煤粉炉联产贝利特-Q相水泥熟料试验研究

论文摘要

燃煤电力工业在向社会提供洁净电力的同时，其产生的巨量粉煤灰对环境和生态造成了巨大压力。开展粉煤灰综合利用研究，实现粉煤灰资源化、减量化和效益化，成为缓解环境生态压力，解决资源短缺矛盾的重要举措。目前开展的煤粉炉联产水泥熟料技术研究，其创新之处在于将燃煤电力工业与水泥工业纳入循环经济环节，实现粉煤灰的源利用。为了科学合理的确定煤粉炉联产水泥熟料的系列和品种。本文在分析煤粉炉联产水泥熟料技术研究现状基础之上，对不同种类水泥及其熟料的原料特点、烧成条件、化学组成、矿物种类和水化特性开展了比较分析，对煤灰成分与水泥硅铝质原料的化学组成特点进行了对照分析，对煤粉炉联产硅酸盐、铝酸盐和硫铝酸盐等传统水泥熟料存在的问题进行了理论分析。将具有低碱度、低烧成温度和良好水化性能的Q相矿物引入煤粉炉联产水泥熟料技术，提出了煤粉炉联产Q相水泥熟料的试验构想，按照煤质特性拟定了煤粉炉联产Q相水泥熟料的分类原则。为了探寻Q相矿物的形成机制，本文在实验室高温炉开展了钙铝黄长石2CaO·Al2O3·SiO2转变为Q相矿物的试验研究，并以此为基础，在模拟煤粉炉的两段多相反应实验台，以长广煤和兖州煤为试验煤种，进行了煤粉炉联产改性粉煤灰矿物生成规律试验研究。试验结果表明：2CaO·Al2O3·SiO2能与适量CaO和MgO反应生成具有良好水化活性的Q相矿物；高硫长广煤和低硫兖州煤，随其混合煤粉添加剂质量分数的调整，改性粉煤灰矿物组成由非活性成分占主体，逐渐过渡为矿物组成出现少量水泥熟料矿物，直至矿物组成由水泥熟料矿物占主体且出现目标矿物Q相。改性粉煤灰矿物生成规律试验结果，验证了高硫煤和低硫煤联产Q相水泥熟料的可行性。为了获得煤粉炉联产Q相水泥熟料煅烧制度，本文选取长广煤为试验煤种，在两段多相反应实验台，开展了煅烧温度、物料停留时间、混合煤粉制备方式、炉内气氛和钙基添加剂形式等影响因素试验研究。试验结果表明：在本试验研究条件下，实验台炉内温度设定为1 330℃，物料在炉内停留6．94s是熟料矿物烧成反应的最佳条件，熟料矿物生成反应较为充分；在一定范围内，煤粉与添加剂粒度越小、粒度筛分级差越大，愈有利于混合煤粉中矿物质与添加剂发生水泥熟料矿物生成反应；高硫煤联产Q相水泥熟料，炉内还原性气氛对熟料矿物3CaO·3Al2O3·CaSO4的生成反应产生负面影响，而对Q相矿物的生成反应有促进作用；用CaCO3替代CaO配料联产Q相水泥熟料，熟料矿物组成中有Q相矿物存在，但熟料矿物生成反应不彻底，还需进一步开展煤粉炉联产Q相水泥熟料钙基添加剂形式及掺加工艺的研究。为了判断煤粉炉联产Q相水泥熟料对锅炉系统运行可能产生的影响，本文以长广煤和兖州煤为试验煤种，开展了混合煤粉燃烧及熔融特性试验研究。试验结果表明：随着添加剂比例的增加，混合煤粉燃烧热失重速率曲线相对原状煤粉而言交得愈为平缓；混合煤粉燃烧速率降低，燃烧明显分为两个阶段，且燃烧后移趋势增大；混合煤粉着火温度提高，着火延迟时间变长，稳定性降低；混合煤粉放热量减少，燃尽时间延长。混合煤粉灰熔融特性试验结果表明：随添加剂CaO质量分数在一定范围内的逐渐增加，混合煤粉熔融特性温度呈现V型变化规律；长广煤和兖州煤联产Q相水泥熟料，其结渣趋势较原状煤都有一定程度的降低。