正交試驗法篩選煤氣化灰渣制備泡沫陶瓷工藝條件

王守飛，李寒旭，何 軍

(安徽理工大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院，安徽 淮南 232001)

煤炭在世界能源結(jié)構(gòu)中的地位舉足經(jīng)重，據(jù)統(tǒng)計，在世界能源儲量中，煤炭約占79%[1]，儲量之大使得煤炭的清潔高效利用研究與開發(fā)成為各國能源戰(zhàn)略的重要內(nèi)容之一。作為煤炭清潔高效利用的重要途徑，煤氣化技術(shù)日益受到重視，以煤氣化為基礎(chǔ)進行發(fā)電及制備化工產(chǎn)品的技術(shù)在國內(nèi)外得到了越來越多的應(yīng)用。然而，由于煤炭自身含有較多無機礦物質(zhì)，且氣化過程中可能還會外加無機助熔劑以降低煤灰熔點，導(dǎo)致煤氣化過程中產(chǎn)生較多固體廢物(灰渣)，由于固體廢物的產(chǎn)生量很大。且大部分的煤化工項目中，灰渣采用填埋的方式進行處理。這些固體廢物如果得不到合理管理、處置和利用，不但會造成資源浪費，而且會因大量堆存而占用土地，以及有毒有害物質(zhì)浸出也可能會造成環(huán)境污染。

目前，國外對飛灰資源化利用的研究主要集中于環(huán)保吸附材料[2]、土壤改良劑[3]、鋁和鈦等有價金屬[4]及Ga、Ge等稀土金屬[5]元素的回收、催化劑或催化劑載體[6]、陶瓷及玻璃、地質(zhì)聚合物、介孔材料或分子篩的制備[7]等方面。利用效率低，經(jīng)濟效果差；以氣化廢渣為原料制備泡沫陶瓷材料，不僅可以實現(xiàn)資源的循環(huán)利用，解決廢渣隨處堆積帶來的環(huán)境問題，而且具備很好的市場前景，能產(chǎn)生可觀的經(jīng)濟效益。

1 實驗部分

1.1 材料

粉煤計劃灰渣樣，原材料，中國石油化工股份有限公司安慶分公司；碳化硅(SiC)分析純,發(fā)泡劑，國藥集團化學(xué)試劑有限公司。

1.2 儀器

表1 主要儀器型號及生產(chǎn)廠家

1.3 試樣制備

1)首先將煤氣化灰渣用密封式制樣粉碎機進行破碎，置于烘箱中70 ℃干燥至恒重。

2)按照配方比例配制原料，利用球磨機混料均勻。其中，每罐放入200 g原料，按照比例加入不同量的碳化硅，球磨機轉(zhuǎn)速：200 r/min，球磨時間：20 min 。

3)將球磨好的原料過200目標準篩，備用。

4)灰渣的粘結(jié)性差，若用金屬模具制備成型，需要加入大量粘結(jié)劑和使用大量脫模劑，經(jīng)試驗嘗試，采用人工搗打成型方法，制備含水約30%，60×40×20 mm的長方體狀坯體。將坯體放入鼓風(fēng)干燥箱中100 ℃干燥至恒重。經(jīng)觀察，坯體內(nèi)部較均勻緊實，不存在成型和水分干燥過程中造成的顯著缺陷與氣孔。

5)將干燥好的坯體放入日新高溫管式爐中進行燒成。利用手動切割機將燒成制品切開，觀察內(nèi)部截面發(fā)泡程度和氣孔均勻性；然后將泡沫陶瓷磚切割加工成合適大小的樣品(尺寸約為20×20×20 mm)，進行氣孔形貌觀察、抗壓強度、體積密度等綜合性能測試。

圖1 制備工藝流程圖

1.4 性能測試與結(jié)構(gòu)表征

體積密度的測試：根據(jù)國家標準GB/T 3810.3-2006，本實驗測試泡沫陶瓷體積密度采用煮沸法與體積法共同校準測試。

抗壓強度的測定：抗壓強度測試樣品為20×20×20 mm的立方體塊。將試樣置于材料萬能試驗機中，以1 mm/min的加載速率測試其抗壓強度。計算公式為：

Rc=P/S

式中Rc—壓縮強度；

P—破壞載荷，MPa；

S—試樣受力面積，mm。

2 結(jié)果與討論

2.1 正交試驗設(shè)計

正交試驗是一種可快速、有效、經(jīng)濟地研究多因素實驗的重要數(shù)理方法，通過正交表能確定出影響因素的主次順序，分析出各因素對指標的影響程度，進而找出優(yōu)化條件或最優(yōu)組合[8]。本實驗采用選取發(fā)泡劑添加量、燒結(jié)溫度、升溫速率和燒結(jié)時間4個因素，應(yīng)用L9(34)正交設(shè)計表。

表2 正交試驗設(shè)計

表3 正交實驗方案

表4 正交試驗結(jié)果

2.2 正交試驗結(jié)果分析

將各試驗因素及水平對目標函數(shù)作圖，得到各因素水平對吸水率、密度、抗壓強度的影響趨勢曲線，分別如圖2～4所示。

2.2.1 各因素對泡沫陶瓷材料吸水率的影響

“現(xiàn)在，我該怎樣與日益陌生的父親相處？”歐洲人有諺語說，每個老父母都是我們潛在的屋頂。他們的離去，就是我們被掀掉屋頂坐在廢墟中——現(xiàn)在，朋友的父親還健在，而她的屋頂似乎已被掀去。

