粉煤灰是發(fā)電廠與各種燃煤鍋爐排放的一種固體廢棄物

粉煤灰是發(fā)電廠與各種燃煤鍋爐排放的一種固體廢棄物，據(jù)統(tǒng)計我國粉煤灰年排放量高達(dá)2億噸，且每年都在遞增，是工業(yè)廢渣中產(chǎn)量最大的一種廢渣。不僅污染了環(huán)境還占用大量土地，造成的環(huán)境問題已相當(dāng)嚴(yán)重。因此對粉煤灰治理是刻不容緩的，其綜合利用可以化害為利，變廢為寶，從而實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)和社會的協(xié)調(diào)發(fā)展，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義和深遠(yuǎn)的歷史意義。1.粉煤灰的綜合利用回顧

長期以來我國利用粉煤灰主要是回填低洼地、礦井、煤礦塌陷區(qū)、磚廠的土坑等，此方法不需任何技術(shù)，方法簡單，但易造成二次污染，利用效益較低。二十世紀(jì)八十年代后，各科研院所加大了對粉煤灰的研究開發(fā)和綜合利用，將其在建筑材料方面的應(yīng)用列為重點(diǎn)研究對象，認(rèn)為其具有較高的化學(xué)內(nèi)能和火山活性，是一種性能優(yōu)良的水泥、混凝土的摻合料和特優(yōu)的輔助性膠凝材料；其在建材制品、筑路工程方面的應(yīng)用也迅速擴(kuò)大。但往往也存在著很多缺點(diǎn)；利用粉煤灰配制混凝土既節(jié)省材料且性能優(yōu)良，但需要粉煤灰的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)較高，況且摻量較少；利用粉煤灰制粉煤灰水泥既節(jié)省材料且摻量可達(dá)75%，但往往增加水泥的需水量，影響水泥強(qiáng)度及其水泥制品的耐久性。利用粉煤灰生產(chǎn)燒結(jié)磚和蒸養(yǎng)磚，具有能耗低、工藝簡單、不產(chǎn)生二次污染、導(dǎo)熱系數(shù)小、重量輕等特點(diǎn)，但抗凍融能力差，應(yīng)用有限。

近年來，國家加大了對粉煤灰綜合利用的引導(dǎo)、鼓勵和給與相應(yīng)企業(yè)的優(yōu)惠政策，特別是隨著《粉煤灰綜合利用政策》的頒布，粉煤灰已在建材、建工、農(nóng)業(yè)、材料、環(huán)境保護(hù)等其它領(lǐng)域得到應(yīng)用和擴(kuò)展，至今，我國粉煤灰綜合利用技術(shù)有近200項，得到實(shí)施應(yīng)用的有近70項。用于建材制品方面約占粉煤灰利用總量的35%，道路施工約占20%，農(nóng)業(yè)應(yīng)用約占15%，填充材料約占15%，建筑工程約占10%，提取礦物和高值利用約占5%[1]。

[1]王曉華，李興春，元國成.大慶石油管理局粉煤灰綜合利用現(xiàn)狀及前景[J].油氣田環(huán)境保護(hù)，201*，（3）：44-45.

改性粉煤灰處理重金屬廢水

據(jù)報道[7]：粉煤灰經(jīng)適當(dāng)改性后對溶液中鉻等重金屬離子具有良好的吸附性能，進(jìn)而對用改性粉煤灰分別處理含重金屬離子鉻、鉛、銅、鎘廢水，并將它應(yīng)用到電鍍廢水中，效果很好，且達(dá)到國家排放標(biāo)準(zhǔn)；彭榮華等[8]，以熱電廠產(chǎn)生的粉煤灰為主要原料，經(jīng)適當(dāng)條件下制成改性粉煤灰，研究發(fā)現(xiàn)在適宜PH值范圍，改性粉煤灰去除工業(yè)電鍍廢水中重金屬離子Cr6+、Pb2+、Cu2+、Cd2+效果良好，去除率達(dá)97.5%以上，達(dá)到國家排放標(biāo)準(zhǔn)。

[7]李方文，魏先勛，李彩亭，等.粉煤灰在環(huán)境工程中應(yīng)用[J].污染防治技術(shù),201*,15(3):27-29.

