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1煤矸石的定义和现状
从狭义上讲,煤矸石是煤炭开采出来时夹带的碳质泥岩、碳质砂岩;从广义上讲,煤矸石是煤矿建井和生产过程中排出的一种混杂岩体,包括煤矿在井巷掘进时排出来的矸石、露天煤矿开采时剥离的矸石和洗选加工过程中排出的矸石。目前我国煤矸石堆存量约45亿吨,规模较大的煤矸石山约有1600座,,
2煤矸石的性质和分类
煤矸石按产出方式可分为6种类型:岩巷矸石,煤巷矸石,剥离矸石,手选矸石,洗选矸石,自燃矸石。
矸石的化学成分是由两部分组成的:有机可燃物和无机化合物。我国典型矸石的化学成分一般是以硅氧等氧化物为主:SiO240%-60%,Al2O315%-30%。一般还含有少量的Fe2O3,CaO,MgO,Na2O,K2O等。煤矸石的无机成分中,铝硅比(即Al2O3/SiO2)反映了大多煤矸石无机成分特征,也大体上决定着一般煤矸石综合利用的途径。,此时煤矸石含铝量高,含硅量相对较低,矸石成分以高岭石为主,有少量伊利石、石英。此时矸石可考虑作为制高级陶瓷,4A分子筛。-,铝硅含量都适中。矿物成分以高岭石、伊利石为主。可作为生产聚合铝的原料。,主要成分是石英、长石、方解石、菱铁矿等,含少量黏土矿物。
煤矸石的岩石种类主要有黏土岩类、砂岩类、碳酸岩类、铝质岩类。黏土岩类中主要矿物组分为黏土矿物,其次为石英、长石、云母和黄铁矿、碳酸盐等自生矿物。煤矸石中主要矿物成分有高岭石,伊利石,绿泥石,蒙脱石,多水高岭石等。
煤矸石的灰分一般为75-85%,挥发分通常在20%一下,固定碳含量低于40%。煤矸石发热量多在6300KJ/Kg以下,热值高于6300KJ/Kg的约占10%,3300-6300KJ/Kg,1300-3300KJ/Kg
硫铁矿回收流程有重介旋流器流程、全摇床流程、跳汰-摇床流程、跳汰-螺旋溜槽联合流程和跳汰-摇床-螺旋溜槽联合流程,其中跳汰-摇床联合流程分选效果好,得到广泛应用。
煤矸石在建筑材料中的应用包括煤矸石制砖,制水泥,生产轻骨料,煤矸石砌块,煤矸石做路基材料等。
加大了煤矸石的利用率,减少占地。煤矸石制砖以代替黏土,利用煤矸石自身的发热量内燃,做到制砖不用土,烧砖不用煤或少用煤。
煤矸石制砖工艺和黏土砖基本相同,主要包括原料的制备、成型、干燥和焙烧等。
煤矸石作为原燃料生产水泥的工艺过程与生产普通水泥基本相同,将煤矸石与一定比例的石灰石配合,磨细成料,烧至部分熔融,得到以硅酸钙为主要成分的熟料,在加入适量的石膏和混合材料,磨成细粉,通过“两磨一烧”即可生产水泥。
煤矸石中含有少量的可燃物质,用它代替黏土是,可节省熟料煅烧时的煤量,降低熟料煤耗;可改善水泥生料的易烧性,有利于热工制度的稳定,提高水泥熟料的质量。
以煤矸石为原料生产建筑材料,产品附加值较低,经济效益较差,煤矸石中所含的多种有用资源和矿物未得到有效的开发和利用。
煤矸石提取铝的化合物,将煤矸石与石灰石或碱石灰混合后,高温煅烧,活化煤矸石中的氧化铝,然后用酸或碱溶液浸出,经洗涤,干燥等工艺可得到铝的化合物。
煤矸石与石灰石混合后煅烧,主要化学反应如下:
CaCO3=CaO+CO2
SiO2+2CaO=2CaO•SiO2
7(3Al2O3•2SiO2)+64CaO=3(12CaO•7Al2O3)+14(2CaO•SiO2)
煅烧后产物为块状烧结物,利用硅酸二钙晶相转化过程中产生的体积膨胀(处于介稳状态的β-C2S向稳定的γ-C2S转变时,转变体积增大10%),使硅酸二钙和其他矿物一同粉化。
氧化铝是***物质,既溶于酸又溶于碱,故从活化煤矸石中浸取氧化铝有酸法和碱法两大类。用强碱浸取,使氧化铝生成易溶于水的铝酸钠,原料中的铁等杂质成不溶物被分离出去。但强碱和二氧化硅反应,会将硅杂质带入溶液,必须添加除硅工艺。用强酸浸取,可得到相应的铝盐溶液,但酸对铝的选择性不好,存在除铁困难的问题。
一般工艺
矸石原料
破碎
滤液
固液分离
酸/碱溶
煅烧活化
制絮凝剂、纳米Al2O3等产品
除杂
滤渣
石灰石烧结法:
熟料的烧结和自粉化
煤矸石中加入一定量的石灰石,高温下煅烧,使高岭石转化为硅酸二钙(C2S)和七铝十二钙(C12A7)。煅烧后产物为块状烧结物,利用硅酸二钙晶相转化过程中产生的体积膨胀(处于介稳状态的β-C2S向稳定的γ-C2S转变时,转变体积增大10%),使硅酸二钙和其他矿物一同粉化,期间的化学反应包括
CaCO3=CaO+CO2
SiO2+2CaO=2CaO•SiO2
7(3Al2O3•2SiO2)+64CaO=3(12CaO•7Al2O3)+14(2CaO•SiO2)
