论文总字数：24232字

摘 要

为实现对工业废渣的资源化利用，从而缓解现代工业对大气和水体的污染，创造绿色健康的生活环境。本研究基于煤气化渣的综合利用和透水混凝土体系，以煤气化渣里的粗渣为主要原料，先制备碱-煤气化渣基地聚合物用作胶凝材料，再将煤气化渣作为集料制备透水混凝土，从而设计出一种兼顾力学性能和透水性能的煤气化渣透水混凝土。探讨了碱激发剂的模数和碱当量对煤气化渣地聚合物的力学性能影响，浆集比和孔隙率对煤气化渣透水混凝土抗压强度和透水系数的影响。研究结果表明，煤气化渣地聚合物的力学性能随着碱激发剂模数和碱当量的增大呈现先增大后减小的趋势；随着浆集比的增大，煤气化渣透水混凝土的抗压强度增大，透水系数减小，而孔隙率对抗压强度和透水系数的影响则与浆集比的相反。

关键词： 煤气化渣；地聚合物；透水混凝土

Abstract

In order to realize the resourceful utilization of industrial waste, it can alleviate the pollution of the atmosphere and water body of modern industry then create a green and healthy living environment. Our research is based on the comprehensive utilization of coal gasification slag and pervious concrete system, the coarse slag in coal gasification slag is the main material, the geopolymer of alkali-gasification slag is first prepared as a gel material, and then the coal gasification slag is used as an aggregate to prepare pervious concrete, in which to design a gasification slag pervious concrete that takes into account the mechanical properties and permeable properties. The effects of modulus and alkali equivalent of alkali activator on the mechanical properties of the gasification slag geopolymer are discussed as well as paste-aggregate ratio and porosity on the compressive strength and permeable coefficient of the gasification slag pervious concrete. The results indicate that the mechanical property of the gasification slag geopolymer show a tendency to increase first and then decrease with the increase of modulus and alkali equivalent of alkali activator, and as the increase of paste-aggregate ratio, the compressive strength of the gasification slag pervious concrete increases, the permeable coefficient decreases, however, the effects of porosity on compressive strength and permeable coefficient is opposite to paste-aggregate ratio.

Key words: coal gasification slag；geopolymer；pervious concrete

目录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 国内外研究现状 1

1.2.1 煤气化渣的特性 1

1.2.2 煤气化渣的应用现状 2

1.2.3 透水混凝土研究现状 3

1.3 当前研究存在的问题与课题的提出 3

1.4研究内容与技术路线 4

1.4.1 研究内容 4

1.4.2研究目标 5

1.4.3技术路线与实验方法 6

第2章 原材料与实验方法 7

2.1实验原材料 7

2.2 材料配合比 7

2.2.1煤气化渣基地聚合物配合比设计 7

2.2.2透水混凝土配合比设计 8

2.3实验方法与设备 8

2.3.1 实验方法 8

2.3.2 实验设备与仪器 10

第3章 实验数据与结果分析 12

3.1煤气化渣基地聚合物的性能研究 12

3.1.1碱当量对胶砂力学性能的影响 13

3.1.2模数对胶砂力学性能的影响 14

3.1.3龄期对胶砂力学性能的影响 16

3.2透水混凝土的性能研究 17

3.2.1浆集比与设计孔隙率对透水混凝土抗压强度影响 17

3.2.2浆集比与设计孔隙率对透水系数影响 20

3.3地聚合物及透水混凝土性能影响机理分析 22

3.3.1地聚合物性能影响机理分析 22

3.3.2透水混凝土性能影响机理分析 23

3.4 本章小结 23

第4章 结论与展望 25

4.1结论 25

4.2展望 25

参考文献 27

致谢 30

第1章 绪论

1.1 研究背景

煤炭是中国的主要能源。2017年，煤产量达到3.45亿吨，所产生的二氧化硫和二氧化氮造成了严重的环境污染^[1]。为了环节煤燃烧造成的日益严重的空气污染，这十年来，世界各国大力发展清洁煤技术^[2,3]。在这些技术中，煤气化技术被称为是领先的、有效的、经济的、环保的用煤方法。

目前开采的煤有许多种类，其中固体煤因为缺少有效手段去除它里面的有害成分，使其加工、投入使用变的困难。但是通过煤气化技术，便能将固体煤通过化学手段，分解转变成能够净化的气化煤和一些附属化学品，同时煤里的无用组分如灰分会经过气化炉以废渣的形态排出。随着科技的发展，当前煤气化技术已经发展出三大主要方式，分别是：固定床、流化床和气流床技术。作为现代煤化学工业的基础，煤气化技术除可以产生水煤气之外，同时还具有效率高、无SO₂和NO_x排放及灵活性强等优点^[4]。

煤气化技术虽然具有许多优点，但也带来了一些副产品，其中主要是煤气化渣。采用一般的气流床气化法产生的气化渣，有粗渣（CS）和细渣（FS）２种类型。粗渣即在高温高压条件下，浆化煤炭颗粒经过气化炉内部一系列的煤气化流程，在闭锁式料斗的出口收集的含水渣；细渣即通过气化炉顶部，在去除细渣的过滤器中抽离，由粗煤气气流携出的含水渣^[5,6]。

