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改性镁渣的湿法碳酸化工艺

化工进展 2024年第4期43卷 2161-2173页

作者：孙伟吉刘浪方治余朱梦博解耿何伟高宇恒西安科技大学能源学院陕西西安710054 西安科技大学矿山功能性充填技术研究中心陕西西安710054

碱基工业固废的碳酸化反应是一种矿化吸收CO_(2)并减少温室气体排放的固碳策略之一。本研究首次引入湿法碳酸化工艺,通过借助X射线衍射、红外光谱测试、热重分析等实验测试,重点探究了温度变化、搅拌速度、碳酸化时间和液固比例对改性... 详细信息

碱基工业固废的碳酸化反应是一种矿化吸收CO_(2)并减少温室气体排放的固碳策略之一。本研究首次引入湿法碳酸化工艺,通过借助X射线衍射、红外光谱测试、热重分析等实验测试,重点探究了温度变化、搅拌速度、碳酸化时间和液固比例对改性镁渣碳酸化反应的影响,进而讨论了4种因素下改性镁渣的碳酸化产物与固碳效率。结果表明,改性镁渣的矿物成分主要以β-C_(2)S为主,是一种具有良好储存CO_(2)能力的工业固废,碳酸化产物主要以方解石型碳酸钙晶体和二氧化硅凝胶为主。碳酸化反应后,改性镁渣碳酸化产物的粒径显著增大,比表面积减小,粒径分布变均匀,粒径分布范围变窄。当碳酸化反应温度为60℃、通气时间为30min、液固比为10mL/g、搅拌速度为600r/min时,改性镁渣的固碳效率达到最大(28.4%),即1kg改性镁渣可以矿化吸收0.284kg CO_(2)。因此,湿法碳酸化工艺对改性镁渣的回收利用及CO_(2)捕集均具有很大的应用潜力。

关键词：二氧化碳捕集多相反应废物处理湿法碳酸化固碳效率

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液固比、成型压力和碳化时间对镁渣碳化性能的影响

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应用基础与工程科学学报 2024年第5期32卷 1374-1393页

作者：孙伟吉刘浪方治余朱梦博何伟高宇恒西安科技大学能源学院陕西西安710054 西安科技大学矿山功能性充填技术研究中心陕西西安710054

镁渣是一种碳化后具有高力学性能和CO_(2)储存能力的工业固废.目前,针对镁渣碳化方面的研究相对较少.探究了液固比、碳化时间和成型压力对镁渣碳化性能的影响,重点讨论了3种条件下镁渣试块的碳化程度与固碳效率.通过压力测试、热重分析... 详细信息

镁渣是一种碳化后具有高力学性能和CO_(2)储存能力的工业固废.目前,针对镁渣碳化方面的研究相对较少.探究了液固比、碳化时间和成型压力对镁渣碳化性能的影响,重点讨论了3种条件下镁渣试块的碳化程度与固碳效率.通过压力测试、热重分析、X射线衍射、红外光谱、扫描电镜和压汞分析等试验测试,对碳化试块的力学性能、碳化产物、矿物成分以及微观形貌进行表征.结果表明:(1)镁渣在高浓度CO_(2)湿润环境下,其自身含有的矿物主相γ-硅酸二钙(γ-C_(2)S)能快速反应生成碳酸钙晶体和聚合度较高的二氧化硅凝胶,形成类似于水化硅酸钙凝胶结构,提升碳化镁渣试块的力学性能.(2)碳化镁渣试块的力学性能与固碳效率均随液固比、成型压力、碳化时间的增加而增加.(3)当液固比为1∶4、成型压力为30MPa、碳化时间为12h时,碳化镁渣试块的抗压强度高达69.7MPa,固碳效率达到10.9%.由此可知,碳化养护可以将镁渣转化为高力学性能的新型储碳材料,这也为镁渣的资源化利用和矿化封存CO_(2)提供了新思路.

