燃煤火力发电厂的污染及治理
由于社会对电力需求逐渐增多，燃煤火力发电厂需要加大发电力度，保证社会稳定运转。在这种情况下，燃煤火力发电厂就需要使用大量的煤作为发电动力，而燃煤量愈大对环境所造成的污染愈加严重。
其一，燃煤火力发电厂在发电的过程中容易向空气中排放二氧化硫、氮氧化物等（图1空气污染），这些污染物与空气结合易出现酸雨，将会给水体、土壤造成一定的污染。
其二，煤在经过燃烧之后，会形成粉末状煤灰，主要成分包括Fe3O4、SiO2、FeO、Al2O3等。由于其质量较轻，一经风吹就易飘散到空气中。
其三，燃煤发电厂在发电过程中产生的污水含有重金属等物质。未经处理排放的话会对河流、湖泊、地下水等产生污染不仅会影响水中生物，而且也会影响人们的饮水质量。
其四，由于发电厂会借助设备辅助发电，这些设备在运行时容易出现各种各样嘈杂的声音。例如排除气体的声音、发电设备运转的声音等。周围居民及工作人员受到这些噪声的污染会诱发疾病，例如神经衰弱、头晕脑胀等。
由于社会对电力需求逐渐增多，燃煤火力发电厂需要加大发电力度，保证社会稳定运转。在这种情况下，燃煤火力发电厂就需要使用大量的煤作为发电动力，而燃煤量愈大对环境所造成的污染愈加严重。
其一，燃煤火力发电厂在发电的过程中容易向空气中排放二氧化硫、氮氧化物等（图1空气污染），这些污染物与空气结合易出现酸雨，将会给水体、土壤造成一定的污染。
其二，煤在经过燃烧之后，会形成粉末状煤灰，主要成分包括Fe3O4、SiO2、FeO、Al2O3等。由于其质量较轻，一经风吹就易飘散到空气中。
其三，燃煤发电厂在发电过程中产生的污水含有重金属等物质。未经处理排放的话会对河流、湖泊、地下水等产生污染不仅会影响水中生物，而且也会影响人们的饮水质量。
其四，由于发电厂会借助设备辅助发电，这些设备在运行时容易出现各种各样嘈杂的声音。例如排除气体的声音、发电设备运转的声音等。周围居民及工作人员受到这些噪声的污染会诱发疾病，例如神经衰弱、头晕脑胀等。
锂电池三元正极行业深度研究：高镍趋势下的行业集中度提升
1. 技术路线之争：三元、铁锂未来渗透率研判
1.1. 三元、铁锂正极结构、性能对比
在动力电池领域，三元正极和磷酸铁锂正极是当前两种主流应用材料。因两 种材料本身物理及化学结构的差异带来了材料性能差异，进而决定了三元电池和 磷酸铁锂电池的性能差异和不同的应用领域。
三元正极性能占优，铁锂胜在安全和低成本。三元材料因相同锂离子数量下 更低的分子质量，因而其比容量高于铁锂，组成电池后能量密度也更高。三元材 料晶体呈现层状结构，在充放电过程中，Li+在 MO6（Mn=Ni、Mn、Co）层间结构 中脱嵌，随着镍含量提高，可脱嵌 Li+增加，三元材料的理论容量和电池能量密度 随之提高。磷酸铁锂晶体呈现三维空间网状橄榄石结构，形成一维 Li+传输通道， 限制 Li+的扩散；同时，八面体 FeO6 共顶相连，导致电子迁移率相比三元的层状 结构慢 100-1000 倍。三元正极的锂离子可以沿两个不同方向移动，这造就了三元 电池相比铁锂具有更高的功率和充放电性能。