(2)熟料溶出过程
12CaO•7Al2O3+12Na2CO3+33H2O=14NaAl(OH)4+12CaCO3+10NaOH
(3)溶出夜脱硅
溶出夜用氧化钙脱硅,
(4)酸化分解,析出氢氧化铝
向铝酸钠中通入CO2,析出氢氧化铝,经煅烧得到氧化铝。
碱石灰烧结法
碳酸钠和生石灰与煤矸石在一定温度下烧结,烧结熟料用80g/L的氢氧化钠稀溶液在100℃下溶出5分钟,溶出的铝酸钠溶液经滤去赤泥后经盐酸酸化得到氧化铝。
沸石的一般化学式为:AmBpO2p•nH2O,结构式为:Ax/q[(AlO2)x(SiO2)y]nH2O,其中A为Ca、Na、K、Ba、Sr等阳离子,B为Al和Si,q为阳离子电价,m为阳离子数,n为水分子数,x为Al原子数,y为Si原子数,y/x通常在1-5之间,(x+y)是单位晶胞中四面体的个数。沸石的主要用途是洗涤剂和催化剂。
合成沸石按硅铝比不同分为x型和Y型分子筛,SiO2/-,。
天然Na型沸石的加工过程为:将天然丝光沸石用过量的钠盐(NaCl,Na2SO4,NaNO3)处理,使Na+交换率至少在75%以上,成型后在90-110℃干燥,最后在350-600℃温度下加热活化制成。
人工合成沸石的方法:水热合成法和碱处理法。一般包括以下工艺:原料制备,配料成胶,加热晶化,洗涤,交换,成
型,烘干,活化。
水热合成法:
原料:碱,氧化铝,氧化硅,水
碱原料可以是氧化钠,氧化钾,氧化理,氧化钙等,也可以是混合碱
氧化铝原料是各种氢氧化铝,如三水铝石,三羟铝石,还有一些铝盐,如硫酸铝,三氧化铝和费金属铝。
氧化硅原料可以是水玻璃,硅酸,硅溶胶,卤代硅烷和各种活性无定形硅石。
碱处理法:这种方法是用的原料分为两类:一类是天然矿物,如高岭土、膨润土、硅藻土、水铝莫石,火山玻璃岩等;另一类是各种工业含硅铝原料,如硅凝胶、铝凝胶、硅铝凝胶、炉灰渣等。
粉煤灰合成沸石的方法包括水热合成法、碱溶法、盐热法、混碱气相合成法、熔融法等
a、水热合成
用NaOH或KOH活化剂,配成适当浓度的水溶液,将一定体积的溶液和一定质量的粉煤灰混合,老化一段时间,在适当的温度范围内进行晶化。
b、碱溶法
将一定比例的活化剂如NaOH加入到粉煤灰中,为了合成不同的沸石,有时还要补充适量的铝源,混合均匀,在较高的温度下焙烧,焙烧产物加入一定量的水,搅拌老化一段时间,然后在适当的温度下进行晶化
c、盐热法
将活化剂(NaOH、KOH、NH4F)和某种盐(NaNO3、KNO3、NH4NO3)按适当比例加到粉煤灰中,混合均匀后进行焙烧,焙烧温度在200-300℃左右。
d、混碱气相合成法
将一定比例的粉煤灰和碱源在水的参与下混合均匀,然后干燥成固态前驱物质,再在水或水和有机***蒸汽中晶化
e、熔融法
煤矸石活化过程中加入碱性化学添加剂,如氢氧化钠或者碳酸钠,热活化过程中煤矸石与化学添加剂会形成共溶体,冷却至室温后,把共溶体全部投入反应釜中,参照沸石配比调整溶液,水热合成产品。
4粉煤灰空心微珠及其利用
粉煤灰空心微珠是在粉煤灰中发现的微型空心玻璃球,一种漂浮型的,可以浮在水面上,简称漂珠;一种密度大于水,称为微珠或沉珠,两者统称为空心微珠。
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煤粉和空气混合物以射流形式,从燃烧器喷入炉膛进行剧烈的燃烧。当煤粉的可燃物燃尽时,出现液相硅酸盐熔滴,同时煤粒在燃烧时释放出了CO2和N2,在1500℃左右和强湍流作用下,CO2和N2与熔滴发生强烈的相互作用,部分CO2和N2就进入了熔滴内,由于液相硅酸盐黏度的作用,进入熔滴内的CO2和N2就被封闭在熔滴内,在液相硅酸盐表面张力的作用下,形成了球形空心熔融体,在炉温的急速冷却下,球形空心熔融体被迅速固化,形成了固态空心玻璃微珠,这时固化温度已约在1000℃,接着空心玻璃微球由炉膛出口经过热器、再热器、省煤器、空气预热器,最后空心玻璃微球进入静电除尘器内时已降至130℃-150℃。
漂珠的粒度一般为10-300um,大的可达400um,-200um,其中小于65um的居多。
漂珠的矿物组成为:硅酸盐玻璃相占80%-85%,莫来石占10%-15%,其他矿物约占5%。漂珠的物相大致可分为两种:一种物相为非晶玻璃相,为漂珠的主要物相;另一种物相为液相
析晶的莫来石,以针网状网络分布在珠壁上。但透明漂珠的莫来石析晶极少或没有。微珠的主要物相为非玻璃相、结晶莫来石及磷石英。随着粒径的变小,非晶玻璃相更多。
聚合物填充材料
微珠表面镀金属薄膜
提高航天器聚合物抗原子氧的剥蚀
水泥、混凝土、陶瓷砖、空心砖、保温材料、绝热材料等