[8]彭榮華、陳麗娟、李曉湘.改性粉煤灰吸附處理含重金屬離子廢水的研究[J].材料保護(hù),201*,38(1):48-50

隨著粉煤灰綜合利用技術(shù)不斷進(jìn)步，以粉煤灰為原料的一些高附加值的產(chǎn)品也將層出不窮，并得到廣泛的應(yīng)用。不僅是解決環(huán)境污染；也是提高資源利用率，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，達(dá)到經(jīng)濟(jì)效益、社會效益、環(huán)境效益和諧統(tǒng)一的重要途徑；在國家極力提倡發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)的今天也尤為重要。

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粉煤灰綜述

1我國粉煤灰現(xiàn)況

現(xiàn)代火力發(fā)電廠的鍋爐，現(xiàn)在都用磨細(xì)的煤粉作為燃料。當(dāng)煤粉噴入爐膛中，就以細(xì)粉粒的形式進(jìn)行燃燒，充分釋放熱能。燃燒后的灰渣，因原煤灰含量的不同，一般占原煤質(zhì)量的15%40%。煤粉鍋爐的灰渣有兩種形式，一種是從排煙系統(tǒng)中用收塵設(shè)備收集的細(xì)�；覊m，叫做粉煤灰或飛灰，約為灰渣總質(zhì)量的70%85%，其中包含一些極細(xì)的粒子，經(jīng)煙囪口排入大氣中，集塵設(shè)備的效率越低，飛逸的極細(xì)粒子越多。另一種是在爐膛黏結(jié)起來的粒狀灰渣，落入爐膛的底部，有的結(jié)成大塊，經(jīng)破碎從爐膛排出，這樣得到的灰渣稱作爐底灰，約占灰渣總量的15%30%。總之，粉煤灰是發(fā)電廠與各種燃煤鍋爐排放的一種固體廢棄物。目前，我國有1000多座燃煤發(fā)電廠，而且每年還要新增發(fā)電機(jī)組400萬600萬千瓦。目前，全國電廠年燃煤約3.6億噸，1994年全國粉煤灰的排放量約為9000萬噸，而到了201*年時，這個數(shù)據(jù)增之1.6億噸，占地將達(dá)到50萬畝以上，加上歷年累計的庫存約為11億噸粉煤灰，每年還要新增400萬噸600萬噸的排放量。如此大量的固體廢棄物不加以大量利用，不僅占用和污染了大量土地，造成的環(huán)境問題已相當(dāng)嚴(yán)重，危害中華民族的生存環(huán)境，制約了我國國民經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。因此對粉煤灰治理是刻不容緩，其綜合利用可以化害為利，變廢為寶從而實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)和社會的協(xié)調(diào)發(fā)展，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義和深遠(yuǎn)的歷史意義。

長期以來我國利用粉煤灰主要是回填低洼地、礦井、煤礦塌陷區(qū)、磚廠的土坑等，此方法不需任何技術(shù)，方法簡單，但易造成二次污染，利用效益較低。20世紀(jì)80年代后，各科研院所加大了對粉煤灰的研究開發(fā)和綜合利用，將其在建筑材料方面的應(yīng)用列為重點(diǎn)研究對象，認(rèn)為其具有較高的化學(xué)內(nèi)能和火山活性，是一種性能優(yōu)良的水泥混凝土的摻合料和特優(yōu)的輔助性膠凝材料，其在建材制品，筑路工程方面的應(yīng)用也迅速擴(kuò)大。但往往也存在著很多缺點(diǎn)，利用粉煤灰配制混凝土既節(jié)省材料且性能優(yōu)良，但需要粉煤灰的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)較高，況且摻量較少，利用粉煤灰制粉煤灰水泥既節(jié)省材料且摻量可達(dá)75%，但往往增加水泥的需水量，影響水泥強(qiáng)度及其水泥制品的耐久性。利用粉煤灰生產(chǎn)燒結(jié)磚和蒸養(yǎng)磚，具有能耗低，工藝簡單，不產(chǎn)生二次污染，導(dǎo)熱系數(shù)小，重量輕等特點(diǎn)，但抗凍融能力差，應(yīng)用有限。

