用XPS研究高灰熔融温度煤灰的矿物结构转化
武成利, 王蓓蓓, 陶然, 方刘伟, 李寒旭
安徽理工大学化学工程学院, 安徽 淮南 232001

作者简介: 武成利, 1976年生, 安徽理工大学化学工程学院副教授 e-mail: chlwu2@163.com

摘要

高灰熔点X煤通过添加钙镁复配( WCaO/ WMgO=1)助熔剂降低灰熔点, 在模拟煤气化过程中制备灰渣, 用X射线光电子能谱(XPS)分析不同温度点灰渣中O, Si, Al, Ca, Mg的存在形态及演化过程。 认为钙镁复配助熔剂降低灰熔点主要是作用在硅、 铝、 氧结构变化上, 表现为铝元素结构中铝氧配位方式的变化, 即四配位的铝氧四面体[AlO4]和六配位的铝氧八面体[AlO6]随温度的变化而变化; 硅元素结构中SiO2链的破坏, Ca2+和Mg2+加入会破坏SiO2链, 使得桥氧硅变为非桥氧硅; 以及氧元素结构中桥氧键断裂和非桥氧键形成。 结合Factsage热力学分析软件, 分析了添加钙镁复配助熔剂后, 煤灰渣的高温相平衡组成, 从矿物的结构变化研究助熔剂的助熔机理。 结果表明, 添加钙镁复配助熔剂后, Ca2+和Mg2+易与硅氧和铝氧四面体以及铝氧八面体中非桥氧键结合, 生成低熔点的长石类矿物和镁质矿物, 从而降低煤灰熔融温度。

关键词: X射线光电子能谱; 煤灰渣; 复配助熔剂; 矿物结构转化; 高温相平衡
中图分类号:TQ53 文献标志码:A
Study of Mineral Structure Transformation of Coal Ash with High Ash Melting Temperature by XPS
WU Cheng-li, WANG Bei-bei, TAO Ran, FANG Liu-wei, LI Han-xu
School of Chemical Engineering, Anhui University of Science and Technology, Huainan 232001, China
Abstract

The ash melting temperature of X coal with high ash melting temperature was reduced by adding calcium-magnesium compound flux ( WCaO/ WMgO=1). In the process of simulated coal gasification, the ash and slag were prepared, and the existence form and evolution process of oxygen, silicon, aluminum, calcium, magnesium at different temperature were analyzed by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). Calcium-magnesium compound flux can reduce ash melting temperature and mainly affect structure change of silicon, aluminum and oxygen. The change of the coordination mode of aluminum and oxygen was shown, namely aluminum-oxide tetrahedrons [AlO4] and aluminum-oxide tetrahedrons [AlO6] varied with temperature changes. The addition of Ca2+ and Mg2+ can destroy the silica chain, making bridging oxygen silicon change into non bridge oxygen silicon; Bridged oxygen bond fracture was broken and non bridging oxygen bond was formed in oxygen element structure. Combined with the Factsage thermodynamic analysis software, the high temperature phase equilibrium composition of coal ash was analyzed after adding calcium-magnesium compound flux, and the fluxing mechanism of flux was studied from the change of mineral structure. The results showed that Ca2+ and Mg2+ were easy to combine with the non bridging oxygen bonds in the silicon-oxide and aluminum-oxide tetrahedrons and aluminum-oxide octahedrons to produce low melting temperature feldspar minerals and magnesia minerals. Therefore the ash melting temperatures were reduced.

