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煤粉燃烧过程矿物转化的红外光谱研究

张轶  
【摘要】:煤粉燃烧过程中矿物质的热转化对有机质的燃烧和矿物质的积灰结渣都有重要的影响,因此准确分析煤和煤灰中矿物成分至关重要。目前分析煤和煤灰中矿物的最常用手段是X射线衍射(XRD)技术,但是XRD技术受矿物晶态的限制,无法分析非晶体矿物。近年来傅里叶变换红外光谱(FTIR)技术越来越多的用于矿物质表征,它对矿物质的分析不受矿物晶态的限制,是鉴定矿物质的另一种有效方法。本文应用FTIR技术研究了高硅铝比和高钙煤中矿物质在O2/N2和O2/CO2燃烧气氛下的转化规律,并与XRD分析结果进行了对比。(1)研究了高硅铝比和高钙煤燃烧过程中矿物质的热转化。FTIR的分析结果表明,煤灰中高岭石的OH峰(3696、3619、938和913cm-1)在500℃时消失,高岭石脱除结晶水形成偏高岭石(1041和559cm-1),在900℃时转变成莫来石(1090、790和550cm-1)。煤灰中云母在900℃时完成脱羟基过程,840cm-1的峰随之消失,1100℃时云母内部Si-O四面体结构被破坏转变成长石,470和430cm-1的峰随之消失。煤灰中的方解石在500℃时开始分解,900℃时方解石的峰(1447、875和712cm-1)消失。燃烧温度达到900℃时,煤灰中硅铝酸盐矿物与CaO反应形成钙铝黄长石(974、934、853、706和669 cm-1)。燃烧温度达到1100℃时,煤灰中的偏高岭石与CaO反应生成钙长石(991、911、755和 684cm-1)。(2)FTIR与XRD均能很好的反映煤灰中石英、方解石、硬石膏、钙长石和钙铝黄长石的热转化过程。XRD定量分析结果表明,煤灰中高岭石在500℃时消失,煤灰中云母的含量呈现出先增后减的趋势,在1100℃时煤灰中云母完成热转化过程。煤灰中赤铁矿、碱性长石和石英在高温下参与热转化过程,其含量有所下降。与FTIR相比,XRD结果没有出现偏高岭石和莫来石峰,因此FTIR对煤中高岭石的热转化过程研究更为详细。FTIR结果显示云母在900℃完成脱羟基反应,而XRD结果只显示该温度下有云母峰消失,FTIR对云母的热转化过程研究更具体。FTIR对煤中长石鉴定更为敏感,对煤中赤铁矿的鉴定不如XRD敏感。(3)研究了燃烧气氛(O2/N2和O2/CO2)对煤中矿物质转化的影响。研究发现,煤灰中的硅铝酸盐矿物基本不受燃烧气氛的影响;方解石的分解受到CO2的抑制作用,在O2/CO2气氛下900℃时仍有少量方解石尚未分解。高浓度的CO2既能促进硬石膏的生成,抑制了硬石膏的分解。O2/CO2燃烧气氛有利于煤灰中钙长石和钙铝黄长石的形成,该气氛下钙长石和钙铝黄长石的相对含量更高。


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