近年來，國家加大了對粉煤灰綜合利用的引導(dǎo)，鼓勵和給與相應(yīng)企業(yè)的優(yōu)惠政策，特別是隨著粉煤灰綜合利用政策的頒布，粉煤灰已在建材、建工、農(nóng)業(yè)、材料、環(huán)境保護(hù)等其它領(lǐng)域得到應(yīng)用和擴(kuò)展，至今，我國粉煤灰綜合利用技術(shù)有近200項，得到實(shí)施應(yīng)用的有近70項。用于建材制品方面約占粉煤灰利用總量的35%，道路施工約占20%，農(nóng)業(yè)應(yīng)用約占15%，填充材料約占15%，建筑工程約占10%，提取礦物和高值利用約占5%。

此次選題的目的，是在詳細(xì)分析研究電廠粉煤灰理化特征的基礎(chǔ)上，對其應(yīng)用途徑進(jìn)行探討，按照循環(huán)經(jīng)濟(jì)的要求，提出一條新的附加值較高的利用途徑。

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2粉煤灰的形成過程2.1粉煤灰的形成過程

粉煤灰來自于煤中無機(jī)組分。迄今,煤中發(fā)現(xiàn)的礦物已超過125種,伴生元素達(dá)84種以上。無機(jī)組分在煤中可以獨(dú)立礦物(高嶺石、黃鐵礦、方解石等)、離子交換態(tài)、溶解鹽類及與大分子結(jié)合等形式存在。從實(shí)用的角度,可大致分為與有機(jī)質(zhì)結(jié)合緊密的細(xì)分散狀礦物和與有機(jī)質(zhì)結(jié)合松散、顆粒較大的獨(dú)立礦物兩類�；鹆Πl(fā)電廠首先將原煤磨細(xì)(通過75微米網(wǎng)目)成煤粉,煤粉與熱空氣一起由高速氣流噴入爐膛中燃燒。鍋爐中煤粉的燃燒可分為兩個階段:(1)揮發(fā)分的析出、著火與燃燒。(2)固定炭、殘焦的著火與燃燒。前一過程僅需30ms100ms,后一過程約需1s。在煤粉燃燒過程中,煤中無機(jī)組分在鍋爐內(nèi)高溫(1300℃1500℃)熱動力條件下,將發(fā)生一系列復(fù)雜的物理化學(xué)變化,其中極少一部分經(jīng)揮發(fā)凝結(jié)形成亞微米級顆粒,而其余部分則隨著煤粉顆粒的碎裂經(jīng)熔融聚結(jié)形成微米級顆粒,亞微米級顆粒雖然在質(zhì)量上僅占1%,但其顆粒數(shù)量卻占飛灰總數(shù)的99.5%,具有極大的危害性。

上述灰粒有各自不同的歸宿:一部分超細(xì)飛灰(主要為亞微米級)沉積在鍋爐受熱面上,構(gòu)成結(jié)渣和沾污。少量顆粒較粗的灰粒(>100微米)沉至鍋爐底部冷水池中,以底灰形式排出。其余絕大部分飛灰順煙道上升,被除塵器捕獲,部分未被捕獲的細(xì)粒飛灰(<10微米),逸散于大氣中。對固態(tài)排渣煤粉爐,底灰與飛灰的比例一般介于5952080之間。