对混合煤粉煤灰软化温度矿物组成进行了XRD分析，并利用CaO-Al2O3-SiO2三元系统相图，对煤灰熔融特性温度变化规律开展了机理分析。分析表明，随着混合煤粉添加剂质量分数变化，煤灰矿物组成中出现低温共融体是煤灰熔融特性温度降低的主要原因。本文对长广煤和兖州煤联产熟料样品矿物组成进行了XRD定量分析，结果显示联产熟料样品矿物组成以2CaO·SiO2和Q相为主。长广煤和兖州煤联产熟料样品2CaO·SiO2的质量分数分别为57．2％和46％，Q相矿物质量分数分别为27．2％和32．1％。考虑到熟料样品矿物组成中贝利特和Q相矿物的双重特性，本文将联产熟料定位为贝利特-Q相水泥熟料。联产贝利特-Q相水泥熟料砂浆强度试验结果表明，其砂浆试样各龄期抗压强度和抗折强度接近32．5普通硅酸盐水泥标准；当联产贝利特-Q相水泥熟料中掺入30％的硅酸盐水泥熟料时，其砂浆试样各龄期强度超过了32．5普通硅酸盐水泥标准；联产贝利特-Q相水泥熟料膨胀性能、安定性和凝结时间符合水泥产品相关标准。联产贝利特-Q相水泥熟料，水化3d就出现2CaO·Al2O3·8H2O、3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O、xCaO·SiO2·yH2O和Al2O3·3H2O等水化产物。且随着水化龄期的延长，2CaO·Al2O3·8H2O、3CaO·Al2O3·CaSO4·12H2O、3CaO·Al2O3·6H2O等水化产物逐渐占据主体。煤粉炉联产贝利特-Q相水泥熟料能兼收一定的固硫效果，熟料样品游离CaO质量分数符合水泥熟料产品标准。本文在混合煤粉球形聚合颗粒假设前提下，将煤粉炉联产贝利特-Q相水泥熟料过程简化为混合煤粉球形聚合颗粒灰化过程。对煤中矿物质高温热反应行为，以及长广煤和兖州煤联产贝利特-Q相水泥熟料化学组成进行了分析研究。依据经验公式，对Q相矿物热力学数据进行了估算。对长广煤和兖州煤联产贝利特-Q相水泥熟料化学组成可能发生的矿物生成反应进行了热力学计算，对熟料矿物生成反应优先顺序进行了比较，对可能生成的熟料矿物种类进行了理论分析。联产熟料化学组成矿物生成反应热力学分析结论，与长广煤和兖州煤联产试验熟料矿物组成事实基本一致。采用金斯特林格方程对长广煤和兖州煤联产贝利特-Q相水泥熟料过程进行了动力学分析。初步确立了长广煤和兖州煤联产贝利特-Q相水泥熟料矿物形成化学。本文以一台330MW机组1 004(t．h-1)煤粉炉为对象，对其实施联产贝利特-Q相水泥熟料技术可能产生的经济、资源和能源效益进行了初步分析。结果表明：此锅炉实施联产贝利特-Q相水泥熟料技术，可给电力企业和水泥企业年创造经济效益6 658万元；水泥企业可年节约黏土质原料7．66万t，节约水泥混合材8．62万t；可年降低能源消耗2．024万t标准煤。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 电厂粉煤灰资源化利用现状
• 1.1.1 我国的能源结构
• 1.1.2 我国的电力及电源结构
• 1.1.3 我国电力工业造成的主要环境问题
• 1.1.4 电厂粉煤灰的资源化水平
• 1.1.4.1 粉煤灰分类及其资源化特性