关键词：碳化镁渣液固比成型压力碳酸化反应碳酸钙晶体

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镁渣的改性及其在矿山充填领域的应用探索

煤炭学报 2021年第12期46卷 3833-3845页

作者：刘浪阮仕山方治余侯东壮张波孙伟吉西安科技大学能源学院陕西西安710054 西安科技大学地质与环境学院陕西西安710054 西安弗尔绿创矿业科技有限责任公司陕西西安710054

随着全球镁行业的快速发展,以皮江法为主的炼镁过程中产生大量冶炼废渣(镁渣)不断堆积,对环境的威胁与日俱增。如何大规模无害化处理镁渣,并实现镁渣的资源化利用,对推进金属镁行业的发展和环境的保护至关重要。通过总结镁渣的基本特性... 详细信息

随着全球镁行业的快速发展,以皮江法为主的炼镁过程中产生大量冶炼废渣(镁渣)不断堆积,对环境的威胁与日俱增。如何大规模无害化处理镁渣,并实现镁渣的资源化利用,对推进金属镁行业的发展和环境的保护至关重要。通过总结镁渣的基本特性和应用现状,分析了镁渣的膨胀和胶凝特性机理。鉴于镁渣活性低,大多数镁渣的应用常常配合粉磨、急冷和添加激活剂等激活方式,但是仍然没有根本解决镁渣活性低和膨胀的问题。因此,提出了使用化学稳定剂对镁渣进行改性处理,阐明了改性原理和改性过程,并通过室内试验和工业试验成功获得了一种改性镁渣(MMS)。MMS呈完整球团状,硬度高且性质稳定,富含β-Ca_(2)SiO_(4),具有良好的水化活性。在此基础上,研究使用MMS混合粉煤灰作为胶凝剂,并以风积沙为骨料制备了一种新型膏体充填材料(MFPB),发现MFPB具有良好的基本性能。其中,MFPB的mini-坍落度值在127~141 mm,28 d强度可达5.249~7.491 MPa,并且具有良好的环境稳定性。基于以上理论和试验研究,在麻黄梁煤矿开展了工业试验,将MFPB用于井下充填,井下28 d取心平均强度可达6.23 MPa。如将该技术推广,不仅能把镁渣、粉煤灰等固废进行大规模产业化处理,还可大幅度降低矿山充填的成本。

关键词：镁渣改性矿山充填环境固废处理

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改性镁渣基矿用复合胶凝材料的水化性能

中南大学学报（自然科学版） 2022年第10期53卷 4057-4070页

作者：孙伟吉刘浪徐龙华方治余阮仕山侯东壮西安科技大学能源学院陕西西安710054 西安科技大学矿山功能性充填技术研究中心陕西西安710054 西南科技大学固体废物处理与资源化教育部重点实验室四川绵阳621010 西安科技大学地质与环境学院陕西西安710054

为了实现镁企业镁渣固废和燃煤电厂粉煤灰低成本绿色充填、安全处置和资源化利用,采用改性镁渣(MMS)与粉煤灰(FA)复掺制备矿山充填胶凝材料(MSCM)替代硅酸盐水泥。首先分析MMS与FA的物化性能,然后通过微量热法、X射线衍射试验、红外光... 详细信息

为了实现镁企业镁渣固废和燃煤电厂粉煤灰低成本绿色充填、安全处置和资源化利用,采用改性镁渣(MMS)与粉煤灰(FA)复掺制备矿山充填胶凝材料(MSCM)替代硅酸盐水泥。首先分析MMS与FA的物化性能,然后通过微量热法、X射线衍射试验、红外光谱试验、热重试验、单轴抗压强度和扫描电镜试验等对MSCM的微观结构、水化性能和宏观强度进行分析。研究结果表明:MMS与FA复掺的最佳质量比为4:1(FA20试样),养护3 d和28 d的抗压强度分别为1.50 MPa和5.64 MPa,分别比改性镁渣净浆试样高57%和21%。MSCM的水化产物主要为C-S-H凝胶、ettringite和Ca(OH)_(2)。随水化反应的进行,水化产物数量显著增多,相互交错,紧密团聚,使其内部微观结构更加密实,且ettringite由水化初期的针状逐渐转变为棒状,更有助于试样机械性能的提升。掺加FA对MSCM的水化具有显著影响,可有效缩短MSCM在水化加速阶段的反应时间,提高整体水化反应速率。这也是MMS与FA中的Al_(2)O_(3)、SiO_(2)等氧化物共同水化反应的结果。

