微波輻照活化未燃煤矸石試驗研究

馬肖楠卡米爾?帕拉提柯珂

[摘要]文章以微波輻照為主題，探討微波輻照活化未燃煤矸石的試驗問題。首先結(jié)合微波輻照對其進行了簡要概述。主要以我國新疆地區(qū)的未燃煤矸石為例，分析了常規(guī)煅燒活化未燃煤矸石的機理。重點介紹了微波輻照的特征以及活化機理，并以此為基礎(chǔ)，提出了具體的試驗方案。

[關(guān)鍵詞]微波輻照；活化；未燃煤；矸石試驗

[DOI]1013939/jcnkizgsc201623075

隨著工業(yè)發(fā)展與現(xiàn)代化的初步完成，我國在煤炭需求方面不斷增加，而這種消費也加劇了資源與能源的緊缺，為了解決這些問題，要求不斷從技術(shù)與資源利用方面入手，解決實際中存在的資源與能源利用問題，也要不斷增加對廢棄物的利用技術(shù)研究；以煤矸石為例，它的利用價值較高，但是由于露天堆放，往往會形成分解與風(fēng)化，并產(chǎn)生嚴(yán)重的危害，為了解決污染并提升利用價值，可以通過鍛燒與微波輻照的方法實現(xiàn)對這些資源的再利用。

1概述

在微波輻照活化未燃煤矸石的試驗研究中，可以通過將常規(guī)鍛煉技術(shù)、微波輻照技術(shù)并列放置，并在設(shè)置相同的試驗條件下，進行可行性分析，并對其理論方面的特征、機理等進行證實；另外，通過這種比較性試驗及研究可以更好的選擇出最佳的設(shè)計方案，并將兩種方法中不同的缺陷與優(yōu)點暴露出來，進行一些彌補措施的探討。因此，本文就按照這種比較研究方法，通過對兩種不同方法下的活化未煤矸石試驗來說明微波輻照活化方面的相關(guān)問題，并給出最后的實驗結(jié)論，以供探討。

2微波輻照及其機理分析

首先，從概念方面看，就是利用微波輻照的方法對未燃煤矸石進行處理，使其得到充分利用。與傳統(tǒng)的煅燒活化相比，這種方法加熱速度更快、而且選擇性強，能夠達到節(jié)能高效、減少污染的目的，最重要的是操作簡單便于控制、自動化程度高。此外，微波屬于電磁波，它的波長范圍為1～1000mm，電子能級可達到4×10-6～12×10-3ev；傳播速度為1：（u0=4π*10-7H/M， ε0=8854×10-2F/M）；關(guān)鍵在于微波能量的吸收與能量間的轉(zhuǎn)化。為了明晰可以通過對各種加熱方式的熱效率進行比較，具體如下表所示。

各種加熱方式的熱效率（%）加熱方式微波電熱膜電熱絲煤氣爐煤火爐熱效率90～9585～9055～6350～5530

其次，未燃煤矸石屬于高領(lǐng)石，它的化學(xué)式為Al2O3SiO2H2O，主要是由硅氧四面體層、鋁氧八面體層以1∶1的比例型層狀硅酸鹽礦物構(gòu)成，從結(jié)構(gòu)單層方面分析，一致性相同，且以氫鍵進行聯(lián)結(jié)，無其他離子，也沒有水，也就是說，在脫羥基后可以保持其本身的層狀結(jié)構(gòu)，但是錯位非常明顯，會形成偏高嶺石，且結(jié)晶度較差，具備火山灰性質(zhì)。

再次，活化的意思就是命名其中的鋁配位數(shù)發(fā)生改變，比如從6到4的變化，從6到5的變化。傳統(tǒng)的鍛燒方法是通過溫度的控制來達到脫水與分解效果，溫度一般為550℃～700℃、800℃～900℃，在不同的溫度下會產(chǎn)生不同的結(jié)果，在前一個溫度范圍內(nèi)主要是形成偏高嶺石，在后一種溫度下形成脫水性的偏高嶺石；但是當(dāng)其溫度達到1050℃或高出這個范圍之后，又后降低活性，從而形成莫來石晶體。所以說常規(guī)的煅燒主要是以熱源傳導(dǎo)、對流、輻射方式增加熱傳導(dǎo)完成加工。特點體現(xiàn)在速度慢、會形成二次污染、且效率低、生產(chǎn)成本較高。