煤气化渣作为一种固体废弃物，它的含量大约是气化煤含量的15%~20%。根据最近的文献：在2016年，中国利用现代煤气化技术加工煤2.5亿吨，就会产生固体废弃物4千万吨^[7]。这些数量庞大的气化渣不仅占用了土地，而且被风吹后引起的粉尘和沙子还会污染当地大气，同时还会释放一些对当地环境有负面影响的含硫或者含氨的气体。为了达到煤气化技术的“零排放”，环保、有效地利用煤气化渣是亟需解决的问题及煤工业未来发展的方向。

1.2 国内外研究现状

总的来说，煤气化剩余的固体炉渣中大部分都对当地的生态环境有害。这意味着需要一大笔费用来处理煤气化的副产品。因此，以促进这些固体炉渣的利用，人们展开了越来越多的研究。

1.2.1 煤气化渣的特性

煤气化渣根据渣获得的位置和理化性质不同被分为2个类型：粗渣（CS）和细渣（FS）。一般来说，粗渣的碳含量相对较少，是一种致密且耐磨的玻璃相固体，它的矿物相主要是莫来石、石英以及钙长石，这些矿物皆具有良好的耐磨性能，因此粗渣的耐磨性较为优异。煤气化渣由O, Si, Al, C, Ca, Fe, Na和Mg组成。其中，在高温高压下粗渣中的大部分熔融矿物、非矿物无机元素趋向于部分熔化然后形成液相，它们在冷却的过程中部分晶化形成一系列不同的矿相并结合成玻璃相（Al₂O₃·2SiO₂）。因此，粗渣中有大量活性SiO₂和Al₂O₃矿相，具有一定的火山灰活性。而细渣内部包含了大量粒径尺寸不同的平滑球体以及蜂窝形的絮状物，这些球体粒子还部分被絮状物覆盖。这使得细渣的形状显得更多孔和疏松，活性矿相含量也低于粗渣。同时细渣中有大量还原碳，会碍煤气化渣和胶凝材料之间的反应^[8-10]。因此，粗渣高活性的矿相和低含量的残余碳使得它成为混凝土中集料和硅铝质胶凝材料的合适替换对象，而细渣多孔的显微结构和高含量的还原碳使得它不适合作集料或胶凝材料。

1.2.2 煤气化渣的应用现状

在中国，煤气化渣的应用主要集中于两个方面^[11-13]。第一种是用于建筑材料，比如：用作研磨料、屋顶材料、墙体材料、绿化材料、道路表面涂料及水泥添加剂。云正等^[11]混合煤气化渣和黏土，并将它们掺入墙体材料的烧结过程中，通过挤出成型的方法，发现只要添加20%的煤气化渣就可以制备出符合相关要求的墙体材料。这种材料不仅密度和导热系数较低，而且抗压强度还高于30MPa。第二种是作为燃料的补充物重新参与循环。高继光等^[12]将循环流化床的原料煤部分替换成细渣，替换的比例参照180t/h的设计方案。经过实际的运行发现，锅炉的各项参数指标均处于正常状态，循环流化床能够稳定的运行。而且，燃烧后带有细渣的锅炉渣还可以二次利用，作为建筑材料的掺和料。这些煤气化渣的应用手段，实现了煤炭资源的综合利用。其他煤气化渣的应用，如党理文等^[14]将煤气化渣作为原料加入水泥熟料的生产中，通过试验比对，发现加入煤气化渣后制备的生料易烧性好，在煅烧过程中节煤效果明显，同时熟料3天和28天的抗压强度略有提高。

在国外^[15-18]，Kennedy等^[15]通过把化工厂加压煤气化炉渣进行二次加热，发现这些煤气化渣的体积具有巨大的膨胀，膨胀后的煤气化渣拥有了良好的绝缘性，从而展现出和蛭石相似的特性。Acosta等^[16]利用煤气化渣粗渣中具有玻璃态的成分，不仅能促进烧结还能增强砖块的力学性能，通过加入含碳量小于50%的煤气化渣，与黏土制作出了一种吸水率较小，同时收缩性低于普通砖块的建筑用砖。检测发现，这种建筑用砖可以满足使用要求。Aineto等^[17]通过测量炉渣的堆积密度、吸水率、抗冻性和机械性能，结果发现和传统轻质骨料的参数差不多，证实了IGCC炉渣替代传统轻质骨料的潜力。Yoshitaka Ishikawa^[18]认为将煤气化渣作为混凝土的细骨料是完全可能的。同时他的实验结果证明采用煤气化渣作为细骨料的混凝土在抗压强度和耐久性上和采用天然砂的混凝土没有太大区别。

1.2.3 透水混凝土研究现状

请支付后下载全文，论文总字数：24232字

相关图片展示：