2.2粉煤灰顯微顆粒和形成機(jī)理

據(jù)成分和微觀形貌特征,可將粉煤灰分出低鐵質(zhì)玻璃微珠(空心微珠、實(shí)心微珠)、高鐵質(zhì)玻璃微珠(磁珠)、高鈣玻璃微珠、不規(guī)則多孔玻璃體和未燃盡炭粒等顆粒類型。低鐵質(zhì)玻璃微珠來源于煤中粘土礦物,粘土礦物的粒度、成分、結(jié)晶形態(tài)及其與有機(jī)質(zhì)的結(jié)合關(guān)系等將影響到粉煤灰顆粒的形貌與粒度分布。煤粉燃燒試驗證實(shí),煤中鏡質(zhì)組和穩(wěn)定組在快速加熱時,揮發(fā)分大量逸出,體積迅速膨脹,形成空心炭,燃燒在外部與內(nèi)部同時進(jìn)行。隨著有機(jī)質(zhì)的燃盡,煤粒中各處小灰球粘結(jié)在一起,形成熔融包殼,并在液體表面張力作用下成球,形成空心微珠�？招奈⒅榈捏w積或殼壁的厚薄與熔體粘度有關(guān),由高嶺石形成的熔體粘度較高,往往會形成粒徑較大的薄壁空心微珠；而由伊利石或其它金屬氧化物含量較高的粘土礦物形成的熔體,粘度較低,一般形成粒徑較小的厚壁空心微珠或?qū)嵭奈⒅�。呈分散狀存在的含鐵礦物,可與粘土小灰球聚結(jié)在一起,形成磁珠,以厚壁空心微珠或?qū)嵭闹榈男问酱嬖凇?/p>

惰性組燃燒速度慢,不膨脹,其中呈分散狀的礦物經(jīng)高溫熔融形成小灰球,分布于顆粒表面,但彼此間因碳的阻隔,不會粘結(jié),待殘?zhí)既急M后形成細(xì)�；仪�。與有機(jī)質(zhì)解離的獨(dú)立礦物的變化,受有機(jī)組分燃燒過程的影響較小。石英顆粒通常僅部分熔融,形成不規(guī)則顆粒；粘土礦物因脫水收縮,形成多孔玻璃體；黃鐵礦、白鐵礦等含鐵礦物則形成另外一種幾乎全由氧化鐵構(gòu)成的磁珠；碳酸鹽巖礦物經(jīng)分解熔融,形成高鈣微珠。由于煤粉顆粒在鍋爐燃燒時,滯留的時間很短(1s2s),不可能完全燃燒,有少部分未燃盡碳粒殘留在灰中,其含量及顯微結(jié)構(gòu)特征與煤巖煤質(zhì)及鍋爐燃燒工況等有關(guān)。

2.3ＣＦＢ（循環(huán)流化床）脫硫灰與煤粉爐粉煤灰的主要區(qū)別

ＣＦＢ脫硫灰無論從外觀、細(xì)度、粒度分布、堆積密度等物理性質(zhì)，還是化學(xué)

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組成上基本與煤粉爐粉煤灰相近，在此不再贅述。但由于循環(huán)流化床鍋爐的工作特性，造成其灰渣在很多方面不同于煤粉爐粉煤灰，正是由于這些差異，制約了其綜合應(yīng)用。

2.3.1燒失量較高

由于爐溫相對較低，一般控制在850900℃，在這一燃燒溫度下，有大量的惰性碳沒有被充分地燃燒，導(dǎo)致ＣＦＢ脫硫灰具有較高的燒失量，一般都在5%以上，最高可達(dá)20%以上。高燒失量的粉煤灰作為水泥、混凝土的摻合料會嚴(yán)重影響產(chǎn)品的質(zhì)量，因為高含量的碳會影響一些外加劑的使用效果，使外加劑的作用降低甚至消失，同時還會增加需水量。另外碳是一種片狀結(jié)構(gòu)，與其它物質(zhì)結(jié)合能力較差，造成制品的不穩(wěn)定性，在建材方面應(yīng)用有很大的技術(shù)障礙。2.3.2CaO含量高

為滿足環(huán)保要求，達(dá)到規(guī)定的脫硫效率，ＣＦＢ鍋爐設(shè)計的Ca／S摩爾比一般都大于2∶1，因此ＣＦＢ脫硫灰中還含有大量未與SO2反應(yīng)的CaO。因為CaO水化反應(yīng)與水泥中其它物質(zhì)反應(yīng)時間的不一致，具有水化反應(yīng)時間長的特性，CaO含量高會給最終建筑產(chǎn)品帶來較大的體積膨脹，嚴(yán)重影響最終的體積安定性，是建筑制品中致命的隱患。

