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        懸浮態(tài)下溫度對石灰石新生物相的影響*

        2016-08-11 02:39:30迅,汪
        功能材料 2016年7期
        關(guān)鍵詞:石灰石活性

        徐 迅,汪 瀾

        (1. 中國建筑材料科學(xué)研究總院,綠色建筑材料國家重點實驗室,北京 100024;2. 四川省非金屬復(fù)合與功能材料重點實驗室-省部共建國家重點實驗室培育基地,四川 綿陽 621010)

        ?

        懸浮態(tài)下溫度對石灰石新生物相的影響*

        徐迅1,2,汪瀾1

        (1. 中國建筑材料科學(xué)研究總院,綠色建筑材料國家重點實驗室,北京 100024;2. 四川省非金屬復(fù)合與功能材料重點實驗室-省部共建國家重點實驗室培育基地,四川 綿陽 621010)

        摘要:利用高溫一維爐設(shè)備研究了懸浮態(tài)下溫度對石灰石新生物相的影響。結(jié)果表明,隨著懸浮態(tài)下煅燒溫度的提高,石灰石煅燒后的新生物相反應(yīng)活性越高,在1 100~1 200 ℃溫度懸浮煅燒下,其新生物相活性可達(dá)到最高。1 200 ℃下煅燒的石灰石產(chǎn)物的活性約為900 ℃下煅燒產(chǎn)物活性的1.52倍;隨著煅燒溫度的提高,1 200 ℃下分解后的產(chǎn)物礦物結(jié)晶細(xì)小,粒度均勻,孔隙率較高,比表面積較大。

        關(guān)鍵詞:懸浮態(tài);石灰石;分解產(chǎn)物;新生相;活性

        0引言

        生料分解是預(yù)分解窯工藝過程中的最重要環(huán)節(jié),其中最主要的物理化學(xué)反應(yīng)就是碳酸鹽的分解。分解后的生料性能優(yōu)劣對整個預(yù)分解窯生產(chǎn)工藝的熟料產(chǎn)質(zhì)量都有決定性影響。文獻(xiàn)[1]研究分析了懸浮態(tài)下溫度對碳酸鈣分解產(chǎn)物特性的影響,本文在此基礎(chǔ)上繼續(xù)采用高溫一維爐的試驗手段進(jìn)一步分析懸浮態(tài)下溫度對石灰石分解新生相的影響。

        傳統(tǒng)的氣固反應(yīng)動力學(xué)試驗裝置,大多是靜態(tài)的(如熱天平、差熱分析等),或半靜態(tài)的(如單顆粒懸掛或把物料鋪在網(wǎng)板上懸掛在氣流中),物料均處于堆積狀態(tài),其試驗結(jié)果和生產(chǎn)中常見的粉體(粒徑<200 μm)懸浮在氣流中所進(jìn)行反應(yīng)有很大差距。20世紀(jì)70年代,有關(guān)學(xué)者如B.Vosteen[2]、A.Muller[3]、D.Kupper[4]等開發(fā)了一些石灰石分解反應(yīng)的動態(tài)測試裝置,進(jìn)行了石灰石分解動力學(xué)的研究,得到了一些有價值的結(jié)論。南京工業(yè)大學(xué)[5-6]也開發(fā)了粉體物料的高溫懸浮態(tài)氣固反應(yīng)試驗臺,學(xué)者們利用此設(shè)備進(jìn)行了碳酸鈣、水泥生料的分解動力學(xué)研究,并認(rèn)為在懸浮態(tài)下粉狀碳酸鈣分解過程具有晶核形成與生長機制[7]。天津水泥工業(yè)設(shè)計研究院有限公司[8]開發(fā)了模擬分解爐試驗系統(tǒng),并進(jìn)行了煤粉燃燒和NOx生成的一些機理性實驗。但上述兩套裝置還存在一些不足,如反應(yīng)溫度很難達(dá)到1 200 ℃,并且試樣量為微量(小于1 g),誤差較大。

        高溫一維爐系統(tǒng)主要是國內(nèi)外大多從事煤粉燃燒的研究單位的重要實驗手段,利用此試驗平臺可研究煤粉燃燒反應(yīng)過程中的各種特性及污染物生成特點。高溫一維爐試驗裝置反應(yīng)溫度可以達(dá)到1 200 ℃,并且試樣量可控制在1 kg/h,誤差較小。因此本文實驗繼續(xù)采用高溫一維爐的實驗設(shè)備進(jìn)行研究。

