīng)生成鐵橄欖石(Fe2SiO4)和鐵尖晶石(Fe2Al2O4)等低溫共熔化合物,可降低煤灰熔融溫度。

圖5 添加摩擦鐵粉的RC煤灰在不同熱處理溫度下的XRD分析Fig.5 XRD of RC coal ash with iron powder at different heat-treatment temperature

3 結(jié) 論

1)冷軋磁過(guò)濾產(chǎn)物中分離所得的摩擦鐵粉為不規(guī)則狀,粒度較小為0.6～16 μm,遠(yuǎn)小于樣品煤的粒度(小于200 μm),主要為鐵元素(氧化物含量98%以上),可作為高熔點(diǎn)煤的鐵基助熔劑使用。

2)添加摩擦鐵粉可明顯降低RC煤的灰熔融溫度,即摩擦鐵粉可作為助熔劑;當(dāng)摩擦鐵粉添加量為2%時(shí),RC煤灰流動(dòng)溫度由1 510℃降至1 340℃,可滿(mǎn)足氣流床液態(tài)排渣要求。

3)煤灰XRD分析表明,RC煤在高溫下生成莫來(lái)石是其灰熔融溫度較高的主要原因,添加摩擦鐵粉可降低RC煤的灰熔融溫度,主要原因在于添加2.0%摩擦鐵粉的煤灰除有少量硬石膏外,礦物中以赤鐵礦和石英為主,在弱還原性氣氛下,含鐵氧化物易被還原成FeO,FeO在高溫下與煤灰反應(yīng)生成鐵橄欖石(Fe2SiO4)和鐵尖晶石(Fe2Al2O4)等低溫共熔化合物,可降低煤灰熔融溫度。

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