用于碳封存和防止煤燃烧的粉煤灰-碳化钙渣灌浆材料

时间：2026年3月27日

来源：Fuel

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二氧化碳封存与煤自燃抑制的矿渣基浆料研究：通过飞灰和碳化钙渣复合体系正交实验优化浆料配方，发现水玻璃模数1.5、碳化钙渣含量80%、表面活性剂SDBS添加量1%时实现最佳碳封存效率（4.14 mol/kg）和流体性能。微观结构分析表明碳化生成的CaCO3-凝胶复合层可降低孔隙率（总孔容减少18.7%）、抑制氧气扩散（渗透率降低62.3%），并使煤氧化活化能提升至92.3 kJ/mol，有效将自燃峰值温度从494.96℃降至456.77℃。该技术为矿渣资源化利用和矿井火灾防控提供新策略。

姚路|吴丹宁|卢伟|齐冠生|齐英焕|杨英迪|廖长龙|王长祥

安徽科技大学深部煤炭资源安全开采与环境保护国家重点实验室，中国淮南232000

摘要

为了解决矿区煤炭自燃问题并促进工业固体废物的利用，本研究采用粉煤灰和电石渣制备了一种具有碳封存功能的灌浆材料。通过正交实验结合多目标满意度函数，优化了该材料的二氧化碳封存能力、浆体流动性、泌水率和凝固时间。实验结果表明，碳化行为主要受电石渣含量的影响；而浆体流动性和凝固特性则受水玻璃模量的控制。最终确定的最佳配方为：水玻璃模量1.5、水玻璃含量15%、电石渣含量80%、SDBS添加量1%以及水固比为0.70。微观结构分析显示，碳化作用有效地将含钙活性相转化为稳定的碳酸盐和凝胶产物，Ca(OH)₂转化率为77.88%，相应的二氧化碳封存能力为4.14摩尔/千克。碳化处理显著改变了煤炭的氧化行为：主要燃烧峰温度从494.96°C降至456.77°C，最大质量损失率从11.12%/分钟降至6.97%/分钟；临界着火温度上升了约20°C，同时CO和CO₂的排放量减少，表观活化能增加。孔结构和表面分析表明，碳化作用形成了致密的CaCO₃-凝胶复合层，减少了总孔体积和中孔含量，从而通过物理和化学耦合效应抑制了低温下的煤炭氧化。这些发现表明，大规模利用工业固体废物进行碳化处理具有提升煤炭热稳定性和防火性能的实际潜力，为更安全的煤炭开采提供了一种可扩展且低碳的策略。

引言

作为主要的高碳能源，煤炭支撑着全球的能源生产，同时也导致了大量的二氧化碳排放和固体废物积累。采空区剩余的煤炭在开采过程中极易发生自燃，带来严重的安全和环境风险。在中国，采空区的面积已达数百万公顷[1]，[2]，煤炭氧化和自热现象长期限制了可持续开采。在国家“双碳”目标的背景下，实现采空区二氧化碳减排、固体废物资源化以及火灾风险控制是一个关键挑战[3]，[4]。利用采空区作为二氧化碳碳化和储存场所，通过注入基于固体废物的矿化灌浆材料已成为应对这些挑战的有效策略。

基于碳化的灌浆技术已被证明是一种有效的解决方案。例如，CO₂-矸石-胶凝材料复合体系具有较高的孔隙率和显著的碳固定潜力[5]；相关研究还探讨了二氧化碳储存途径、密封方法以及接近零排放的技术[6]，[7]，[8]。在多个现场对喷射混凝土和尾矿进行的评估证实了大规模碳化的可行性[9]，[10]，[11]。通过优化颗粒尺寸、控制施加的压力和温度以及添加化学添加剂（如Na₂CO₃、NaHCO₃或MDEA）[12]，[13]，[14]，[15]，[16]，可以进一步提高碳化效率。此外，微波固化、超声波处理、pH值调节和微纳米气泡技术等先进方法也有助于提升二氧化碳的封存效果[17]，[18]，[19]，[20]，[21]，[22]。

尽管取得了这些进展，但灌浆浆体在碳化过程中的微观结构变化及其对煤炭自燃的影响仍不完全清楚。碳化产物不仅提供了简单的涂层保护，还通过改变孔隙连通性、限制氧气扩散以及提高煤炭氧化的表观活化能来增强防火性能[23]，[24]，[25]。凝胶网络中的结合水通过吸热脱水作用进一步吸收热量和保持水分，从而在低温氧化过程中减缓热积累[26]。这些微观结构和化学效应共同构成了设计综合二氧化碳封存和防火灌浆材料的基础。

传统的基于水泥的灌浆材料虽然应用广泛，但能耗和碳排放较高[27]。由粉煤灰和其他铝硅酸盐废弃物制备的碱活化地质聚合物形成了三维Si–O–Al凝胶网络，降低了熟料依赖性，并实现了有利于二氧化碳传输和碳化的可调结构[28]，[29]。电石渣作为乙炔生产的副产品，具有较高的钙反应活性，有助于快速实现二氧化碳封存[30]。然而，控制Ca²⁺的释放和保持浆体的工作性能仍面临挑战[31]，这可能导致过早凝固、流动性下降以及泵送和注入性能受损。将电石渣与粉煤灰结合使用，可以控制Ca²⁺的释放并优化结构，从而同时提高碳化效率和机械稳定性。阴离子表面活性剂（如十二烷基苯磺酸钠SDBS）能够进一步改善颗粒分散性、浆体流变性和界面反应性，促进致密均匀的矿物-凝胶复合体的形成[32]，[33]，[34]。

总之，采空区的二氧化碳碳化已成为煤炭和金属采矿领域实现绿色低碳转型的关键方向。然而，以往的研究尚未充分阐明碳化过程中灌浆浆体的微观结构变化及其对煤炭自燃的影响，这限制了其在工程应用中的指导作用。此外，现有的碳化增强方法在复杂性和长期成本方面存在实际限制。因此，亟需开发低成本、高效率的碳化材料系统。基于此背景，本研究采用粉煤灰和电石渣作为主要固体废物成分，开发了一种新型二氧化碳碳化灌浆材料。通过正交实验评估了关键因素对碳封存和流动性行为的影响，并通过XRD、FTIR、SEM和TG–DTG分析阐明了碳化机制及其在抑制煤炭自燃中的作用。这些发现为采空区的二氧化碳碳化和火灾风险控制提供了技术指导。

原材料与表征

粉煤灰（F级，SiO₂ ≥ 55%，Al₂O₃ ≥ 31%）、电石渣（CaO ≥ 92%）、硅酸钠（Na₂SiO₃，模量3.3，分析级）、十二烷基苯磺酸钠（SDBS，≥ 99%）、氢氧化钠（NaOH，≥ 96%，分析级）和去离子水由江苏友硕化工科技有限公司（上海）提供。这些材料用于制备碳化灌浆浆体，整个实验流程如图1所示。