南屯煤礦灌漿用粉煤灰的紅外光譜特性研究

侯玉亭，馬 旭，曹升玲，宋兆雪

（1.兗礦集團(tuán)南屯煤礦，山東 鄒城 273515;2.兗礦集團(tuán)有限公司通防部，山東 鄒城 273500）

0 引言

粉煤灰主要是由電廠燃煤發(fā)電產(chǎn)生，由于電廠燃煤種類，燃燒工況條件，脫硫工藝及其他條件的不同，導(dǎo)致不同種類的粉煤灰微觀形態(tài)結(jié)構(gòu)千差萬(wàn)別，宏觀物理化學(xué)性質(zhì)也不盡相同。物質(zhì)的微觀形態(tài)特征與宏觀的物理化學(xué)性質(zhì)有著密切的聯(lián)系[1-4]，對(duì)粉煤灰的微觀結(jié)構(gòu)和形態(tài)特征進(jìn)行深入細(xì)致的研究，有利于對(duì)粉煤灰漿液懸浮性能的研究。

粉煤灰是火力發(fā)電廠煤粉燃燒后的殘余產(chǎn)物，一般含有大量的球狀玻璃體顆粒。其主要化學(xué)成分是硅鋁化合物，此外還含有一些鐵、鈣等氧化物。按照CaO含量的不同，可以將粉煤灰分為高鈣粉煤灰（CaO含量＞10%）和低鈣粉煤灰（CaO含量＜10%）兩種。高鈣粉煤灰一般由褐煤、亞瀝青質(zhì)煤燃燒后得到，由于褐煤和亞瀝青質(zhì)煤的灰燼中CaO含量較高，可達(dá)10%以上。低鈣粉煤灰一般由無(wú)煙煤、瀝青質(zhì)煤燃燒得到。無(wú)煙煤和瀝青質(zhì)煤的灰燼富含SiO2、Al2O3和Fe2O3，它們?nèi)叩馁|(zhì)量分?jǐn)?shù)占70%以上，而CaO含量相對(duì)較少。同時(shí)，玻璃體含量較高鈣粉煤灰少，而莫來(lái)石含量較多，其活性主要取決于非晶態(tài)的玻璃體成分及其結(jié)構(gòu)。此外，根據(jù)ASTMC618[5-6]標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，將（SiO2+Al2O3+Fe2O3）＞70%的粉煤灰劃為F級(jí)粉煤灰，將70%＞（SiO2+Al2O3+Fe2O3）＞50%的粉煤灰劃分為C級(jí)粉煤灰[7-10]。

粉煤灰的傅里葉紅外光譜解析是表征粉煤灰微觀特性的主要手段之一，通過(guò)準(zhǔn)確識(shí)別粉煤灰中的無(wú)機(jī)組分，本文通過(guò)對(duì)南屯煤礦三種常用粉煤灰進(jìn)行紅外譜圖的分峰擬合，得到了粉煤灰中主要的結(jié)構(gòu)基團(tuán)，對(duì)比分析了三種粉煤灰的結(jié)構(gòu)差異，對(duì)于南屯煤礦粉煤灰的選用、懸浮灌漿具有重要指導(dǎo)意義。

1 實(shí)驗(yàn)樣品

本文選用南屯煤礦灌漿常用的三種粉煤灰熱電廠粉煤灰、東灘電廠粉煤灰和華聚電廠粉煤灰。為了保證取樣的準(zhǔn)確性，直接從三個(gè)電廠進(jìn)行了粉煤灰取樣，并采用真空密封袋進(jìn)行了封存。對(duì)三種粉煤灰樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室10h真空干燥，制取傅里葉紅外光譜儀測(cè)試的粉煤灰樣品。

圖1 南屯煤礦三種常用粉煤灰樣品圖

2 實(shí)驗(yàn)方法

本文采用Nicolet 6700紅外光譜儀（美國(guó)賽默飛世爾公司，見圖2）對(duì)三種粉煤灰在頻率為650cm-1～4000cm-1范圍內(nèi)進(jìn)行漫反射實(shí)驗(yàn)得三種粉煤灰的紅外光譜圖。對(duì)三種粉煤灰紅外光譜進(jìn)行基線矯正和平滑處理，去除環(huán)境噪音影響，得到同一基線下的三種粉煤灰紅外光譜圖，并進(jìn)行對(duì)比分析。在次基礎(chǔ)上根據(jù)基線特性，對(duì)三種粉煤灰進(jìn)行分段式分峰擬合處理，準(zhǔn)確得到三種粉煤灰基團(tuán)組分的獨(dú)立譜峰結(jié)果。其中熱電廠粉煤灰根據(jù)譜圖基線特性分為3100～4000 cm-1、1600～2100 cm-1、650～1600 cm-1三個(gè)波段，華聚粉煤灰主要分為 1500～4000 cm-1、650～1500 cm-1兩個(gè)波段，東灘粉煤灰主要分為3000～4000 cm-1、650～1600 cm-1兩個(gè)波段。

