硅铝比对CaO-SiO2-Al2O3熔体微观结构的影响分析

煤灰的酸碱比和硅铝比是影响煤灰特性的关键因素。在煤中加入添加剂或采用混煤等方法,改变煤灰硅铝比来调节煤灰的熔融特性,是改善煤高温转化过程中带来灰渣问题的重要手段。为了分析硅铝比变化对煤灰体系微观结构产生的影响,得出宏观性质改变的理论机理,基于第一性原理在1 600℃下模拟计算了CaO-SiO_2-Al_2O_3体系中SiO_2/Al_2O_3从0.5升至3.1时,径向分布函数(RDF)、平均配位数(CN)、聚合度、氧的分布等微观结构的变化规律。结果表明:SiO_2/Al_2O_3从0.5增至3.1时,Si—O有稳定的四配位结构且平均键长为1.61×10~(-10) m; Al—O的平均键长为1.75×10~(-10) m, Al—O配位较为稳定,且配位数随着硅铝比的增加而降低,合成煤灰硅酸盐体系中Si、Al为网络形成体。随着SiO_2/Al_2O_3从0.5增至3.1时,Q~4、Q~5逐渐减少,生成聚合度低的Q~2、Q~3,其中Q~4、Q~5分别降低23%、10%左右,Q~3、Q~2分别升高14%、11%左右。大量SiO_4]~(4-)和AlO_4]~(5-)被破坏,煤灰体系的聚合度降低,无序性升高,网络结构被破坏,导致煤灰熔融性降低。随着体系硅铝比的增加,O_t和O_b含量逐渐降低,O_(nb)含量增加显著,其中,O_b、O_t含量分别降低7%、13%左右,O_(nb)含量升高18%左右。体系网络结构遭到破坏变得松散,疏松的网络结构导致体系硅酸盐网络在高温下更易塌陷和瓦解,宏观表现为煤灰的熔融温度降低,更易产生低温共熔体。