关键词：改性镁渣水化特性协同反应复合胶凝材料

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矿山充填技术的演进历程与基本类别

金属矿山 2021年第3期50卷 1-10页

作者：刘浪方治余张波王美邱华富张小艳西安科技大学能源学院陕西西安710054 教育部西部矿井开采及灾害防治重点实验室陕西西安710054

充填采矿技术是实现矿山绿色发展的重要技术载体,在历时几十年矿山实践中有了长足发展。在综述常规矿山充填技术发展历程和基本类别的基础上,提出以矿山充填、固废处置、采空区再利用、地热开发、战略资源储备和智能控制等为协同发展目... 详细信息

充填采矿技术是实现矿山绿色发展的重要技术载体,在历时几十年矿山实践中有了长足发展。在综述常规矿山充填技术发展历程和基本类别的基础上,提出以矿山充填、固废处置、采空区再利用、地热开发、战略资源储备和智能控制等为协同发展目标,以充填能效为发展主线,将矿山充填技术演进历程划分为体积性充填、结构性充填、功能性充填和智能性充填4个阶段,分别从概念、功能和基本类别等进行了论述。认为目前矿山充填发展阶段为结构性充填,随着矿山生产实践与科学技术的不断发展,功能性充填和智能性充填将成为矿山充填发展的新方向,进一步革新充填材料、充填工艺和充填装备,将对深地矿产资源开发与未来矿山转型升级等产生重要而又深远的影响。

关键词：矿山充填演进历程体积性充填结构性充填功能性充填智能性充填

一种无胶凝材料的充填材料:碳化养护镁渣基全固废充填材料

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Journal of Central South University 2024年第5期31卷 1507-1525页

作者：高宇恒刘浪方治余何伟张波朱梦博杨鹏宇刘智振刘东升 Energy School Xi'an University of Science and TechnologyXi’an 710054China Key Laboratory of Western Mines and Hazards Prevention Ministry of Education of ChinaXi’an 710054China School of Architecture and Civil Engineering Xi'an University of Science and TechnologyXi’an 710054China Yulin Taifa Xiang Mining Co. Ltd.Yulin 719004China

针对全球CO_(2)排放急剧增长和矿山充填材料(水泥)成本高昂两大问题,本研究提出将煤矸石(CG)、镁渣(MS)与粉煤灰(FA)混合,并通过碳化养护制备一种不使用胶凝材料的充填材料的新方法,制备出了两种高强度、低成本、可固碳的镁渣基全固废... 详细信息

针对全球CO_(2)排放急剧增长和矿山充填材料(水泥)成本高昂两大问题,本研究提出将煤矸石(CG)、镁渣(MS)与粉煤灰(FA)混合,并通过碳化养护制备一种不使用胶凝材料的充填材料的新方法,制备出了两种高强度、低成本、可固碳的镁渣基全固废充填材料(CG-MS (CM))和(CG-MS-FA (CMF))。通过单轴抗压强度(UCS)、X射线衍射(XRD)、热重-差热分析(TG-DTG)、压汞(MIP)等试验方法,探究不同养护龄期、不同MS、FA含量对CM和CMF碳化性能的影响。结果表明:碳化养护显著提升了CM和CMF的早期强度,7 d时断裂面在酚酞指示剂下变为无色,达到完全碳化程度。当碳化养护7 d后,CM和CMF的抗压强度达到7.048 MPa和8.939 MPa,比标准养护增长了25.2倍和29.4倍,且CM的抗压强度随着MS含量增加而提升,CMF的抗压强度随着FA含量增加先提升后降低。碳化产物的填充作用使得CM和CMF的微观结构更加致密,同时改善了孔径分布,降低了累计孔隙体积和总孔隙率,促进了强度性能的提升。另外,通过此种碳化养护方式,CM和CMF最高可吸收16.34%的CO_(2)。因此,本研究证实了该方法不仅可以制备出一种不使用胶凝材料的CM和CMF,还可以为固废处置、低成本充填、CO_(2)封存相结合提供一种新的路径。