Keyword: X-ray photoelectron spectroscopy; Coal ash and slag; Compound flux; Transformation of mineral structure; High temperature phase equilibrium
引 言

目前, 煤炭是中国最重要的一次能源[1], 而煤气化是一种高效的洁净煤技术, 水煤浆和粉煤气化工艺均采用液态排渣技术[2, 3], 要求入炉煤的灰熔点温度小于1 400 ℃, 而中国煤炭中煤灰熔融温度FT> 1 400 ℃的煤分别占到中国煤炭年产量、 保有储量的55%和57%左右[4]。 通过添加助熔剂降低煤灰熔融温度, 是一种使高灰熔点煤达到液态排渣气化用煤标准的有效方法。

国内外许多专家学者利用了不同现代分析手段, 从其表观形貌、 矿物组成、 键能键角等方面, 进行了添加助熔剂降低煤灰熔融温度及其机理的研究。 李继炳等[5]利用XRD研究了添加助熔剂后煤灰的矿物组成, 与硅铝酸盐矿物生成低温共熔物降低煤灰熔融温度。 Wu等[6]研究三元及多元复杂相图与添加助熔剂后煤灰中矿物转变之间的关系。 李瑞连等[7]利用量子化学计算方法研究了高灰熔点煤添加助熔剂后, 煤气化过程中灰分矿物与助熔剂发生的作用。

X射线光电子能谱(XPS)作为一种表面分析技术, 不仅能探测表面的化学组成, 而且还可以确定各元素的化学状态, 并通过积分峰面积确定其相对百分含量, 样品无需处理等优点, 适用于研究添加助熔剂后煤气化过程中煤灰渣表面官能团特征。 目前利用XPS进行研究的大多是研究煤燃烧过程中碳、 氧、 硫等存在形态及变化规律[8, 9, 10, 11], 对气化过程中相关元素存在形态的研究比较少。 本研究利用XPS测定添加助熔剂后煤气化过程中主要元素(O, Al, Si, Ca, Mg)的存在形态及变化规律, 并结合热力学计算, 对比煤气化过程中相组成的变化, 从而确定矿物结构的变化, 为助熔剂助熔机理提供理论基础。

2 实验部分
2.1 煤样基础分析

选择X煤为原料, 考察钙镁复配助熔剂对煤灰熔融性的影响。 X煤的基础分析如表1, 其煤灰化学组成如表2

表1 X煤的基础分析 Table 1 Basis analysis of X coal
表2 X煤灰成分分析(Wt%) Table 2 Ash composition analysis of X coal (Wt%)

由表中数据可知, X煤灰的硅铝总和(SiO2+Al2O3)大于90%, 硅铝比大于为1.8, 碱性氧化物含量仅为5.64%, 故X煤的灰熔融温度较高, 不适合气化炉液态排渣, 需添加助熔剂降低灰熔点。

根据前期实验研究, 针对X煤样, 在钙镁复配为6%(WCaO/WMgO=1)时, 煤灰熔融温度降低最多, 助熔效果达到最佳。

表3的煤灰特征温度可知, X煤的灰熔融温度较高, 超过1 500 ℃, 不适合气化炉液态排渣, 而添加6%(WCaO/WMgO=1)后流动温度为1 290 ℃, 满足液态排渣气化用煤。

表3 X煤灰特征温度 Table 3 Ash characteristic temperatures of coal samples
2.2 样品制备

采用X煤添加钙镁复配助熔剂6%(WCaO/WMgO=1), 用国标法烧制成灰, 结合高温管式炉模拟气化炉过程, 使用程序升温至1 500 ℃, 在CO:N2=6:4的弱还原性气氛下, 烧制得到不同温度点(1 000, 1 200, 1 290, 1 400, 1 500 ℃)的渣样, 磨成粉末。

2.3 仪器及其参数

实验使用X射线光电子能谱仪, 美国赛默飞世尔科技, 型号为Thermo ESCALAB 250XI, 其仪器参数为: 180° 半球能量分析器; 能量范围: 0~5 000 eV; 单色Al Ka (=1 486.6 eV), 功率150 W; 结合能以C(1s) 284.8校准。

选用热力学软件5.1版本Equilib 模块中的FACT-SLAG数据库, 计算X煤添加钙镁复配助熔剂后的煤灰渣相平衡组成。 气氛设置为弱还原性气氛CO:N2=3:2, 换算为质量比为168:112; 体系压力为1 atm; 计算800~1 500 ℃下的高温灰渣相平衡组成。