        1實驗

        1.1實驗原材料

        石灰石來自北京金隅集團(tuán)有限責(zé)任公司下屬某水泥工廠,其化學(xué)成分見表1所示。經(jīng)球磨機粉磨后全部通過80 μm方孔篩。

        表1 石灰石化學(xué)成分(%)

        1.2實驗方法

        1.2.1物料制備

        實驗在上海理工大學(xué)高溫一維爐上進(jìn)行,內(nèi)置硅碳棒,爐膛內(nèi)徑120 mm,恒溫區(qū)高1.92 m。一維爐分為給料系統(tǒng)、給氣系統(tǒng)、爐膛本體和收集系統(tǒng)4部分,如圖1所示。給粉系統(tǒng)采用自制微型電磁振動給料器給粉,給粉量為1 kg/h??諝饨?jīng)由壓縮空氣送風(fēng)進(jìn)入給粉器,攜帶物料由爐頂噴入爐內(nèi),垂直向下流動在爐膛上部。給氣系統(tǒng)采用氣瓶和轉(zhuǎn)子流量計來控制給氣量。收集系統(tǒng)為自制旋風(fēng)分離設(shè)備。

        物料分解在4個溫度下進(jìn)行,900,1 000,1 100和1 200 ℃。在高溫一維爐試驗條件下,可認(rèn)為氣體為柱塞流,從而可假定物料停留時間與氣體停留時間相同,而后者可用式(1)表示

        (1)

        其中,t為物料停留時間,D為一維爐直徑,Q為給氣量。由式(1)可知,給氣量和溫度是物料停留時間的控制因素,因此,本文通過調(diào)節(jié)給氣量使得物料在爐膛內(nèi)具有相同的停留時間,考察不同溫度下物料的分解特性。

        圖1 高溫一維爐實驗系統(tǒng)圖

        Fig 1 High temperature one dimension furnace experiment system

        計算控制停留時間為4.87 s,室溫環(huán)境為20 ℃。由此計算出操作參數(shù)如表2所示。

        表2高溫懸浮態(tài)下物料分解特性的試驗操作參數(shù)

        Table 2 Experiment operating parameters of material decomposition characteristics under high temperature and suspended state

        實驗序號溫度/℃給氣量/m3·h-1氣體停留時間/s物料停留時間/s1#9004.004.874.872#10003.694.874.873#11003.424.874.874#12003.194.874.87

        1.2.2試樣中的CaO測試

        分解后物料的CaO采用乙二醇-苯甲酸法進(jìn)行,再折算成碳酸鈣分解率。

        f-CaO測定結(jié)果數(shù)據(jù)處理方法如式(2)所示

        (2)

        式中,wCaO為游離氧化鈣百分比含量,%;TCaO每毫升苯甲酸無水乙醇標(biāo)準(zhǔn)溶液相當(dāng)于氧化鈣的質(zhì)量,mg/mL;V為消耗的苯甲酸無水乙醇標(biāo)準(zhǔn)溶液的總體積,mL;m試樣為表示試樣的質(zhì)量,g。

        根據(jù)測試得知樣品中氧化鈣含量為C%,沒有煅燒前樣品中CaO含量為CaO%,進(jìn)而可計算出樣品中碳酸鈣的反應(yīng)程度α(分解率),即

        (3)

        1.2.3試樣水化熱測試

        石灰石分解產(chǎn)物的活性以和水發(fā)生反應(yīng)后釋放的水化熱來表征。實驗儀器為瑞典雷特拉儀器供應(yīng)公司TAMAIR-8微量熱儀,水灰比為4∶1,溫度30 ℃,齡期24h。

        1.2.4試樣XRD分析

        石灰石分解產(chǎn)物的物相分析采用X射線衍射儀。實驗儀器為德國Bruker公司的D8Advance型X射線衍射儀,測試條件:Cu靶,Kα,掃描速度8°/min,步寬=0.02°,管電壓40kV,管電流250mA。

        1.2.5試樣SEM分析

        石灰石分解產(chǎn)物的形貌采用掃描電鏡來觀察。實驗儀器為日本日立公司的S-4800型掃描電子顯微鏡,加速電壓為5 000V,樣品鍍金膜。

        1.2.6試樣N2吸附表面積分析

        實驗儀器為美國康塔公司的QUADRASORBSI型全自動獨立多站比表面和孔隙度分析儀,氮氣吸附,粉狀樣。

        2結(jié)果與分析

        2.1分解產(chǎn)物活性分析

        表3為懸浮態(tài)不同溫度下石灰石分解反應(yīng)情況。

        表3不同溫度下物料分解反應(yīng)情況

        Table3Thematerialdecompositionreactionunderdifferenttemperatureconditions

        物料溫度/℃CaO含量/%CaCO3分解率/%石灰石90010001100120023.5643.8149.4659.6338.561.366.575.0

        為消除CaO含量對水化活性的影響,故做如下處理:對試樣累計水化放熱總量來除以試樣CaO含量,由此得出石灰石在不同煅燒溫度分解產(chǎn)物的累計水化放熱總量曲線(單位氧化鈣含量),如圖2所示。