关键词：碳化养护矿山充填镁渣抗压强度微观结构 CO_(2)封存

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“双碳”目标下煤炭绿色低碳发展新思路

煤炭学报 2024年第1期49卷 152-171页

作者：王双明刘浪朱梦博申艳军师庆民孙强方治余阮仕山何伟杨潘王建友西安科技大学煤炭绿色开采地质研究院陕西西安710054 西安科技大学能源学院陕西西安710054 长安大学地质工程与测绘学院陕西西安710054 西安科技大学地质与环境学院陕西西安710054 西安弗尔绿创矿业科技有限责任公司陕西西安710024

在“双碳”目标背景与当前技术条件下,“煤”“废”“碳”构成了煤炭的“不可能三角”,严重制约着煤炭行业的绿色低碳可持续发展。秉持“以废治废”“从哪里来到哪里去”的原则,着眼“煤”的减损化开采、“废”的功能化利用、“碳”的... 详细信息

在“双碳”目标背景与当前技术条件下,“煤”“废”“碳”构成了煤炭的“不可能三角”,严重制约着煤炭行业的绿色低碳可持续发展。秉持“以废治废”“从哪里来到哪里去”的原则,着眼“煤”的减损化开采、“废”的功能化利用、“碳”的低碳化处置三维视角,探索“煤”“废”“碳”协同发展路径,为破解煤炭“不可能三角”和推动煤炭绿色低碳发展提供全方位解决方案。具体包括:①阐明了“煤”的减损化开采科学内涵,明确了生态脆弱区含(隔)水层空间组合特征、采煤减损技术应用下的覆岩移动规律和覆岩采动损伤下的地表变形规律等减损化开采科学问题,提出了面间煤柱“掘-充-留”一体化、窄条带式充填开采和综采架后充填开采等减损化开采技术;②阐明了“废”的功能化利用科学内涵,明确了固废功能化利用的科学问题,包括镁-煤基固废原材料改性方法与机理、多元固废协同作用机制、全固废充填材料性能调控理论3个方面,形成了以固废原材料改性、固废基胶凝材料研发、全固废充填材料制备为核心的固废功能化利用关键技术体系;③阐明了“碳”的低碳化处置科学内涵,提出了“碳”的低碳化处置科学实践框架和实施路径,厘清了在“碳”的低碳化处置过程中关于矿化材料制备、封存空间构筑、CO_(2)封存机理与调控、CO_(2)封存长期环境效应和储库稳定性等方面的科学问题,明确了碎胀空间CO_(2)封存、煤矿CO_(2)固碳充填等关键技术,形成了利用煤矿采空区实现CO_(2)低碳封存的新模式。立足煤炭绿色低碳可持续发展,协同推进“煤”的减损化开采、“废”的功能化利用与“碳”的低碳化处置,对推动煤炭行业“双碳”目标实现具有重要意义。

关键词：绿色低碳减损化开采功能化利用低碳化处置

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煤矿充填固碳理论基础与技术构想

煤炭科学技术 2024年第2期52卷 292-308页

作者：刘浪方治余王双明高过斌张波赵玉娇朱梦博刘志超王晶钰周静李艳王美张小艳 ZHOU Song 贾奇锋西安科技大学能源学院陕西西安710054 西安科技大学煤炭绿色开采地质研究院陕西西安710054 西安科技大学地质与环境学院陕西西安710054 国能锦界能源有限责任公司陕西榆林719300 武汉理工大学材料科学与工程学院湖北武汉430070 西安财经大学商学院陕西西安710100 CSIRO Energy 10 Murray Dwyer CctMayfield West NSW 2304

在国家“双碳”目标背景下,如何减少煤炭行业的碳排放、实现碳封存已成为亟待解决的难题。煤炭行业作为高碳化石能源生产者和主体碳排放源提供者,在生产和消费过程中引发的大宗固废堆存、大型采空区形成和大量CO_(2)排放是制约煤炭可持... 详细信息