然而，三元材料由于 Ni2+（0.069nm）和 Li+（0.076nm）半径接近，随着镍 含量增加，三元材料在高温烧结制备时产生 Li、Ni 混排的概率迅速上升，使得 Li+ 脱嵌困难，导致材料比容量和循环性能降低且难以逆转；此外，随着镍含量的增 加，材料中不稳定的 Ni3+比例随之提高，容易与空气中水分和二氧化碳发生反应， 加剧比容量和循环性能的损失。与之相反，磷酸铁锂的 P-O 化学键较稳固，温度 达到 700-800 摄氏度才会发生分解，即使电池出现变形损坏也不会释放氧分子发 生剧烈燃烧，因此铁锂电池具有更优异的稳定性和安全性能。
量对比三元和铁锂的性能差异发现，三元正极除了活泼的层状晶格结构相对 铁锂的橄榄石结构带来的正极比容量和电池能量密度优势外，其低温性能也优于 铁锂，零下 20℃下电池释放容量相比铁锂高 15pct，这一性能差异将使搭载三元 电池的汽车在冬季相比铁锂电池具备更好的续航里程。而铁锂材料因更为稳定的 晶格结构，在高温条件下安全稳定性明显占优。同时，铁锂稳定的结构也带来的 相比三元更高的首效和和循环寿命。同时，铁锂材料因构成元素主要为廉价的铁、 磷，相比三元材料中更为稀缺的镍钴锰而言具备明显价格和成本优势。
此外，三元和铁锂材料在电化学性能差异还在于 SOC 曲线的不同。三元电池 的 SOC 曲线随其电压水平呈相对线性关系，而铁锂电池的 SOC 曲线由于其较长 的充放电平台和平台期后的电压突变而无法轻易地通过其电压变换来判断电池剩 余电量。三元电池的 SOC 估计值偏离其实际值在 1-2％以内，而铁锂电池的 SOC 估计值则可能偏离其实际值 10％左右。因 SOC 曲线的差异，三元电池车型更能 紧缺计算显示剩余续航里程，而铁锂车型易出现续航里程显示系数突降的情况， 进而带来车主使用体验的差异。
1. 技术路线之争：三元、铁锂未来渗透率研判
1.1. 三元、铁锂正极结构、性能对比
在动力电池领域，三元正极和磷酸铁锂正极是当前两种主流应用材料。因两 种材料本身物理及化学结构的差异带来了材料性能差异，进而决定了三元电池和 磷酸铁锂电池的性能差异和不同的应用领域。
三元正极性能占优，铁锂胜在安全和低成本。三元材料因相同锂离子数量下 更低的分子质量，因而其比容量高于铁锂，组成电池后能量密度也更高。三元材 料晶体呈现层状结构，在充放电过程中，Li+在 MO6（Mn=Ni、Mn、Co）层间结构 中脱嵌，随着镍含量提高，可脱嵌 Li+增加，三元材料的理论容量和电池能量密度 随之提高。磷酸铁锂晶体呈现三维空间网状橄榄石结构，形成一维 Li+传输通道， 限制 Li+的扩散；同时，八面体 FeO6 共顶相连，导致电子迁移率相比三元的层状 结构慢 100-1000 倍。三元正极的锂离子可以沿两个不同方向移动，这造就了三元 电池相比铁锂具有更高的功率和充放电性能。
然而，三元材料由于 Ni2+（0.069nm）和 Li+（0.076nm）半径接近，随着镍 含量增加，三元材料在高温烧结制备时产生 Li、Ni 混排的概率迅速上升，使得 Li+ 脱嵌困难，导致材料比容量和循环性能降低且难以逆转；此外，随着镍含量的增 加，材料中不稳定的 Ni3+比例随之提高，容易与空气中水分和二氧化碳发生反应， 加剧比容量和循环性能的损失。与之相反，磷酸铁锂的 P-O 化学键较稳固，温度 达到 700-800 摄氏度才会发生分解，即使电池出现变形损坏也不会释放氧分子发 生剧烈燃烧，因此铁锂电池具有更优异的稳定性和安全性能。