• 1.1.4.2 粉煤灰的资源化水平
• 1.2 我国水泥工业简介
• 1.2.1 我国水泥工业现状
• 1.2.2 水泥工业熟料生产工艺特点
• 1.2.2.1 传统水泥熟料生产工艺特点
• 1.2.2.2 新型干法水泥熟料生产工艺特点
• 1.2.3 水泥熟料生产工艺的发展方向
• 1.3 电厂锅炉联产水泥熟料技术
• 1.3.1 电厂锅炉联产水泥熟料技术可行性分析
• 1.3.2 电厂锅炉联产水泥熟料技术研究现状
• 1.3.2.1 电厂旋风炉联产水泥熟料技术研究现状
• 1.3.2.2 电厂流化床锅炉联产水泥熟料技术研究现状
• 1.3.2.3 电厂煤粉炉联产水泥熟料技术研究现状
• 1.4 本文拟开展的主要研究内容
• 1.5 本章小结
• 2 联产水泥熟料系列及品种的确定
• 2.1 水泥及水泥熟料
• 2.1.1 水泥
• 2.1.1.1 水泥主要系列及品种
• 2.1.1.2 硅酸盐水泥系列
• 2.1.1.3 铝酸盐水泥系列
• 2.1.1.4 硫铝酸盐水泥系列
• 2.1.1.5 Q相水泥系列
• 2.1.2 水泥熟料
• 2.1.2.1 硅酸盐水泥熟料
• 2.1.2.2 铝酸盐水泥熟料
• 2.1.2.3 硫铝酸盐水泥熟料
• 2.1.2.4 Q相水泥熟料
• 2.2 煤中矿物质及煤灰与水泥硅铝质原料化学组成比较
• 2.2.1 煤中矿物质
• 2.2.2 煤灰及其与水泥硅铝质原料成分比较
• 2.3 煤粉炉联产水泥熟料系列和品种的理论分析
• 2.3.1 煤粉炉联产硅酸盐水泥熟料
• 2.3.2 煤粉炉联产铝酸盐水泥熟料
• 2.3.3 煤粉炉联产硫铝酸盐水泥熟料
• 2.3.4 煤粉炉联产Q相水泥熟料
• 2.3.4.1 Q相矿物的形成机制
• 2.3.4.2 Q相矿物的水化特性
• 2.3.4.3 Q相与水泥其它矿物的共存关系
• 2.3.4.4 煤粉炉分类联产Q相水泥熟料的试验构想
• 2.4 本章小结
• 3 联产Q相水泥熟料矿物生成规律试验研究
• 2O₃·SiO₂转变为Q相矿物试验研究'>3.1 单矿物2CaO·Al₂O₃·SiO₂转变为Q相矿物试验研究
• 3.1.1 试验原料及方案
• 3.1.2 试验结果
• 3.1.3 分析与讨论
• 3.2 煤粉炉联产改性粉煤灰矿物生成规律试验研究
• 3.2.1 试验装置
• 3.2.2 试验材料和方案
• 3.2.3 分析仪器
• 3.2.4 试验结果
• 3.2.5 分析与讨论
• 3.3 本章小结
• 4 联产Q相水泥熟料影响因素试验研究
• 4.1 煅烧温度的影响
• 4.1.1 试验方案
• 4.1.2 试验结果及分析
• 4.2 物料停留时间的影响
• 4.2.1 试验方案
• 4.2.2 试验结果及分析
• 4.3 混合煤粉制备方式的影响
• 4.3.1 试验方案
• 4.3.2 试验结果及分析
• 4.4 炉内气氛的影响
• 4.4.1 试验方案
• 4.4.2 试验结果及分析
• 4.5 钙基添加剂形式的影响
• 4.5.1 试验方案
• 4.5.2 试验结果及分析
• 4.6 本章小节
• 5 联产Q相水泥熟料混合煤粉燃烧及熔融特性试验研究
• 5.1 联产Q相水泥熟料混合煤粉燃烧特性试验研究
