江苏煤气化炉渣本征特性及碳热还原氮化过程中物相演变

多种气化炉产生的煤气化炉渣为研究对象,首先利用X-射线荧光光谱仪(XRF)、X-射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)等手段表征气化炉渣的本征特性;然后通过高温熔融、淬冷及Fact Sage软件模拟探究不同温度下炉渣物相组成演变及高温黏度变化情况;最后以气化炉渣为原料,石墨为还原剂,白糊精作为结合剂,采用碳热还原氮化法制备Sialon粉体,并与粘土的碳热还原氮化情况进行对比,分析氮化温度和保温时间对氮化产物相组成和显微结构的影响,从而揭示煤气化炉渣在碳热还原氮化过程中相组成和显微结构演变规律。

实验结果如下所示:(1)煤气化炉渣的主要化学成分Si O2、Al2O3、Ca O和Fe2O3,由于煤粉在气化炉中停留时间较短,使得炉渣中还存在大量残余碳;气化炉渣主要物相为非晶玻璃和残余碳,这与其形成过程有关,还有少量的石英和方解石相。显微结构观察发现气化炉渣中含有大量表面光滑的球状玻璃体以及多孔碳。(2)炉渣的化学组成和高温相组成变化规律决定了炉渣高温黏度随温度变化规律;利用Fact Sage软件中Phase Diagram模块绘制的Ca O-Al2O3-Si O2三元相图较好地解释气化炉渣的高温相组成变化规律。实验结果表明,煤气化炉渣中酸碱比值p决定了炉渣的熔融温度,且p值越大,熔融温度越高。随着温度的升高,气化炉渣高温熔体黏度均逐渐降低,而当炉渣中酸碱比值p大于2.5,温度高于1200℃时,熔体黏度下降趋势最为突出。(3)煤气化炉渣经碳热还原氮化研究表明:在较低温度下(<1400℃)气化炉渣氮化产物中的主要相组成为钙长石(Ca Al2Si2O8)和O′-Sialon;随着温度的升高,产物中主晶相过渡为Ca-α-Sialon,其中有几种炉渣还伴随有Al N和Si C等杂质相生成。而由SEM结果显示在较低温度下气化炉渣的氮化后依然保留了原料形状规则的球体形貌,随着温度的升高,球体表面变得粗糙,甚至出现破损;在高温下,球体形状不再规则,表面被颗粒状和短柱状Sialon晶粒覆盖,随着氮气进一步的渗入,球体内部呈现出空心状。

因此,在某种程度上,球体的变形和破损状态可以反映出气化炉渣的氮化程度。随着氮化温度的升高或保温时间的延长,气化炉渣氮化产物中Ca-α-Sialon相逐渐生成并发育完善。当温度高于1400℃,保温时间为4h时,SEM分析可以很明显的观察到产物中柱状Ca-α-Sialon晶粒相互交错;当温度继续升高到1450℃时,Sialon相的生成趋于稳定,且此时杂质相最少。