量对比三元和铁锂的性能差异发现，三元正极除了活泼的层状晶格结构相对 铁锂的橄榄石结构带来的正极比容量和电池能量密度优势外，其低温性能也优于 铁锂，零下 20℃下电池释放容量相比铁锂高 15pct，这一性能差异将使搭载三元 电池的汽车在冬季相比铁锂电池具备更好的续航里程。而铁锂材料因更为稳定的 晶格结构，在高温条件下安全稳定性明显占优。同时，铁锂稳定的结构也带来的 相比三元更高的首效和和循环寿命。同时，铁锂材料因构成元素主要为廉价的铁、 磷，相比三元材料中更为稀缺的镍钴锰而言具备明显价格和成本优势。
此外，三元和铁锂材料在电化学性能差异还在于 SOC 曲线的不同。三元电池 的 SOC 曲线随其电压水平呈相对线性关系，而铁锂电池的 SOC 曲线由于其较长 的充放电平台和平台期后的电压突变而无法轻易地通过其电压变换来判断电池剩 余电量。三元电池的 SOC 估计值偏离其实际值在 1-2％以内，而铁锂电池的 SOC 估计值则可能偏离其实际值 10％左右。因 SOC 曲线的差异，三元电池车型更能 紧缺计算显示剩余续航里程，而铁锂车型易出现续航里程显示系数突降的情况， 进而带来车主使用体验的差异。
铁铝尖晶石的合成
镁铬砖中的铬和铁有利于窑皮的形成。但是高温条件下，镁铬砖中的Fe3+不稳定，向Fe2+转变;温度降低时，Fe2+又变回Fe'产生体积变化，所以，尽管镁铬材料的高温性能非常出色，挂窑皮性也很好，但是，在回转窑频繁的停窑过程中，常出现结构疏松、强度降低，或断砖剥落等现象，这是镁铬砖最致命的弱点。
为使无铬的镁质材料具有良好的窑皮形成能力，铁的保留是非常必要的，但关键是控制铁的价态为Fe2+,避免其在2价和3价之间频繁变化。亚铁化合物中能够在低温下稳定存在的，目前可用于耐火材料的仅有铁铝尖晶石，由此，铁铝尖晶石即成为镁铁铝尖晶石砖中Fe、Al元素的引入来源。但是如何稳定控制铁的价态为Fe2+进而合成铁铝尖晶石，是镁铁铝尖晶石砖研制的关键。P.M.Botta、刘会林、张君博等人都曾用烧结法合成铁铝尖晶石，但均存在其他组分，不是纯净的铁铝尖晶石，原因在于烧结合成工艺中的气氛很难精确控制。
即使采用烧结工艺在高温状态合成出了铁铝尖晶石，但是冷却到常温后也不一定都以Fe2+存在。C.E.Meyers等人从测定晶格常变化上得到FeO·Al2O3在1280℃、1380℃和1500℃时存在的特性：氧分压很低、温度区域也很窄，而且很容易向尖晶石固溶体[Fe(Fe1-xAlx)2O4]过渡，因此，合成物相纯度较高的铁铝尖晶石的困难是非常大的，也未有相关理论参考。
铁铝尖晶石的合成
经研究后采用在CO(g)、CO2(g)等复合气氛下烧结的工艺合成铁铝尖晶石。在固体碳过剩条件下的碳-氧平衡体系，FeO稳定存在的条件为：温度约为668~711℃，区间仅为43℃;CO约为47%~63%，CO2约为37%~53%。这个条件非常苛刻，也很难实现。
为合成出铁铝尖晶石，如何保证CO和CO2的体积分数，以及如何实现较低温度下的反应组分的扩散和加快反应的进程是铁铝尖晶石合成中的关键。根据理论分析，确定了A、B、C三种合成工艺进行实验，其中：
工艺。三种工艺合成的样品的XRD图谱见图1。从图中看出，A工艺除合成出了铁铝尖晶石外，还含有氧化铝和铁氧化物，工艺B和C合成出的铁铝尖晶石较为纯净。
