煤矸石对粉煤灰陶粒滤料性能的影响

赵　爽　刘　挺　王　超　谢高伟　王菊侠

(陕西省石油化工研究设计院,陕西 710000)

煤矸石对粉煤灰陶粒滤料性能的影响

赵爽刘挺王超谢高伟王菊侠

(陕西省石油化工研究设计院,陕西 710000)

摘要:以粉煤灰、黏土为主料，添加不同比例的造孔剂煤矸石制备粉煤灰陶粒滤料，研究了煤矸石用量对粉煤灰陶粒滤料性能的影响，结果表明，随着煤矸石比例的提高，粉煤灰陶粒滤料的烧失量、吸水率及比表面积逐渐增大，而堆积密度、强度和耐酸碱性逐渐减小。

关键词:煤矸石;粉煤灰陶粒滤料;造孔剂;性能

粉煤灰陶粒滤料是一种球形人造滤材，是以粉煤灰为主料，添加一定量的粘结剂和造孔剂，经混合、成球、烧结而制成。粉煤灰陶粒滤料表面粗糙坚硬，内部多微孔，密度低、比表面积大、表面能高，吸附性强，且易于再生，便于重复利用，被广泛的应用于生活用水净化、工业污水处理等行业。

造孔剂即气孔形成剂，是制备粉煤灰陶粒滤料中常用的外加剂。陕西煤炭储量丰富，煤炭掘进开采和洗煤过程中排出的废弃物——煤矸石，由于其自身为可燃物，且燃尽后形成气孔，达到造孔效果。

本文以工业废料煤矸石为造孔剂，研究其对粉煤灰陶粒滤料性能的影响。

1试验方法

1.1　原材料

本试验选用的主料为渭北发电厂的粉煤灰[1],化学组成见表1，细度见表2。

粘结剂为可塑黏土，化学组成见表1。

造孔剂为煤矸石[2]。化学组成见表3。

表1　两种原料的化学组成(单位：%)

表2　粉煤灰样品细度测试结果(单位：克)

表3　煤矸石的化学组成(单位：%)

1.2　试验方法

本试验通过添加不同比例的造孔剂煤矸石制备粉煤灰陶粒滤料，原理是利用煤矸石经过烧结发生反应变成气体逸出,使得原本占据的空间成为气孔。故要对煤矸石在烧结过程中的变化进行研究, 以便制定合适的烧结工艺。本文对煤矸石进行了TG-DTA分析, 结果如图1所示。

在图1煤矸石的TG-DTA 曲线上，在温度为102~408℃阶段，煤矸石附着水脱出，形成吸热谷，在TG曲线上质量缓慢减少，在513℃处的吸热谷由煤矸石脱去羟基水形成，在513～741℃阶段，TG曲线上质量大幅减少，此处有剧烈的放热反应发生，在1067℃处又出现放热峰，TG曲线上质量随温度变化微小。根据TG-DTA分析结果，设定烧成温度为1200℃，以保证原料各组分反应完全并趋于稳定。