最后，為了解決這些問題可以通過微波輻照的方式來達到需要的效果。從微波輻照活化未燃煤矸石的機理方面分析，主要的變相過程集中體現(xiàn)為高嶺石—偏高嶺石—硅鋁尖晶石—莫來石；與傳統(tǒng)方法相比，速度可以提升到4到12倍，溫度也會下調(diào)200℃之多。具體來看，就是在受熱后煤矸石分解而形成水與碳，然后經(jīng)過氧化放熱反應(yīng)達到脫羥基反應(yīng)，最后生成偏高嶺石，脫去固定碳與有機質(zhì)，只剩下顆粒，然后轉(zhuǎn)化成鋁硅尖晶石與莫來石晶型類似結(jié)構(gòu)。

3試驗方案的設(shè)計

首先，需要對煤矸石的熱活化因素展開分析，從而確定輻照時間這個關(guān)鍵因素，通常情況下，我國新疆地區(qū)的未燃煤矸石試驗結(jié)果表明，微波輻照的時間、細度、形態(tài)、冷卻方式等都是相關(guān)因素，所以，在具體的微波輻照活化過程中，需要先確定實驗的整體方案與相關(guān)因素；然后再按照這些因素進行步驟設(shè)置，本次研究中的步驟為原礦分析—活化煤矸石—煤矸石水泥性能測定，以此構(gòu)成整個煤矸石的活化流程。需要說明的是在水泥性能測定方面，由于煤矸石顆粒在急冷狀態(tài)下未能構(gòu)成晶體，所以，大量熱能會發(fā)生轉(zhuǎn)化，表現(xiàn)為化學(xué)能形式并成為玻璃體，而這些玻璃體會與水泥水化釋放能量，因此在傳統(tǒng)的燃燒過程中，往往會形成水泥中的部分水化產(chǎn)物的二次反應(yīng)，從而以宏觀活性進行表達；為了更清晰起見，需要在這個步驟或流程中對兩者進行一個細致的比較，從而對煤矸石的水泥性能做出相應(yīng)的測定。具體的流程如下圖所示。

試驗流程

其次，通過這種比較試驗的方式，就可以明顯地將微波輻照與常規(guī)煅燒方法所得的結(jié)果進行一個綜合分析，然后根據(jù)相同條件的設(shè)置得出優(yōu)勢與劣勢總結(jié)；再進行活化煤矸石摻入水泥進行水泥技術(shù)性質(zhì)測定，這樣就可以突出地將微波輻照活化未燃煤矸石的試驗表現(xiàn)出來，從而得出最后結(jié)論。本次實驗研究的結(jié)果表明，可以證實上述所說的特點，即與傳統(tǒng)的煅燒方法相比，微波輻照在同樣的條件下，加熱速度更快，而且能夠使時間控制到10-9到10-10s數(shù)量級，與溫固相法比較快了15到20倍；而且可以進行透明型、全反射型物質(zhì)的選擇性加熱，從而排除了不能加熱的物質(zhì)，只將溫度集中于吸收型物質(zhì)方面，效果更好；再一個就是它能夠減少二次污染的可能性，既高效又節(jié)能，而且能夠?qū)⒉牧系闹旅芑俣忍岣?，并減少輻照時間，提高熱效率。兩種方法比較，微波輻照的操作更加簡單，而且在控制方面能夠以自動化的控制達到最終的活化目標(biāo)。

4結(jié)論

經(jīng)過對常規(guī)鍛煉、微波輻照方面的活化機理比較，可以認(rèn)識到微波輻照的均勻度更高、可以對更細微的地方深入，而且它的特點也集中于高效節(jié)能、低溫快速等方面，最重要的是可控制性強、污染小，也符合目前節(jié)能減排的需求。通過這種方法活化未燃煤矸石能夠達到較好的經(jīng)濟效益、社會效益，并給資源的充分利用提供更好的途徑。因此，應(yīng)該不斷加強對這方面的研究，并且通過在這種技術(shù)上的創(chuàng)新與突破性研究來提升活化水平，帶動資源的再利用項目發(fā)展，從而為資源能源的節(jié)約與利用提供更好的支持。

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