煤氣化渣燒結制品的燒成制度研究

牛國峰 劉 芳 賈曉林

1）內(nèi)蒙古科技大學 理學院 內(nèi)蒙古包頭 014010

2）內(nèi)蒙古科技大學 白云鄂博共伴生礦廢棄物資源綜合利用國家地方聯(lián)合工程研究中心 內(nèi)蒙古包頭 014010

3）內(nèi)蒙古科技大學 白云鄂博礦多金屬資源綜合利用重點實驗室 內(nèi)蒙古包頭 014010

煤氣化是煤炭清潔高效利用的核心技術之一，也是煤基化學品合成和整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)（IGCC）等工業(yè)的基礎。但是，煤氣化每年產(chǎn)生的固體廢棄物煤氣化渣高達幾千萬噸［1］。煤氣化渣的堆放占用大量的土地資源，并可能對附近的土壤、地下水和大氣造成污染，須對其進行資源化利用。

Wagner等［2］和Acosta等［3］研究表明，煤氣化渣可以作為陶瓷燒結材料的原料，并用煤氣化渣和黏土制備了耐壓強度達到45 MPa的建筑用磚；尹洪峰等［4］用70%（w）的煤氣化渣和30%（w）的黏土燒制出MU7.5以上的保溫隔熱墻體材料；云正等［5］在鐵尾礦中摻入20%（w）的煤氣化渣制備出耐壓強度高于MU30的墻體材料；馮銀平等［6］以煤氣化渣為原料，采用擠出成型制備出MU30的輕質(zhì)隔熱墻體材料。但是，對于煤氣化渣燒結制品的燒成制度鮮有研究報道。

本工作中，在煤氣化渣中摻加一定量的結合劑和添加劑進行調(diào)配，采用正交設計研究了煤氣化渣燒結制品的燒成制度（升溫速率、燒成溫度和保溫時間）對制品體積密度、耐壓強度、吸水率和熱導率的影響。

1 試驗

1.1 原料及試驗配方

試驗用煤氣化渣來自內(nèi)蒙古某企業(yè)，在恒溫干燥爐中于110℃烘干12 h后使用。經(jīng)化學分析，煤氣化渣的化學組成（w）為：SiO219.04%，Al2O38.39%，F(xiàn)e2O39.13%，CaO 9.00%，灼減48.90%。經(jīng)XRD分析，其主要晶相為石英和方解石。經(jīng)激光粒度分析，其d50=7.69μm，d90=30.70μm，粒度比較細。結合劑為頁巖，添加劑為膨潤土。

試驗配方（w）如下：煤氣化渣45%，頁巖35%，膨潤土20%。

1.2 試驗程序

按設計配比配料，倒入NJ-160B攪拌機中，以一定的速度干混5 min。取部分干混料以10℃·min-1的升溫速率從室溫升溫至1 400℃進行綜合差熱分析，其余干混料添加干混料質(zhì)量10%的水攪拌10 min。采用YAW-1000型壓力試驗機以20 MPa壓力壓制成?78 mm×25 mm的樣坯，在干燥箱內(nèi)于110℃干燥至前后兩次質(zhì)量稱量相差不超過1 g。取部分干燥后樣坯在光熱系統(tǒng)中，以10℃·min-1的升溫速率從室溫升溫至1 400℃，測量這一過程中試樣的右視圖面積保持率。其余樣坯在箱式電阻爐中按設計的燒成制度進行煅燒，自然冷卻后檢測其性能。

干混料的TG-DSC曲線見圖1，烘干樣坯在光熱系統(tǒng)中測得的右視圖面積保持率見圖2。

圖1 干混料的TG-DSC曲線

圖2 烘干后樣坯在光熱系統(tǒng)測得的右視圖面積保持率曲線

由圖1的TG曲線可知：烘干后樣坯全程有約25%的質(zhì)量損失，其中，在350～560℃段和1 000～1 400℃段，質(zhì)量損失速率較大。對照DSC曲線可知：350～560℃段的質(zhì)量損失主要是結構水和結晶水的排出導致的，1 000～1 400℃段的質(zhì)量損失主要是氧化鐵和殘?zhí)挤磻尫懦鯟O2（Fe2O3+C—→Fe+CO2）造成的。因此，在制品燒成過程中要控制升溫速率，避免短時間內(nèi)大量氣體逸出使制品內(nèi)部產(chǎn)生裂紋。由圖1的DSC曲線可知：560～1 000℃段發(fā)生復雜的放熱反應，須控制制品燒成過程中的升溫速率，否則會損害制品的強度［7］。此外，煤氣化渣存在大量的石英，石英從583℃開始便發(fā)生晶型轉變并伴隨較大的體積效應，也須控制制品燒成過程中的升溫速率。

