煤气化渣烧结制品的烧成制度研究

牛国峰 刘 芳 贾晓林

1）内蒙古科技大学 理学院 内蒙古包头 014010

2）内蒙古科技大学 白云鄂博共伴生矿废弃物资源综合利用国家地方联合工程研究中心 内蒙古包头 014010

3）内蒙古科技大学 白云鄂博矿多金属资源综合利用重点实验室 内蒙古包头 014010

煤气化是煤炭清洁高效利用的核心技术之一，也是煤基化学品合成和整体煤气化联合循环（IGCC）等工业的基础。但是，煤气化每年产生的固体废弃物煤气化渣高达几千万吨［1］。煤气化渣的堆放占用大量的土地资源，并可能对附近的土壤、地下水和大气造成污染，须对其进行资源化利用。

Wagner等［2］和Acosta等［3］研究表明，煤气化渣可以作为陶瓷烧结材料的原料，并用煤气化渣和黏土制备了耐压强度达到45 MPa的建筑用砖；尹洪峰等［4］用70%（w）的煤气化渣和30%（w）的黏土烧制出MU7.5以上的保温隔热墙体材料；云正等［5］在铁尾矿中掺入20%（w）的煤气化渣制备出耐压强度高于MU30的墙体材料；冯银平等［6］以煤气化渣为原料，采用挤出成型制备出MU30的轻质隔热墙体材料。但是，对于煤气化渣烧结制品的烧成制度鲜有研究报道。

本工作中，在煤气化渣中掺加一定量的结合剂和添加剂进行调配，采用正交设计研究了煤气化渣烧结制品的烧成制度（升温速率、烧成温度和保温时间）对制品体积密度、耐压强度、吸水率和热导率的影响。

1 试验

1.1 原料及试验配方

试验用煤气化渣来自内蒙古某企业，在恒温干燥炉中于110℃烘干12 h后使用。经化学分析，煤气化渣的化学组成（w）为：SiO219.04%，Al2O38.39%，Fe2O39.13%，CaO 9.00%，灼减48.90%。经XRD分析，其主要晶相为石英和方解石。经激光粒度分析，其d50=7.69μm，d90=30.70μm，粒度比较细。结合剂为页岩，添加剂为膨润土。

试验配方（w）如下：煤气化渣45%，页岩35%，膨润土20%。

1.2 试验程序

按设计配比配料，倒入NJ-160B搅拌机中，以一定的速度干混5 min。取部分干混料以10℃·min-1的升温速率从室温升温至1 400℃进行综合差热分析，其余干混料添加干混料质量10%的水搅拌10 min。采用YAW-1000型压力试验机以20 MPa压力压制成ϕ78 mm×25 mm的样坯，在干燥箱内于110℃干燥至前后两次质量称量相差不超过1 g。取部分干燥后样坯在光热系统中，以10℃·min-1的升温速率从室温升温至1 400℃，测量这一过程中试样的右视图面积保持率。其余样坯在箱式电阻炉中按设计的烧成制度进行煅烧，自然冷却后检测其性能。

干混料的TG-DSC曲线见图1，烘干样坯在光热系统中测得的右视图面积保持率见图2。

图1 干混料的TG-DSC曲线

图2 烘干后样坯在光热系统测得的右视图面积保持率曲线

由图1的TG曲线可知：烘干后样坯全程有约25%的质量损失，其中，在350～560℃段和1 000～1 400℃段，质量损失速率较大。对照DSC曲线可知：350～560℃段的质量损失主要是结构水和结晶水的排出导致的，1 000～1 400℃段的质量损失主要是氧化铁和残碳反应释放出CO2（Fe2O3+C—→Fe+CO2）造成的。因此，在制品烧成过程中要控制升温速率，避免短时间内大量气体逸出使制品内部产生裂纹。由图1的DSC曲线可知：560～1 000℃段发生复杂的放热反应，须控制制品烧成过程中的升温速率，否则会损害制品的强度［7］。此外，煤气化渣存在大量的石英，石英从583℃开始便发生晶型转变并伴随较大的体积效应，也须控制制品烧成过程中的升温速率。

由图2可知，坯体在800～1 230℃持续快速收缩，表明坯体内有较多的玻璃相。玻璃相过多会使制品的骨架变弱，导致变形；过少则不足以填充坯体中的孔隙，降低制品的力学性能。玻璃相的量与坯体的组成、原料粒度尤其是烧成制度等相关。

综上所述，并根据以往经验，本工作中，选取升温速率、烧成温度、保温时间三个试验因素；各因素的试验水平均选取三个：升温速率分别为2、3、4℃·min-1，烧成温度分别为1 100、1 150和1 200℃，保温时间分别为2、4、6 h。因素-水平见表1。决定采用正交表L9（33）安排试验，表头设计见表2。

表1 正交试验因素-水平表

表2 正交试验表头设计

1.3 检测与表征

分别按照GB／T 2997—2015、GB／T 5101—2017和GB／T 5072—2008检测烧后试样的体积密度、吸水率、耐压强度。用DRL-Ⅱ型热流法导热仪测定烧后试样室温至50℃的热导率。

用德国DADVANCE型X射线衍射仪分析烧后试样的物相组成。

2 结果与分析

2.1 烧后试样的性能

正交试验结果见表3。

表3 正交试验结果

烧后试样耐压强度正交试验结果的分析见表4。各因素对制品耐压强度影响程度的大小顺序为：烧成温度B＞保温时间C＞升温速率A，最优方案为A2B3C3。

表4 耐压强度正交试验结果分析 MPa

烧后试样体积密度正交试验结果的分析见表5。各因素对制品体积密度影响程度的大小顺序为：烧成温度B＞保温时间C＞升温速率A，最优方案为A1B2C2。

表5 体积密度正交试验结果分析 g·cm-3

烧后试样吸水率正交试验结果的分析见表6。各因素对制品吸水率影响程度的大小顺序为：烧成温度B＞保温时间C＞升温速率A，最优方案为A1B3C2。

表6 吸水率正交试验结果分析 %

烧后试样热导率正交试验结果的分析见表7。各因素对制品热导率影响程度的大小顺序为：烧成温度B＞升温速率A＞保温时间C，最优方案为A1B3C2。

表7 热导率正交试验结果分析 W·m-1·K-1

经综合平衡考虑，最优试验方案为A1B3C3，即表2中的3号试验方案，所得试样的体积密度为1.84 g·cm-3，耐压强度为112 MPa，吸水率为1.4%，热导率为1.239 W·m-1·K-1。

2.2 烧后试样的物相组成

3号试验方案所得试样的XRD图谱见图3。其晶相有钙长石（CaO·Al2O3·2SiO2）、顽辉石（MgSiO3）和莫来石（3Al2O·2SiO2），不存在石英晶体。因为一部分石英参与了钙长石、顽辉石和莫来石晶体的形成，剩余的石英进入玻璃相中。

图3 煤气化渣烧结制品的XRD图谱

3 结论

（1）烧成制度各因素对烧结制品的耐压强度、体积密度和吸水率影响程度的大小顺序均为烧成温度＞保温时间＞升温速率，对热导率影响程度的大小顺序为烧成温度＞升温速率＞保温时间。

（2）经综合平衡考虑，最优试验方案为A1B3C3，即表2中的3号试验方案，其体积密度为1.84 g·cm-3，耐压强度为112 MPa，吸水率为1.4%，热导率为1.239 W·m-1·K-1。