2.3.4SO3（粉煤灰中SO3以硫酸鹽形式存在）質(zhì)量濃度高

ＣＦＢ原煤中硫燃燒生成的SO3與CaO反應(yīng)生成CaSO3和CaSO4留在粉煤灰中，這也是ＣＦＢ脫硫的理論基礎(chǔ)，煤中含硫量越高，脫硫效率越高，ＣＦＢ脫硫灰中硫酸鹽的質(zhì)量濃度也就越高。在硫酸鹽含量比較高的情況下會產(chǎn)生不利的體積膨脹，導(dǎo)致建材制品穩(wěn)定性差，同時對結(jié)構(gòu)混凝土中的鋼筋具有腐蝕作用。2.3.5玻璃體較少

ＣＦＢ的燃燒溫度較低，大部分礦物都沒有形成玻璃體，與煤粉爐粉煤灰相比火山灰活性和流動性差。2.3.6自硬性

ＣＦＢ脫硫灰與普通煤粉爐粉煤灰相比含有較多的CaSO4和游離的CaO。游離的CaO可激發(fā)脫硫灰渣中的SiO2和活性Al2O3，生成具有一定水硬性的凝膠類物質(zhì)，所以ＣＦＢ脫硫灰具有一定的自硬性，但強(qiáng)度較低。

正常排出的ＣＦＢ脫硫渣無結(jié)焦，呈白色顆粒狀，最大粒徑約20mm，不含玻璃體，與ＣＦＢ脫硫灰相比燒失量低，多數(shù)情況下SO3和CaO含量也較低。2.4矸石電廠所出的粉煤灰特征

矸石電廠使用的鍋爐為沸騰爐,屬流化床燃燒。與煤粉爐相比,沸騰爐的入料粒度大(15mm),煤在爐膛中的停留時間較長(18min)工作溫度低(850℃1000℃),產(chǎn)出的粉煤灰的特性和煤粉爐粉煤灰的特性有很大差別。

沸騰爐粉煤灰的物相組成以非晶質(zhì)的玻璃體為主,其次是少量的未燃盡碳和無機(jī)礦物。因沸騰爐的燃燒溫度較低,故無機(jī)礦物中不含莫來石。沸騰爐粉煤灰與一般電廠(煤粉爐燃燒)粉煤灰不同。粉煤灰中顆粒的最主要的形態(tài)是不同形狀和程度的不規(guī)則棱角狀(尖銳棱角狀、次棱角狀、次圓狀(即鈍化棱角狀))和圓狀,但以次棱角狀和次圓狀為最多,圓狀最少。棱角狀顆粒占粉煤灰顆粒總量的80%以上。棱角狀顆粒的表面或內(nèi)部常常可以見到不規(guī)則的凹痕或氣孔。粉煤灰中的棱角狀顆粒主要是

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玻璃體、結(jié)晶礦物中的石英、長石、赤鐵礦、碳酸鹽礦物等,其化學(xué)成分各不相同。

粉煤灰中還有少量的柱狀、板狀顆粒,不足10%,主要是結(jié)晶相的長石。棱角狀顆粒和柱狀、板狀顆粒都屬于粉煤灰常規(guī)形狀中的鈍化顆粒和碎屑顆粒。粉煤灰中的渣狀顆粒有兩種,一種是形狀不規(guī)則、結(jié)構(gòu)疏松的海綿狀多孔玻璃顆粒,粒度較大,是由于灰渣沒有完全熔融造成的另一種是粉煤灰中的碳粒,以不規(guī)則狀多孔體形式存在。

沸騰爐粉煤灰中基本無球狀顆粒,這是與全國多數(shù)電廠粉煤灰差別最大的地方。

3粉煤灰的礦物組成3.1粉煤灰的礦物相圖

研究各種無機(jī)物相對的轉(zhuǎn)化過程,相圖是經(jīng)常采用的。燃煤副產(chǎn)品的礦物相圖通常采用FeO-SiO2-Al2O3,CaO-SiO2-Al2O3和K2O-SiO2-Al2O3等三元相圖來表示。