3 结果与讨论
3.1 X煤添加6%(WCaO/WMgO=1)煤灰渣的XPS分析

将制备好的样品压片制样, 对不同样测试其X射线光电子能谱, 得到不同温度点的X射线光电子能谱图。 用XPS4.1、 Origin8.5进行数据处理和分析, 对O(1s), Al(2p), Si(2p), Ca(2p), Mg(1s)五种元素进行分峰拟合, 选择Shirley 类型去除基线; 添加峰, 选择峰类型为p; 添加好峰后点击XPS Peak Processing中的Optimise All进行拟合, 将拟合好的数据用Origin8.5制图, 得到如下结果: 图1为X煤添加6%(WCaO/WMgO=1)1 000 ℃时煤灰渣的XPS分析, 表4为五种元素分峰拟合后的峰位置、 半高宽、 面积等。

图1 X煤添加6%(WCaO/WMgO=1)1 000 ℃渣样的XPS分析Fig.1 XPS analysis of X coal adding 6% (WCaO/WMgO=1) of 1 000 ℃ slag sample

表4 X煤添加6%(WCaO/WMgO=1) 1 000 ℃渣样的XPS分析 Table 4 XPS analysis of X coal adding 6% (WCaO/WMgO=1) of 1 000 ℃ slag sample

由图1和表4的数据, 对O(1s), Al(2p), Si(2p), Ca(2p), Mg(1s)五种元素的拟合结果为: 煤渣中的氧主要是无机氧, 主要形态包括非桥氧Si— O— M(其中M为金属阳离子)、 桥氧Si— O— Si以及自由氧M— O— M中的氧, 对应的结合能分别是非桥氧(530± 0.5) eV、 氧化铝(531.1± 0.3) eV、 桥氧(531.8± 0.3) eV、 氧化硅(532.65± 0.3) eV。 其中结合能为(530± 0.5) eV的还有可能是Mg— O或Ca— O中的氧。 通过对每个小峰的面积积分可以得到不同官能团的相对含量。

氧化铝作为一种两性氧化物, 起着连接网络生成体和网络外体之间的桥梁作用。 由标准结合能表可知: 铝氧四面体[AlO4]的结合能约为(73.8± 0.4) eV, 铝氧八面体[AlO6]的Al(2p)结合能约为(74.5± 0.4) eV。 而图1中Al(2p)的谱峰均处于(74± 1) eV之间, 说明煤灰渣中的铝都是以Al2O3的形式存在, 但是有两种不同的配位方式。

煤灰渣的硅主要以硅酸盐的形式存在, 而硅酸盐中硅的存在形态是桥氧硅和非桥氧硅, 其中结合能为(102.4± 0.3) eV的是Si— O, 而(103± 0.4) eV是Si— O2; Ca(2p)电子存在Ca(2p1/2)和Ca(2p3/2)两个自旋分裂峰, 双峰是Ca(2p)的特征现象, 主要是Ca— O结构; Mg(1s)结合能为1 304.3 eV是Mg— O结构。

图2— 图5分别为X煤添加6%(WCaO/WMgO=1) 1 200, 1 290, 1 400和1 500 ℃时煤灰渣的XPS分析, 由于煤灰渣中的钙和镁以Ca— O和Mg— O单一的形式存在, 所以主要对O(1s), Al(2p), Si(2p)三种元素进行分峰拟合, 拟合结果为: O(1s)主要存在形态为非桥氧、 桥氧以及自由氧(Al2O3和SiO2中的氧); Al(2p)的主要存在形态为氧化铝, 有两种不同的配位方式即: 铝氧四面体和铝氧八面体; Si(2p)的XPS分析反映煤灰渣中主要是以硅酸盐的形式存在, 有Si— O和Si— O2两种结构, 因此添加钙镁复配助熔剂后, Ca— O和Mg— O的结构无变化, 主要是影响O, Si和Al的存在形态。

