微波辐照活化未燃煤矸石试验研究

[摘要]文章以微波辐照为主题，探讨微波辐照活化未燃煤矸石的试验问题。首先结合微波辐照对其进行了简要概述。主要以我国新疆地区的未燃煤矸石为例，分析了常规煅烧活化未燃煤矸石的机理。重点介绍了微波辐照的特征以及活化机理，并以此为基础，提出了具体的试验方案。

[关键词]微波辐照；活化；未燃煤；矸石试验

[DOI]1013939/jcnkizgsc201623075

随着工业发展与现代化的初步完成，我国在煤炭需求方面不断增加，而这种消费也加剧了资源与能源的紧缺，为了解决这些问题，要求不断从技术与资源利用方面入手，解决实际中存在的资源与能源利用问题，也要不断增加对废弃物的利用技术研究；以煤矸石为例，它的利用价值较高，但是由于露天堆放，往往会形成分解与风化，并产生严重的危害，为了解决污染并提升利用价值，可以通过锻烧与微波辐照的方法实现对这些资源的再利用。

1概述

在微波辐照活化未燃煤矸石的试验研究中，可以通过将常规锻炼技术、微波辐照技术并列放置，并在设置相同的试验条件下，进行可行性分析，并对其理论方面的特征、机理等进行证实；另外，通过这种比较性试验及研究可以更好的选择出最佳的设计方案，并将两种方法中不同的缺陷与优点暴露出来，进行一些弥补措施的探讨。因此，本文就按照这种比较研究方法，通过对两种不同方法下的活化未煤矸石试验来说明微波辐照活化方面的相关问题，并给出最后的实验结论，以供探讨。

2微波辐照及其机理分析

首先，从概念方面看，就是利用微波辐照的方法对未燃煤矸石进行处理，使其得到充分利用。与传统的煅烧活化相比，这种方法加热速度更快、而且选择性强，能够达到节能高效、减少污染的目的，最重要的是操作简单便于控制、自动化程度高。此外，微波属于电磁波，它的波长范围为1～1000mm，电子能级可达到4×10-6～12×10-3ev；传播速度为1：（u0=4π*10-7H/M， ε0=8854×10-2F/M）；关键在于微波能量的吸收与能量间的转化。为了明晰可以通过对各种加热方式的热效率进行比较，具体如下表所示。

各种加热方式的热效率（%）加热方式微波电热膜电热丝煤气炉煤火炉热效率90～9585～9055～6350～5530

其次，未燃煤矸石属于高领石，它的化学式为Al2O3SiO2H2O，主要是由硅氧四面体层、铝氧八面体层以1∶1的比例型层状硅酸盐矿物构成，从结构单层方面分析，一致性相同，且以氢键进行联结，无其他离子，也没有水，也就是说，在脱羟基后可以保持其本身的层状结构，但是错位非常明显，会形成偏高岭石，且结晶度较差，具备火山灰性质。

再次，活化的意思就是命名其中的铝配位数发生改变，比如从6到4的变化，从6到5的变化。传统的锻烧方法是通过温度的控制来达到脱水与分解效果，温度一般为550℃～700℃、800℃～900℃，在不同的温度下会产生不同的结果，在前一个温度范围内主要是形成偏高岭石，在后一种温度下形成脱水性的偏高岭石；但是当其温度达到1050℃或高出这个范围之后，又后降低活性，从而形成莫来石晶体。所以说常规的煅烧主要是以热源传导、对流、辐射方式增加热传导完成加工。特点体现在速度慢、会形成二次污染、且效率低、生产成本较高。

最后，为了解决这些问题可以通过微波辐照的方式来达到需要的效果。从微波辐照活化未燃煤矸石的机理方面分析，主要的变相过程集中体现为高岭石―偏高岭石―硅铝尖晶石―莫来石；与传统方法相比，速度可以提升到4到12倍，温度也会下调200℃之多。具体来看，就是在受热后煤矸石分解而形成水与碳，然后经过氧化放热反应达到脱羟基反应，最后生成偏高岭石，脱去固定碳与有机质，只剩下颗粒，然后转化成铝硅尖晶石与莫来石晶型类似结构。

3试验方案的设计

首先，需要对煤矸石的热活化因素展开分析，从而确定辐照时间这个关键因素，通常情况下，我国新疆地区的未燃煤矸石试验结果表明，微波辐照的时间、细度、形态、冷却方式等都是相关因素，所以，在具体的微波辐照活化过程中，需要先确定实验的整体方案与相关因素；然后再按照这些因素进行步骤设置，本次研究中的步骤为原矿分析―活化煤矸石―煤矸石水泥性能测定，以此构成整个煤矸石的活化流程。需要说明的是在水泥性能测定方面，由于煤矸石颗粒在急冷状态下未能构成晶体，所以，大量热能会发生转化，表现为化学能形式并成为玻璃体，而这些玻璃体会与水泥水化释放能量，因此在传统的燃烧过程中，往往会形成水泥中的部分水化产物的二次反应，从而以宏观活性进行表达；为了更清晰起见，需要在这个步骤或流程中对两者进行一个细致的比较，从而对煤矸石的水泥性能做出相应的测定。具体的流程如下图所示。

试验流程

其次，通过这种比较试验的方式，就可以明显地将微波辐照与常规煅烧方法所得的结果进行一个综合分析，然后根据相同条件的设置得出优势与劣势总结；再进行活化煤矸石掺入水泥进行水泥技术性质测定，这样就可以突出地将微波辐照活化未燃煤矸石的试验表现出来，从而得出最后结论。本次实验研究的结果表明，可以证实上述所说的特点，即与传统的煅烧方法相比，微波辐照在同样的条件下，加热速度更快，而且能够使时间控制到10-9到10-10s数量级，与温固相法比较快了15到20倍；而且可以进行透明型、全反射型物质的选择性加热，从而排除了不能加热的物质，只将温度集中于吸收型物质方面，效果更好；再一个就是它能够减少二次污染的可能性，既高效又节能，而且能够将材料的致密化速度提高，并减少辐照时间，提高热效率。两种方法比较，微波辐照的操作更加简单，而且在控制方面能够以自动化的控制达到最终的活化目标。

4结论

经过对常规锻炼、微波辐照方面的活化机理比较，可以认识到微波辐照的均匀度更高、可以对更细微的地方深入，而且它的特点也集中于高效节能、低温快速等方面，最重要的是可控制性强、污染小，也符合目前节能减排的需求。通过这种方法活化未燃煤矸石能够达到较好的经济效益、社会效益，并给资源的充分利用提供更好的途径。因此，应该不断加强对这方面的研究，并且通过在这种技术上的创新与突破性研究来提升活化水平，带动资源的再利用项目发展，从而为资源能源的节约与利用提供更好的支持。

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