Huffman等對美國18種煤灰的高溫特性進(jìn)行了研究,雖然是在還原條件下得出的,但結(jié)果足以使我們定性認(rèn)識煤灰的礦物組成。圖1是給出的FeO-SiO2-Al2O3的平衡相圖。

圖1是給出的FeO-SiO2-Al2O3的平衡相圖。

整體上煤灰的礦物組成落在莫來石區(qū)域,在富鐵區(qū)域首先發(fā)生熔融,液相也可能是在富鐵共熔區(qū)域內(nèi)首先形成。圖2顯示粉煤灰的主要礦物中的百分比隨溫度的變化曲線,

圖2粉煤灰的主要礦物中的百分比隨溫度的變化曲線

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實(shí)際上礦物的百分比是隨含鐵礦物相的變化而變化的,這些結(jié)果是在相對比較低的加熱速度的平衡條件下得到的,如果要將這些結(jié)果應(yīng)用于鍋爐內(nèi)加熱速度非常快的情況必須慎重。研究中采用的樣品是美國東部15種煙煤,分析時樣品經(jīng)過急冷處理。大約在900℃以下,樣品中所觀察到的礦物基本上都能與煤中的礦物對應(yīng)。方鐵礦和富鐵的鐵酸鹽相主要來自富鐵礦物,如黃鐵礦、菱鐵礦和硫酸鐵等。900℃以下玻璃體中的鐵含量正比于含鉀粘土礦物和煤中伊利石中鐵的含量,通常認(rèn)為這是由于在K2O-SiO2-Al2O3相圖中有很多低熔點(diǎn)的共熔區(qū)域。在900℃1000℃之間,方鐵礦和其它富鐵氧化物將會與石英高嶺土發(fā)生反應(yīng)而熔融。在1000℃1200℃之間,由于鐵尖晶石和鋁酸鐵等的形成使得鐵的熔融反應(yīng)停止超過1200℃所有的鐵將會與液態(tài)的硅酸鹽結(jié)合。在氧化氣氛中觀察到的玻璃相是非常少的,不論是氧化還是還原氣氛,即使溫度未達(dá)到理論熔點(diǎn)時就可能發(fā)生部分熔融,但一般來說溫度低于400e的情況下煤灰中的玻璃體不太可能超過50%。必須指出,高鈣煤的煤灰中的無機(jī)物轉(zhuǎn)化的特點(diǎn)差異是比較大的,這方面的研究還很少

煤中一些元素對粉煤灰中礦物形成有著重要的影響。①鐵對煤灰的礦物形態(tài)影響非常重要,還原態(tài)的鐵比氧化態(tài)的鐵有更低的熔點(diǎn),鐵的化合物可能會與煤灰中的硅酸鹽反應(yīng)生成低熔點(diǎn)的鐵硅酸鹽飛灰顆粒。②鈉既可能同其它礦物反應(yīng),也可能在火焰中蒸發(fā),當(dāng)鈉蒸汽移動到鍋爐內(nèi)較冷的區(qū)域后會凝結(jié),大部分鉀可能會與鋁硅酸鹽結(jié)合。③有機(jī)硫在煤的燃燒過程中可能釋放SO2氣體,在快速加熱和還原氣氛中,黃鐵礦將會熔化然后部分分解成FeS,在氧化氣氛中FeS可能形成氧化鐵,然后硫生成SO2氣體。④當(dāng)熔化的堿-硅酸鹽化合物冷卻時,堿金屬會在表面冷凝,因此使得煤灰顆粒很粘,在1100℃以下時,堿金屬的氧化物以及氯化物將迅速與SO2、O2，或者與SO3反應(yīng)生成硫酸鹽。Na2SO4和K2SO4是最容易生成的硫酸鹽,生成溫度分別為800℃和