• 5.1.1 试验设备、原料及方案
• 5.1.2 试验结果与分析
• 5.1.2.1 热重曲线
• 5.1.2.2 着火特性分析
• 5.1.2.3 最大燃烧速率和燃尽特性分析
• 5.1.2.4 吸放热特性分析
• 5.2 联产Q相水泥熟料混合煤粉熔融特性试验研究
• 5.2.1 混合煤粉结渣趋势程度的判断
• 5.2.1.1 结渣趋势程度判断准则的选取
• 5.2.1.2 试验方案
• 5.2.1.3 混合煤粉熔融特性温度试验结果
• 5.2.2 混合煤粉熔融特性温度变化机理分析
• 5.2.2.1 混合煤粉煤灰ST矿物组成衍射分析
• 5.2.2.2 混合煤粉熔融特性温度变化三元系统相图分析
• 5.3 本章小节
• 6 联产Q相水泥熟料定位及性能分析
• 6.1 联产Q相水泥熟料矿物组成定量分析及其定位
• 6.1.1 试验方案
• 6.1.2 联产Q相水泥熟料矿物组成定量分析结果与讨论
• 6.1.2.1 联产Q相水泥熟料主要矿物晶体参数和结构介绍
• 6.1.2.2 联产Q相水泥熟料矿物组成定量分析结果
• 6.1.3 联产Q相水泥熟料的定位
• 6.2 联产贝利特-Q相水泥熟料性能测试
• 6.2.1 联产贝利特-Q相水泥熟料水化强度性能测试
• 6.2.2 联产贝利特-Q相水泥熟料其它性能测试
• 6.3 联产贝利特-Q相水泥熟料水化性能
• 6.3.1 联产贝利特-Q相水泥熟料中主要单矿物的水化特性
• 6.3.2 联产贝利特-Q相水泥熟料水化样品XRD分析
• 6.4 联产贝利特-Q相水泥熟料固硫率和游离CaO分析
• 6.5 本章小结
• 7 联产贝利特-Q相水泥熟料矿物形成机制研究
• 7.1 煤粉炉联产贝利特-Q相水泥熟料过程简化分析
• 7.2 联产贝利特-Q相水泥熟料化学组成分析
• 7.2.1 煤中矿物质高温反应行为
• 7.2.2 联产贝利特-Q相水泥熟料化学组成
• 7.3 联产贝利特-Q相水泥熟料矿物形成化学
• 7.3.1 Q相水泥熟料矿物形成化学
• 7.3.2 联产熟料化学组成矿物生成反应热力学分析
• 7.3.2.1 Q相矿物热力学参数估算
• 7.3.2.1.1 Q相矿物标准生成焓和标准自由能的估算
• 7.3.2.1.2 Q相矿物摩尔热容的估算
• 7.3.2.2 联产熟料化学组成矿物生成反应热力学计算
• 7.3.3 联产贝利特-Q相水泥熟料矿物生成反应动力学分析
• 7.3.4 联产贝利特-Q相水泥熟料矿物形成反应总论
• 7.4 本章小结
• 8 煤粉炉联产贝利特-Q相水泥熟料效益初步分析
• 8.1 煤粉炉联产贝利特-Q相水泥熟料经济效益估算
• 8.1.1 电力企业经济效益估算
• 8.1.1.1 电力企业粉煤灰资源化效益估算
• 2减排效益估算'>8.1.1.2 电力企业SO₂减排效益估算
• 8.1.2 水泥企业经济收益估算
• 8.2 煤粉炉联产贝利特-Q相水泥熟料资源和能源效益分析
• 8.2.1 资源效益分析
• 8.2.2 能源效益分析
• 8.3 本章小结
• 9 全文总结
• 9.1 主要研究工作和成果
• 9.2 主要创新点
• 9.3 有待深入开展的研究工作
• 参考文献
• 作者简历及在学期间所取得的科研成果