煤气化炉渣本征特征、碳热还原氮化机理与应用基础研究

Coal gasification slag is a kind of solid waste produced from coal gasification process. In order to give gasification slag a high value-added utilization, the intrinsic characteristics of gasification slag including it’s chemical composition, phase constituent, microstructure, melting characteristic and the structure of atomic group were investigated firstly. Then, the phase constituent evolution and microstructural evolution rules and the variation of gas composition of gasification slag gangue and clay during carbothermal reduction-nitridation process were studied. The occurrence states of low melting point oxides during carbothermal reduction-nitridation process and in synthesized powder and Sialon ceramics were observed. So the intrinsic characteristics of gasification slag were made out and the carbothermal reduction-nitridation mechanism of gasification slag was revealed. Effect of low melting point oxides on the properties of Sialon ceramics was discovered. The theoretical basis was established for gasification slag to be used reasonablely.

煤气化炉渣是煤气化过程产生的固体废弃物。为了能高附加值利用气化炉渣，本项目在对气化炉渣化学组成、相组成、显微结构、熔融特性以及内部原子组团结构等本征特征研究的基础上，通过对煤气化炉渣、煤矸石和粘土碳热还原氮化过程相组成演变和显微结构演变规律研究，通过对碳热还原氮化过程高温气相组成变化规律研究，低熔氧化物在氮化还原过程、氮化产物以及Sialon陶瓷中赋存状态研究，掌握煤气化炉渣本征特征，揭示气化炉渣碳热还原氮化机理，掌握煤气化炉渣中低熔氧化物对最终产品性能的影响，从而为合理利用煤气化炉渣提供理论支撑。

以煤气化为核心的多联产系统是煤洁净利用的重要途径。气化炉渣是煤气化过程的固体废弃物，至今未得到很好利用。本课题选用选取4种炉型6种气化炉渣为研究对象，利用X-射线荧光分析仪、X-射线衍射分析（XRD）、透光光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)、核磁共振和炉渣灰熔融性分析等手段研究了气化炉渣的相组成、化学组成、岩相结构、显微结构、高温相组成、熔融温度以及高温黏度等，并通过高温熔融淬冷及FactSage软件模拟研究了高温炉渣物相组成演变及高温黏度变化。借助综合热分析-质谱联动仪对氮化过程中高温气相变化规律进行了研究，并通过对气化炉渣中低熔氧化物在合成粉体和制备的Sialon陶瓷中赋存状态和陶瓷性能研究，试图揭示煤气化炉渣类铝硅酸盐无定形相的碳热还原氮化机理，弄清低熔氧化物的赋存状态及其对Sialon陶瓷烧结、显微结构和高温性能的影响。研究结果表明：.(1) 煤气化炉渣气化炉渣主要由SiO2、Al2O3、CaO、Fe2O3和无定形碳组成。由于煤在气化炉停留时间较短，使得炉渣中存在较多的残留碳。随着温度的升高，熔体粘度逐渐降低，且在1200℃当炉渣中酸碱比例在2.5～3.0之间时，熔体粘度有很明显下降。.(2) 与熔融石英样品29Si谱图对比发现气化炉渣中SiO4四面体的结构状态以Q4(1Al) 为主，另外还存在各种周围Al数量变化的Q1、Q2、Q3和Q4等结构状态；Al处于四配位的结构，因此气化炉渣的内部原子结合可以描述为SiO4四面体与AlO4四面体相互连接的架状结构。.(3) 碳热还原氮化实验结果表明：在反应初期，O-SiAlON与钙长石相同时生成，随着温度的升高或保温时间的延长，O-SiAlON相转变为富氮的SiAlON相，如β-SiAlON、15R多型体和α-SiAlON相，前两种SiAlON相在碳热还原氮化反应后期会进一步转变为α-SiAlON相。. (4) 碱金属、碱土金属以及氧化铁碳热还原氮化后主要以晶间玻璃相或硅铁形式存在，通过对氮化产物酸洗，可以降低其含量，提高烧成陶瓷的力学性能。以气化炉渣1 450℃氮化产物为原料，热压制备了Ca-α-sialon陶瓷。随着热压温度的升高，Ca-α-sialon陶瓷致密化程度增加，硬度和断裂韧性均有提高，1 650 ℃热压制备陶瓷的弯曲强度可达350MPa，断裂韧性为5.7 MPa·m1/2。