图2 X+6%(WCaO/WMgO=1) 1 200 ℃煤渣的XPS拟合结果Fig.2 XPS analysis of X coal adding 6% (WCaO/WMgO=1) of 1 200 ℃ slag sample

图3 X+6%(WCaO/WMgO=1) 1 290 ℃煤渣的XPS拟合结果Fig.3 XPS analysis of X coal adding 6% (WCaO/WMgO=1) of 1 290 ℃ slag sample

图4 X+6%(WCaO/WMgO=1) 1 400 ℃煤渣的XPS拟合结果Fig.4 XPS analysis of X coal adding 6% (WCaO/WMgO=1) of 1 400 ℃ slag sample

图5 X+6%(WCaO/WMgO=1) 1 500 ℃煤渣的XPS拟合结果Fig.5 XPS analysis of X coal adding 6% (WCaO/WMgO=1) of 1 500 ℃ slag sample

表5和图6分别为XPS测得模拟气化过程煤灰渣在不同温度时元素的含量, 以及模拟气化过程中X煤灰渣含氧官能团、 铝和硅不同结构的变化行为。 由表5可知, 温度低于1 290 ℃时灰渣表面Al和Si的浓度随着温度的升高而增加, 此时, 铝和硅的含量达到最大, 说明在升温过程中铝和硅由物质内部向表面迁移; 1 290~1 400 ℃煤灰渣表面Al和Si的含量降低并逐渐平稳, 表明在1 290 ℃时灰渣生成了共熔物, 矿物逐渐被包裹于熔渣中, 导致表面Al和Si的含量降低, 直至平稳。 钙和镁的含量相对较少, 1 000~1 500 ℃整体出现降低的趋势, 复配助熔剂中CaO和MgO会产生Ca2+和Mg2+, 高温下容易进入莫来石晶格中, 破坏莫来石的结构, 生成钙长石、 镁尖晶石、 镁堇青石、 镁橄榄石等, 出现八元[Si/AlO4]四面体、 [SiO4]四面体、 [AlO4]四面体、 [AlO6]八面体结构。 氧元素的含量较多, 占总元素组成的五分之三左右。 1 400~1 500 ℃时, 五种元素的含量基本不变, 是由于熔渣共熔体的形成。

图6 X+6%(WCaO/WMgO=1)煤灰渣中元素不同结构的含量变化Fig.6 X add 6% (WCaO/WMgO=1) contents changes of different structure in coal ash slag

表5 XPS测得煤灰渣元素组成 Table 5 Elements composition in coal ash slag measured by XPS

图6(a)— (c)分别是不同含氧结构(桥氧、 非桥氧、 自由氧)、 铝氧四面体和八面体结构、 硅的两种结构单元。 由图6(a)可以看出非桥氧的含量低于百分之二十, 1 200 ℃之前非桥氧含量呈现降低的趋势, 在1 200~1 500 ℃时非桥氧的含量是逐步上升的, 而对应的桥氧整体呈下降趋势; 结果显示到1 500 ℃时, 非桥氧含量达到最大, 桥氧含量达到最小, 这种现象解释为: 随着温度的升高, 钙镁复配助熔剂的加入增加了非四次配位的金属阳离子, 促进了桥氧键的断裂, 非桥氧键的生成。 由图6(b)可以看出在1 000~1 200 ℃时X煤灰渣中铝氧四面体的结构呈现大幅度上升, 达到一个最大值, 而相应的铝氧八面体结构达到一个最小值, 这一过程中钙长石的生成促使铝进入四配位, 形成含有Al和Si原子的[Si/AlO4]四面体结构; 而到1 290 ℃时, [AlO4]四面体和[AlO6]八面体结构的含量分别达到最低和最高, 结合表5, 铝元素的含量在1 290 ℃时最高, 可以解释为[AlO4]的电负性对网络结构的影响增大, 为了保证结构的稳定, 部分未转化为[AlO6]。 由图6(c)可知, 在1 000~1 200 ℃时, Si— O含量逐渐降低, Si— O2含量对应增加; 而1 200~1 290 ℃时, Si— O含量逐渐增加; 当温度达到1 500 ℃时, Si— O含量达到最高, Si— O2含量达到最低; Si— O含量的增加会促进Si— O— M的生成, 这与氧中的非桥氧和桥氧的变化相对应。