由圖2可知，坯體在800～1 230℃持續(xù)快速收縮，表明坯體內(nèi)有較多的玻璃相。玻璃相過多會使制品的骨架變?nèi)?，導致變形；過少則不足以填充坯體中的孔隙，降低制品的力學性能。玻璃相的量與坯體的組成、原料粒度尤其是燒成制度等相關。

綜上所述，并根據(jù)以往經(jīng)驗，本工作中，選取升溫速率、燒成溫度、保溫時間三個試驗因素；各因素的試驗水平均選取三個：升溫速率分別為2、3、4℃·min-1，燒成溫度分別為1 100、1 150和1 200℃，保溫時間分別為2、4、6 h。因素-水平見表1。決定采用正交表L9（33）安排試驗，表頭設計見表2。

表1 正交試驗因素-水平表

表2 正交試驗表頭設計

1.3 檢測與表征

分別按照GB／T 2997—2015、GB／T 5101—2017和GB／T 5072—2008檢測燒后試樣的體積密度、吸水率、耐壓強度。用DRL-Ⅱ型熱流法導熱儀測定燒后試樣室溫至50℃的熱導率。

用德國DADVANCE型X射線衍射儀分析燒后試樣的物相組成。

2 結果與分析

2.1 燒后試樣的性能

正交試驗結果見表3。

表3 正交試驗結果

燒后試樣耐壓強度正交試驗結果的分析見表4。各因素對制品耐壓強度影響程度的大小順序為：燒成溫度B＞保溫時間C＞升溫速率A，最優(yōu)方案為A2B3C3。

表4 耐壓強度正交試驗結果分析 MPa

燒后試樣體積密度正交試驗結果的分析見表5。各因素對制品體積密度影響程度的大小順序為：燒成溫度B＞保溫時間C＞升溫速率A，最優(yōu)方案為A1B2C2。

表5 體積密度正交試驗結果分析 g·cm-3

燒后試樣吸水率正交試驗結果的分析見表6。各因素對制品吸水率影響程度的大小順序為：燒成溫度B＞保溫時間C＞升溫速率A，最優(yōu)方案為A1B3C2。

表6 吸水率正交試驗結果分析 %

燒后試樣熱導率正交試驗結果的分析見表7。各因素對制品熱導率影響程度的大小順序為：燒成溫度B＞升溫速率A＞保溫時間C，最優(yōu)方案為A1B3C2。

表7 熱導率正交試驗結果分析 W·m-1·K-1

經(jīng)綜合平衡考慮，最優(yōu)試驗方案為A1B3C3，即表2中的3號試驗方案，所得試樣的體積密度為1.84 g·cm-3，耐壓強度為112 MPa，吸水率為1.4%，熱導率為1.239 W·m-1·K-1。

2.2 燒后試樣的物相組成

3號試驗方案所得試樣的XRD圖譜見圖3。其晶相有鈣長石（CaO·Al2O3·2SiO2）、頑輝石（MgSiO3）和莫來石（3Al2O·2SiO2），不存在石英晶體。因為一部分石英參與了鈣長石、頑輝石和莫來石晶體的形成，剩余的石英進入玻璃相中。

圖3 煤氣化渣燒結制品的XRD圖譜

3 結論

（1）燒成制度各因素對燒結制品的耐壓強度、體積密度和吸水率影響程度的大小順序均為燒成溫度＞保溫時間＞升溫速率，對熱導率影響程度的大小順序為燒成溫度＞升溫速率＞保溫時間。

（2）經(jīng)綜合平衡考慮，最優(yōu)試驗方案為A1B3C3，即表2中的3號試驗方案，其體積密度為1.84 g·cm-3，耐壓強度為112 MPa，吸水率為1.4%，熱導率為1.239 W·m-1·K-1。