        圖2各煅燒溫度下石灰石分解產(chǎn)物的累計水化熱曲線

        Fig2Hydrationheatcurveoflimestonedecompositionproductunderdifferentcalcinationtemperature

        由2 400s內(nèi)的單位CaO累積水化熱來進(jìn)行排序,900 ℃<1 000 ℃<1 100 ℃<1 200 ℃??梢钥闯? 200 ℃下煅燒的石灰石產(chǎn)物的活性最高,約為900 ℃下煅燒產(chǎn)物活性的1.52倍,1 000 ℃下煅燒產(chǎn)物活性的1.41倍,1 100 ℃下煅燒產(chǎn)物活性的1.06倍。1 100和1 200 ℃下煅燒產(chǎn)物活性很接近。各試樣2 400s內(nèi)的單位CaO累積水化熱量及相對值見表4所示。

        表4各試樣單位CaO含量2 400s累積放熱量及相對值

        Table4CumulativeheatreleaseandrelativevalueoftheunitcontentofCaOduring2 400s

        物料(石灰石)2400s累積放熱量/mW相對值/%900℃煅燒290.21001000℃煅燒312.81081100℃煅燒419.11441200℃煅燒442.3152

        通過以上分析可以看出,對于石灰石而言,在一定范圍內(nèi)隨著懸浮態(tài)下煅燒溫度的提高,新生物相的反應(yīng)活性越高。在1 100~1 200 ℃溫度懸浮煅燒下,石灰石新生物相活性可達(dá)到最高。

        因此分解爐中的煅燒溫度,對于加快石灰石分解,提高新生物相反應(yīng)活性都有重要作用。目前預(yù)分解工藝條件下,分解爐煅燒溫度在1 000 ℃以下,物料入窯溫度基本在900 ℃以下,因此為提升新生物相活性,分解爐內(nèi)煅燒溫度有進(jìn)一步提升的空間。

        2.2分解產(chǎn)物活性的微觀分析

        2.2.1不同活性分解產(chǎn)物的物相分析

        各試樣在不同煅燒溫度下分解后所得產(chǎn)物的XRD分析見圖3所示。

        圖3試樣在各煅燒溫度分解產(chǎn)物的XRD圖譜

        Fig3XRDpatternsofdecompositionproductunderdifferentcalcinationtemperature

        由圖3可以看出,不同煅燒溫度下分解產(chǎn)物存在的主要礦物相有CaCO3、SiO2(石英)和新生相CaO。煅燒溫度較低時(900 ℃),試樣中CaCO3峰還較明顯,CaO峰強較低,這與表3中結(jié)果相一致,因為此時CaCO3分解率較低,殘存的CaCO3還較多。而當(dāng)煅燒溫度逐步升高至1 200 ℃時,CaCO3分解率大為提高,新生相CaO量大幅增多,因此衍射峰也表現(xiàn)為CaCO3峰較低,而CaO峰較明顯。

        2.2.2不同活性分解產(chǎn)物的顯微結(jié)構(gòu)分析

        圖4為石灰石在不同煅燒溫度下分解后產(chǎn)物的形貌照片。

        圖4 各煅燒溫度下石灰石分解產(chǎn)物掃描電鏡圖

        Fig4Scanningelectronmicroscopyimagesoflimestonedecompositionproductunderdifferentcalcinationtemperature

        從圖4可見,石灰石在各煅燒溫度條件下,粒徑較小(如小于2μm)的顆粒都已經(jīng)發(fā)生分解,碳酸鈣晶體向氧化鈣晶體轉(zhuǎn)化。隨著煅燒溫度的提高,粒徑較大的顆粒開始發(fā)生分解,溫度越高,發(fā)生分解反應(yīng)的越多,晶體轉(zhuǎn)化的也越多。

        900 ℃下分解后的產(chǎn)物由于還存在較多未分解的石灰石,還保留有較多原始粗大晶粒,孔隙率低,比表面積較小。隨著煅燒溫度的提高,1 100,1 200 ℃下分解后的產(chǎn)物礦物結(jié)晶細(xì)小,粒度均勻,孔隙率較高,比表面積較大。