参照图完好结晶的铁铝尖晶石标本可以看出，A工艺合成出的铁铝尖晶石的形貌发育不好，而且还含有较多的氧化铁(亮白色颗粒)。工艺B和C合成出的铁铝尖晶石质地均匀、很纯净，且断口显示为方形，说明铁铝尖晶石已经形成为八面体结晶，同时在铁铝尖晶石的空洞处还可以看到较多的八面体结晶。
因此，以合成工艺B、C为基础，确定了合成高纯度铁铝尖晶石的工艺条件，并合成出了非常好的铁铝尖晶石。下面以基于该工艺合成出的铁铝尖晶石为原料进行了镁铁铝尖晶石砖的生产工艺研究。
镁铬砖中的铬和铁有利于窑皮的形成。但是高温条件下，镁铬砖中的Fe3+不稳定，向Fe2+转变;温度降低时，Fe2+又变回Fe'产生体积变化，所以，尽管镁铬材料的高温性能非常出色，挂窑皮性也很好，但是，在回转窑频繁的停窑过程中，常出现结构疏松、强度降低，或断砖剥落等现象，这是镁铬砖最致命的弱点。
为使无铬的镁质材料具有良好的窑皮形成能力，铁的保留是非常必要的，但关键是控制铁的价态为Fe2+,避免其在2价和3价之间频繁变化。亚铁化合物中能够在低温下稳定存在的，目前可用于耐火材料的仅有铁铝尖晶石，由此，铁铝尖晶石即成为镁铁铝尖晶石砖中Fe、Al元素的引入来源。但是如何稳定控制铁的价态为Fe2+进而合成铁铝尖晶石，是镁铁铝尖晶石砖研制的关键。P.M.Botta、刘会林、张君博等人都曾用烧结法合成铁铝尖晶石，但均存在其他组分，不是纯净的铁铝尖晶石，原因在于烧结合成工艺中的气氛很难精确控制。
即使采用烧结工艺在高温状态合成出了铁铝尖晶石，但是冷却到常温后也不一定都以Fe2+存在。C.E.Meyers等人从测定晶格常变化上得到FeO·Al2O3在1280℃、1380℃和1500℃时存在的特性：氧分压很低、温度区域也很窄，而且很容易向尖晶石固溶体[Fe(Fe1-xAlx)2O4]过渡，因此，合成物相纯度较高的铁铝尖晶石的困难是非常大的，也未有相关理论参考。
铁铝尖晶石的合成
经研究后采用在CO(g)、CO2(g)等复合气氛下烧结的工艺合成铁铝尖晶石。在固体碳过剩条件下的碳-氧平衡体系，FeO稳定存在的条件为：温度约为668~711℃，区间仅为43℃;CO约为47%~63%，CO2约为37%~53%。这个条件非常苛刻，也很难实现。
为合成出铁铝尖晶石，如何保证CO和CO2的体积分数，以及如何实现较低温度下的反应组分的扩散和加快反应的进程是铁铝尖晶石合成中的关键。根据理论分析，确定了A、B、C三种合成工艺进行实验，其中：
工艺。三种工艺合成的样品的XRD图谱见图1。从图中看出，A工艺除合成出了铁铝尖晶石外，还含有氧化铝和铁氧化物，工艺B和C合成出的铁铝尖晶石较为纯净。
参照图完好结晶的铁铝尖晶石标本可以看出，A工艺合成出的铁铝尖晶石的形貌发育不好，而且还含有较多的氧化铁(亮白色颗粒)。工艺B和C合成出的铁铝尖晶石质地均匀、很纯净，且断口显示为方形，说明铁铝尖晶石已经形成为八面体结晶，同时在铁铝尖晶石的空洞处还可以看到较多的八面体结晶。
因此，以合成工艺B、C为基础，确定了合成高纯度铁铝尖晶石的工艺条件，并合成出了非常好的铁铝尖晶石。下面以基于该工艺合成出的铁铝尖晶石为原料进行了镁铁铝尖晶石砖的生产工艺研究。
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