图1　煤矸石的TG-DTA曲线

1.3　试验流程

如图2：

(1)配料:将原料分别破碎，使用球磨机磨细并过筛，将粉煤灰、可塑黏土以一定的比例混合，分别掺入不同比例的煤矸石。

(2)混匀:将混合的原料用V35混料机混匀30分钟以上。

(3)成型:使用BYJ800造粒机进行球体颗粒成型，水分控制在10%~15%。

(4)干燥:将制好的半成品颗粒在合适的温度和湿度下放置一段时间。

(5)烧结:使用箱式电阻炉在1200℃的烧结温度下，对干燥好的半成品颗粒进行烧结。

图2　粉煤灰陶粒滤料工艺流程图

2结果与讨论

2.1　煤矸石对粉煤灰陶粒滤料烧失率的影响

由图3可知，随着煤矸石比例的提高,粉煤灰陶粒滤料的烧失率逐渐增大。这是由于煤矸石的烧失量大于粉煤灰和黏土，因而含量越高烧失率越高。

图3　煤矸石对烧结质量损失的影响

2.2　煤矸石对粉煤灰陶粒滤料吸水率和比表面积的影响

采用煮沸法测量粉煤灰陶粒滤料的吸水率，其结果如图4所示：随着煤矸石含量的增加，粉煤灰陶粒滤料的吸水率增大。这是因为煤矸石的含量越高，在烧结时，煤矸石中的碳与氧气发生了式(1)的化学反应，反应时产生的气体就越多，所以形成的粉煤灰陶粒滤料的微孔越多，导致样品吸水率增加。同样，比表面积也逐渐增大。

式(1)：

C+ O2= CO2

2C + O2= 2CO

CO + O2= CO2

图4　煤矸石对粉煤灰陶粒滤料吸水率和比表面积的影响

2.3　煤矸石含量对粉煤灰陶粒滤料堆积密度和强度的影响

采用CJ /T 299-2008测试粉煤灰陶粒滤料堆积密度。采取压力机测试陶粒滤料的强度[3]，具体方法为：称取粉煤灰陶粒滤料样品约30g，倒入破碎室内，在5MPa压强下测试，加压1min，并保压2min。测试结果见图5。

图5　煤矸石含量对粉煤灰陶粒滤料堆积密度和破碎率的影响

由图5可得，粉煤灰陶粒滤料堆积密度随着煤矸石用量的提高而减小, 这是因为煤矸石含量的提高使陶粒滤料的微孔增多[4]，从而使堆积密度下降。微孔增多的同时，造成粉煤灰滤料内部物质之间的连接点减少，使陶粒滤料的强度下降，破碎率增加。

2.4　煤矸石对粉煤灰陶粒滤料耐酸率和耐碱率的影响

由图6可知，随着煤矸石用量的提高，强酸碱腐蚀率增加。这是因为随着煤矸石含量的提高，粉煤灰陶粒滤料孔隙逐渐增多，比表面积增大，酸碱可接触的面积大大增加，造成粉煤灰陶粒滤料的强酸碱腐蚀率增加，耐酸碱性减小，其中盐酸可溶率高于烧碱可溶率，表明耐碱性要好于耐酸性。

图6　煤矸石对粉煤灰陶粒滤料耐酸率和耐碱率的影响

3结论

粉煤灰陶粒滤料的烧失率、吸水率及比表面积随着煤矸石比例的提高逐渐增大，但烧失率增加幅度逐渐减缓，而堆积密度、强度和耐酸碱性却不断降低，其中耐碱性要好于耐酸性。

参考文献

[1]孔德顺，李志，李琳，等. 六盘水矿区煤矸石理化性质及资源化利用分析[J]. 煤炭工程2013,07 ：99-101.

[2]邓军.煤矸石特性分析和综合利用研究[J]. 煤炭技术2009,06:149-150.

[3]李虎杰，陶军．煤矸石制备高强陶粒的试验研究[J].非金属矿，2010,33(3)：20-22.

[4]靖金球，范方禄，陈跃，等. 煤矸石生产多孔陶粒的研究[J].保温材料与建筑节能，2005,04：32-33.

The Effect of Coal Ash on Properties of Fly Ash Concrete

Zhao ShuangLiu TingWang ChaoXie GaoweiWang Juxia

(Shaanxi Research Design Institute of Petroleum and Chemical Industry,ShaanXi 710000)

Abstract：Using fly ash and clay as the main material along with a proper quantity of coal ash as pore-forming agent , the experiment is conducted to produce fly ash concrete.The affects of the coal ash dosage on properties are studied.The result shows:Along with the increase of coal ash dosage, loss on ignition,water absorption and specific surface area are gradually increased,while the packing density , strength and acid properties are gradually decreased.

Keywords：Coal ash; fly ash concrete; pore-forming agent; properties

doi:10.16253/j.cnki.37-1226/tq.2015.04.011

作者简介：赵爽(1987~)，女，研究员.主要从事石油支撑剂的研究与开发.