X煤添加钙镁复配助熔剂, 其中Ca2+和Mg2+会进入莫来石晶格中, 破坏莫来石的结构, 即破坏Si— O共价键, 并且Ca2+和Mg2+会与非桥氧结合生成SiO2链, 且Ca2+和Mg2+易与生成的[AlO4]-, [AlO6]-以及[SiO4]-结合, 生成钙长石、 镁橄榄石、 镁尖晶石、 镁堇青石等低熔点矿物, 从而导致煤灰熔融温度降低。

3.2 X煤添加6%(WCaO/WMgO=1)煤灰渣的热力学计算

图7为X煤添加6%(WCaO/WMgO=1)煤灰渣的高温相平衡组成, 表示随着温度的升高, 煤灰渣中各种矿物相对含量的变化; 以及煤气化过程中, 液态渣的变化过程。

图7 X+6%(WCaO/WMgO=1)煤灰渣的高温相平衡组成Fig.7 The high temperature phase equilibrium composition of X coal adding 6% (WCaO/WMgO=1) ash

从图中可以看出: 煤灰渣在800~1 500 ℃时, 主要由钙长石、 钙黄长石、 橄榄石、 镁堇青石等相平衡组成。 800 ℃时, 煤灰渣中存在的主要矿物是钙长石、 镁堇青石、 镁橄榄石、 钙黄长石、 硅酸镁, 随着温度的升高, 钙黄长石、 镁堇青石、 橄榄石分别在1 100, 1 250和1 300 ℃后便消失不见; 在1 000~1 200 ℃时, 钙长石和镁堇青石的大量存在导致[Si/AlO4]-结构多, 与XPS分析结果相符, 在1 100~1 300 ℃时, 液相熔渣与镁橄榄石、 钙长石、 镁堇青石共存, 低温下含镁矿物镁堇青石、 黄长石和橄榄石首先发生共熔; 随着温度的升高, 钙长石的含量在1 200 ℃时骤减, 而液态渣含量骤增, 主要是由于钙长石与镁橄榄石、 镁堇青石等镁质矿物发生低温共熔, 这是钙镁复配在降低煤灰熔融温度方面较为显著的主要原因, 这与XPS分析X煤添加6%(WCaO/WMgO=1)后煤渣中矿物结构的变化相一致。

4 结 论

(1)利用XPS对高灰熔点X煤添加6%(WCaO/WMgO=1)助熔剂后, 模拟气化炉气化过程中Al, Si, O, Ca和Mg五种元素进行研究, 煤灰渣中铝主要以Al2O3的形式存在, 分为[AlO4]四面体结构和[AlO6]八面体结构; 氧主要是以桥氧、 非桥氧、 自由氧三种形式存在; 硅主要以硅酸盐形式存在, 包括与桥氧链接的硅和与非桥氧链接的硅两种结构; 钙和镁主要以Ca— O和Mg— O的形式存在。

(2)钙镁复配助熔剂的加入是通过作用在铝氧四面体、 铝氧八面体和硅氧四面体结构上, 促进桥氧键的断裂, Ca2+和Mg2+碱土金属离子破坏莫来石晶格, 促进SiO2链断裂, 与非桥氧离子结合, 生成钙长石、 镁橄榄石、 镁尖晶石、 镁堇青石等低灰熔点矿物, 容易发生低温共熔, 能够有效的降低煤灰熔融温度。

The authors have declared that no competing interests exist.

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