        因此,綜合來看,按反應(yīng)活性排序為900 ℃<1 000 ℃<1 100 ℃<1 200 ℃。石灰石在1 200 ℃懸浮態(tài)下煅燒得到產(chǎn)物活性最高。

        2.2.3比表面積、平均孔徑與不同分解產(chǎn)物活性的關(guān)系

        表5為各煅燒溫度分解后產(chǎn)物的比表面積和平均孔徑。

        表5各溫度下分解產(chǎn)物的比表面積、平均孔徑

        Table5Specificsurfacearea,averageporesizeofdecompositionproductunderdifferentcalcinationtemperature

        物料(石灰石)比表面積/m2·g-1平均孔徑/nm900℃煅燒14.56419.631000℃煅燒14.84918.231100℃煅燒15.58816.391200℃煅燒16.33013.85

        由表5看出,分解產(chǎn)物活性與比表面積、平均孔徑有著一定關(guān)系。隨著比表面積的增大,分解產(chǎn)物活性度增大;隨著平均孔徑的增大,分解產(chǎn)物活性度減小。石灰石在900 ℃煅燒溫度下,由于分解速度慢而不能完全分解,故分解產(chǎn)物的比表面積較小、平均孔徑較大、活性較低。隨著煅燒溫度的上升,石灰石的分解速率增加,分解產(chǎn)物的平均孔徑逐漸減小和比表面積呈現(xiàn)增大的趨勢。當(dāng)石灰石煅燒溫度提高到1 200 ℃時,分解產(chǎn)物的活性出現(xiàn)最大值。

        3結(jié)論

        (1)對于石灰石而言,在一定范圍內(nèi)隨著懸浮態(tài)下煅燒溫度的提高,新生物相的反應(yīng)活性越高。在1 100~1 200 ℃溫度懸浮煅燒下,石灰石新生物相活性可達(dá)到最高,1 200 ℃下煅燒的石灰石產(chǎn)物的活性約為900 ℃下煅燒產(chǎn)物活性的1.52倍。

        (2)900 ℃下分解后的產(chǎn)物由于還存在較多未分解的石灰石,還保留有較多原始粗大晶粒,孔隙率低,比表面積較小。隨著煅燒溫度的提高,1 100~1 200 ℃下分解后的產(chǎn)物礦物結(jié)晶細(xì)小,粒度均勻,孔隙率較高,比表面積較大。

        (3)分解爐中的煅燒溫度,對于加快石灰石分解,提高新生物相反應(yīng)活性都有重要作用。目前預(yù)分解工藝條件下,分解爐煅燒溫度在1 000 ℃以下,物料入窯溫度在900 ℃以下,因此為提升新生物相活性,分解爐內(nèi)煅燒溫度有進(jìn)一步提升的空間。

        參考文獻(xiàn):

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        文章編號:1001-9731(2016)07-07207-04

        基金項目:國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973計劃)資助項目(2009CB623102);四川省教育廳重點資助項目(14ZA0086);西南科技大學(xué)重點科研平臺專職科研創(chuàng)新團(tuán)隊建設(shè)基金資助項目(14tdfk01)

        作者簡介:徐迅(1977-),男,湖南津市人,副研究員,碩士生導(dǎo)師,在讀博士,主要從事建筑材料方向研究。

        中圖分類號:TQ172.1

        文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

        DOI:10.3969/j.issn.1001-9731.2016.07.040

        Influenceoftemperatureoncharacteristicsofdecompositionproductoflimestoneundersuspendedstate

        XU Xun1,2,WANG Lan1

        (1.StateKeyLaboratoryofGreenBuildingMaterials,ChinaBuildingMaterialsAcademy,Beijing100024,China;2.StateKeyLaboratoryCultivationBaseforNonmetalCompositesandFunctionalMaterials,SouthwestUniversityofScienceandTechnology,Mianyang621010,China)

        Abstract:Influences of different temperatures on limestone decomposition product activity under suspended state are investigated with a high temperature one-dimensional furnace. The results show that with increase of decomposition temperature, the activity of limestone decomposition product was higher under suspension state. Between 1 100 and 1 200 ℃, the activity of limestone decomposition product can reach the highest. The activity of limestone decomposition product under 1 200 ℃ was 1.52 times that of 900 ℃. With the increase of decomposition temperature, the decomposition product under 1 200 ℃ has smaller mineral crystallization, uniform particle size, higher porosity and greater specific surface area.

        Key words:suspended state;limestone;decomposition product;new phase;activity

        收到初稿日期:2015-06-17 收到修改稿日期:2015-12-08 通訊作者:徐迅,E-mail: 15550045@qq.com

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