從圖2可知：泡沫陶瓷材料的吸水率隨著燒結(jié)溫度從1190～1210℃呈總體逐漸增大的趨勢，燒結(jié)溫度為1200℃時，達到最大，繼續(xù)提高燒結(jié)溫度吸水率有所降低；但隨著升溫速率由3～5 ℃/min，泡沫陶瓷材料的吸水率呈逐漸降低的趨勢，當(dāng)升溫速率為4℃/min時，吸水率最大，繼續(xù)增加升溫速率，吸水率降至最低；泡沫陶瓷材料的吸水率隨著保溫時間的增長呈逐漸增大的趨勢，保溫時間為40 min時，吸水率最大；隨著發(fā)泡劑添加量的增大，泡沫陶瓷材料的吸水率呈逐漸增大的趨勢，發(fā)泡劑的添加量為5%時，吸水率達到最大。

圖2 各因素對泡沫陶瓷材料吸水率的影響

極差(R)值越大的因素，對實驗指標的影響越大，如表4所示，RD>RB>RA>RC，所以對吸水率影響因素大小次序為D>B>A>C，即D、A、B是影響吸水率的主要因素，C是次要因素。

2.2.2 各因素對泡沫陶瓷材料體積密度的影響

圖3 各因素對泡沫陶瓷材料體積密度的影響

由圖3可知，隨著燒結(jié)溫度升高，泡沫陶瓷材料的體積密度呈逐漸降低的趨勢，燒結(jié)溫度為1210℃時，體積密度最小；隨著升溫速率的增大，泡沫陶瓷材料的體積密度呈逐漸降低的趨勢，當(dāng)升溫速率為3℃/min時，體積密度降到最低，繼續(xù)增加升溫速率，體積密度開始增大；泡沫陶瓷材料的體積密度隨著保溫時間的增長呈逐漸降低的趨勢，保溫時間為30 min時，體積密度降到最低，繼續(xù)增加保溫時間，體積密度開始增大；隨著發(fā)泡劑添加量的增大，泡沫陶瓷材料的體積密度呈逐漸降低的趨勢，當(dāng)發(fā)泡劑的添加量為3%時，體積密度降到最低，繼續(xù)增大發(fā)泡劑的添加量，體積密度的變化很小，有略微的增大趨勢。

極差(R)值越大的因素，對實驗指標的影響越大，如表4所示，RC>RD>RB>RA，所以對體積密度影響因素大小次序為C>D>B>A，即D、C、B是影響體積密度的主要因素，A是次要因素。

2.2.3 各因素對泡沫陶瓷材料抗壓強度的影響

從圖4可以看出隨著燒結(jié)溫度升高，泡沫陶瓷材料的抗壓強度呈逐漸降低的趨勢，當(dāng)燒結(jié)溫度為1190℃時，達到最大；隨著升溫速率的加大，泡沫陶瓷材料的抗壓強度呈先增大后減小的趨勢，當(dāng)升溫速率為4 ℃/min時，抗壓強度達到最大，繼續(xù)增加升溫速率，抗壓強度開始降低；隨著保溫時間的增長，泡沫陶瓷材料的抗壓強度呈先降低后增加的趨勢，保溫時間為40 min時，抗壓強度降到最低，繼續(xù)增加保溫時間，抗壓強度開始增大；隨著發(fā)泡劑添加量的增大，泡沫陶瓷材料的抗壓強度呈逐漸降低的趨勢，當(dāng)發(fā)泡劑的添加量為5%時，抗壓強度降到最低。

極差(R)值越大的因素，對實驗指標的影響越大，如表4所示，RD>RC>RB>RA，所以對抗壓強度影響因素大小次序為D>C>B>A，即D、C是影響抗壓強度的主要因素，A、B是次要因素。

圖4 各因素對泡沫陶瓷材料抗壓強度的影響

3 結(jié)論

(1)泡沫陶瓷材料制備的工藝中，燒結(jié)溫度(A)、升溫速率(B)、保溫時間(C)和SiC的添加量(D)對陶瓷泡沫材料的性能的影響程度有所差異。本實驗中，吸水率影響因素大小次序為D>B>A>C，即D、A、B是影響吸水率的主要因素，C是次要因素。采用保溫20 min、燒結(jié)溫度為1190℃、以5 ℃/min的升溫速率和添加1%的SiC，可以得到吸水率較小的泡沫陶瓷材料。

(2)對體積密度影響因素大小次序為C>D>B>A，即D、C、B是影響體積密度的主要因素，A是次要因素。采用保溫30 min、添加5%的SiC、以3 ℃/min的升溫速率和燒結(jié)溫度為1210℃，可以得到體積密度較小的泡沫陶瓷材料。

(3)對抗壓強度影響因素大小次序為D>C>B>A，即D、C是影響抗壓強度的主要因素，A、B是次要因素。采用添加1%的SiC、以1 ℃/min的升溫速率保溫20 min、燒結(jié)溫度為1190℃，可以得到抗壓強度的泡沫陶瓷材料。

(4)利用粉煤氣化灰渣制備泡沫陶瓷材料的最佳工藝條件為：燒結(jié)溫度為1200℃，升溫速率為4 ℃/min，保溫時間為30 min，發(fā)泡劑的添加量為3%，此時泡沫陶瓷材料的體積密度為0.77 g/cm3，抗壓強度為3.4 MPa。