圖2 Nicolet 6700紅外光譜儀

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

如下圖3為熱電廠、東灘和華聚三種粉煤灰的紅外光譜圖，熱電廠和東灘電廠粉煤灰的紅外光譜圖總體趨勢(shì)相似，各峰位分布較為一致，但華聚電廠粉煤灰的紅外光譜圖在總體趨勢(shì)和峰位上都與其它兩種粉煤灰有著顯著差異。相比于其它兩種粉煤灰，華聚電廠粉煤灰在頻率為3600cm-1～3700cm-1處存在一個(gè)尖銳的吸收峰，并且在頻率為650cm-1～1500cm-1的范圍內(nèi)存在較大差異。因此，研究對(duì)三種粉煤灰的紅外光譜進(jìn)行分段分析，如圖4到圖6所示。

圖3 熱電廠、東灘和華聚電廠粉煤灰紅外光譜圖

對(duì)粉煤灰的吸收峰進(jìn)行分析可知，三種類型的粉煤灰在相似的峰位處存在有機(jī)硅Si-O-Si對(duì)稱伸縮、石英Si-O-Si對(duì)稱伸縮、有機(jī)硅Si-O-Si反對(duì)稱伸縮和石英Si-O-Si反對(duì)稱伸縮等基團(tuán)，這些硅氧伸縮振動(dòng)與莫來(lái)石和長(zhǎng)石的形成有關(guān)。因?yàn)閷?shí)驗(yàn)測(cè)試的頻率范圍為 650cm-1～1500cm-1，而歸屬（AlO6）的 Al-O 伸縮振動(dòng)吸收峰在556cm-1附近，CaO的吸收峰位置為322cm-1和394cm-1，所以在粉煤灰紅外光譜圖中無(wú)法分析證明Al-O和CaO的存在。但是，在華聚電廠粉煤灰的紅外光譜圖中可以找到頻率為3644cm-1的OH伸縮振動(dòng)和頻率為1419cm-1的C-H彎曲振動(dòng)。OH伸縮振動(dòng)與粉煤灰中的CaO吸水形成Ca(OH)2有關(guān)，C-H彎曲振動(dòng)與未完全燃燒的碳有關(guān)，可以間接證明華聚電廠粉煤灰中存在CaO和其燃燒最為不充分[11]。具體數(shù)據(jù)見表1。

圖4 熱電廠粉煤灰吸收峰峰位圖

圖6 東灘電廠粉煤灰吸收峰峰位圖

根據(jù)表1結(jié)果表明，華聚電廠粉煤灰礦物組成最為復(fù)雜，而另外兩種粉煤灰的礦物組分較為簡(jiǎn)單。根據(jù)紅外結(jié)構(gòu)組分可知，熱電廠粉煤灰主要礦物有石英和莫來(lái)石，東灘電廠粉煤灰主要礦物為石英，而華聚電廠粉煤灰主要礦物有石英，氧化鈣，三氧化二鋁和鈣長(zhǎng)石等。粉煤灰的礦物組分越復(fù)雜證明原煤中夾矸越多或結(jié)渣越嚴(yán)重，不利于粉煤灰內(nèi)堿金屬激活后在粉煤灰內(nèi)形成一體化網(wǎng)狀結(jié)合態(tài)也不利于與水溶液體系形成螯合連接結(jié)構(gòu)。因此，粉煤灰礦物組分越復(fù)雜越不利于粉煤灰顆粒在液體中的懸浮。

表1 粉煤灰結(jié)構(gòu)基團(tuán)和氧化物頻率分析表

4 結(jié)論

本文采用傅里葉紅外光譜儀測(cè)試分析了南屯煤礦三種常用的粉煤灰：熱電廠、東灘和華聚粉煤灰，并采用多段分峰擬合方法準(zhǔn)確分析了三種粉煤灰的紅外結(jié)構(gòu)特征，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明三種粉煤灰顆粒的礦物組分各異，華聚電廠粉煤灰礦物組成最為復(fù)雜，而另外兩種粉煤灰的礦物組分較為簡(jiǎn)單。熱電廠粉煤灰主要礦物有石英和莫來(lái)石，東灘電廠粉煤灰主要礦物為石英，而華聚電廠粉煤灰主要礦物有石英，氧化鈣，三氧化二鋁和鈣長(zhǎng)石等。粉煤灰的礦物組分越復(fù)雜證明原煤中夾矸越多或結(jié)渣越嚴(yán)重，不利于粉煤灰內(nèi)堿金屬激活后在粉煤灰內(nèi)形成一體化網(wǎng)狀結(jié)合態(tài)也不利于與水溶液體系形成螯合連接結(jié)構(gòu)。因此，粉煤灰礦物組分越復(fù)雜越不利于粉煤灰顆粒在液體中的懸浮。