在国家“双碳”目标背景下,如何减少煤炭行业的碳排放、实现碳封存已成为亟待解决的难题。煤炭行业作为高碳化石能源生产者和主体碳排放源提供者,在生产和消费过程中引发的大宗固废堆存、大型采空区形成和大量CO_(2)排放是制约煤炭可持续开发利用与绿色健康发展的瓶颈所在。为协同解决二氧化碳封存与矿山固废消纳问题,将大宗固废处置、固废高值化利用、CO_(2)封存、采空区利用有机结合,提出了二氧化碳充填的理念,从碳汇能力评估角度界定了二氧化碳充填的3种类型。具体开展工作包括:①分析了CO_(2)充填料浆输运过程和矿化反应过程涉及到的基础理论,给出了各个过程的数学方程以及碳封存量计算公式,指出了温度、湿度等因素对矿化反应机理、碳封存量和充填体强度的影响规律。②总结了现阶段CO_(2)矿化的工艺方法、主要碱性工业固废的CO_(2)封存能力和CO_(2)矿化强化措施。在此基础上提出了基于直接湿法矿化和间接矿化的2种CO_(2)充填材料制备工艺,满足矿井充填的流动性、凝固特性和强度要求。③针对CO_(2)充填过程中的CO_(2)物理封存问题,提出了窄条带式胶结充填和综采架后胶结充填2种技术路径,前者通过在弱充填条带中构筑多贯通孔隙的充填体CO_(2)物理封存,后者借助充填支架和链式自行充填挡板在长壁工作面采空区中间断构筑充填带,控制顶板垮落,形成CO_(2)物理化学封存空间。④为了评估CO_(2)充填的碳平衡效果,依据全生命周期法界定了CO_(2)充填中碳足迹及碳消纳的计算边界。然后,梳理了CO_(2)充填过程中的碳足迹及碳消纳,分别考虑了CO_(2)的来源、用量、损耗、转化等因素。给出了包括原料运输、充填料浆制备、井下注入与充填等过程中的碳足迹及碳消纳计算方法。研究成果有望降低CO_(2)封存的能耗及成本,对煤炭绿色开采及其可持续开发利用具有深远的意义。

关键词： CO_(2)封存间断充填充填固碳碳足迹碳消纳

基于不确定损失、管理者声誉以及纯利他的邻避补偿机制研究

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系统工程理论与实践 2025年第1期45卷 144-159页

作者：余刘凯郑君君夏正伟武汉大学经济与管理学院新加坡国立大学亚太物流研究所武汉大学信息管理学院武汉大学信息中心

有效应对邻避效应是新时代社会治理与民主制度建设的紧迫议题,补偿作为消除负外部性与调节利益失衡的有效手段,是邻避治理的重要政策工具.本文考虑居民心理损失的不确定性与管理者声誉波动,提出基于利益共享机制的邻避补偿策略.通过刻... 详细信息

有效应对邻避效应是新时代社会治理与民主制度建设的紧迫议题,补偿作为消除负外部性与调节利益失衡的有效手段,是邻避治理的重要政策工具.本文考虑居民心理损失的不确定性与管理者声誉波动,提出基于利益共享机制的邻避补偿策略.通过刻画不确定损失对管理者决策的影响,本文引入声誉波动函数,构建双层规划模型探究最优利益共享机制.结论强调了利益共享机制与不同类型邻避设施的适配性,共享总正外部性实现的补偿方式能有效促使管理者的决策兼顾社会整体利益与周边居民利益;同时,分析揭示了利益共享机制将引发管理者声誉提升与总补偿额提高、激励效果提升之间的冲突,当面对高正外部性效应设施与极端心理损失居民时,管理者对高声誉的追求是不明智的;此外,纯利他心理的引入能有效解决利益共享机制面对低正外部性效应设施时的低效激励问题,缓解甚至消除了声誉与总补偿额提升之间的冲突,并放松了对管理者的高声誉目标要求.分析结论可从邻避补偿机制设计、管理者声誉管理以及纯利他心理引导三方面为应对邻避效应提供建议.

关键词：邻避效应利益共享机制不确定损失声誉波动纯利他心理