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1075℃,硫酸鹽混合物的最低熔化溫度為830℃,如果局部的SO3含量足夠高時焦硫酸鹽K2S2O7和Na2S2O7也會形成,這兩種硫酸鹽分別在400℃和300℃時開始熔化。3.2粉煤灰的晶體礦物

通常粉煤灰中的玻璃體是主要的,但晶體物質(zhì)的含量有時也比較高,范圍在11%48%。主要晶體相物質(zhì)為莫來石、石英、赤鐵礦、磁鐵礦、鋁酸三鈣、黃長石、默硅鎂鈣石、方鎂石、石灰等,在所有晶體相物質(zhì)中莫來石占最大比例,可達(dá)到總量的6%15%。此外粉煤灰中還含有未燃燒的碳粒。表3是Rohatgi等列出的粉煤灰中可能的晶體礦物相。

圖3粉煤灰中可能的晶體礦物相

3.3粉煤灰中晶體礦物的形成與來源

⑴莫來石(Al6Si2O13)當(dāng)煤灰開始冷卻時莫來石將直接結(jié)晶形成,莫來石主要來自煤中的高嶺土、伊利石以及其它粘土礦物的分解。莫來石含有很高比例的Al2O3,這種Al2O3不會參與膠凝反應(yīng)。低鈣粉煤灰中的Al2O3主要是莫來石的晶體相,低鈣高鋁粉煤灰中含有2%20%的莫來石,而高鈣粉煤灰中的莫來石通常不超過60%。高鈣粉煤灰中莫來石含量比較低的原因主要為:(1)Al2O3更可能以鋁酸三鈣和黃長石的形

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式結(jié)晶。(2)低等級煤中Al2O3的含量相對比較低。

⑵石英(SiO2)粉煤灰中的石英主要來源于煤燃燒過程中未來得及與其它無機(jī)物化合的石英顆粒,不同種類煤的粉煤灰中的石英含量沒有很大差異。一些粉煤灰中SiO2分析值有一半以上都屬于非活性石英,因此,通過粉煤灰中SiO2含量來估算粉煤灰的火山灰活性是不準(zhǔn)確的。

⑶磁鐵礦(Fe3O4)/尖晶石鐵酸鹽(Mg,Fe)(Fe,Al)2O4/赤鐵礦(Fe2O3)粉煤灰中的磁鐵礦是以純的Fe3O4形式存在,如果是尖晶石鐵酸鹽,則Al、Mg和Ti可能會取代Fe。所有粉煤灰中磁鐵礦含量都比較接近,尖晶石鐵酸鹽、赤鐵礦在所有粉煤灰中都能測出,赤鐵礦通常在低鈣粉煤灰中較多,而高鈣粉煤灰中則比較低。粉煤灰中這些含鐵礦物可能來自煤中的黃鐵礦,黃鐵礦通常以各種尺寸分布于煤中,在煤燃燒過程中黃鐵礦的行為將在很大程度上影響晶體顆粒的形成,褐煤粉煤灰中晶體的勢能比其它煤的粉煤灰更高。FeO3的分析值在活性的玻璃相與惰性的晶體相氧化物中的比例將顯著地影響粉煤灰的活性,因此僅根據(jù)SiO2+Al2O3+Fe2O3的總量來評定粉煤灰的火山灰活性也是不確切的。

⑷硬石膏(CaSO4)硬石膏是高鈣粉煤灰的特征相,但在其它種類的粉煤灰中也可以發(fā)現(xiàn)。CaO和爐內(nèi)或煙道氣中的SO2、O2反應(yīng)生成CaSO4,粉煤灰中有一半左右的SO2可以生成CaSO4,其它硫酸鹽主要為(Na,K)2SO4。硬石膏可以與可溶性的鋁酸鹽反應(yīng)生成鈣礬石,因此粉煤灰中的硬石膏是比較重要的礦物相,將影響粉煤灰的自硬性特征。

⑸鋁酸三鈣(3CaOAl2O3)鋁酸三鈣是粉煤灰中重要的礦物相,根據(jù)粉煤灰中鋁酸三鈣的量可以區(qū)分或定量判斷鈣礬石的形成是否為有利的自硬性反應(yīng)還是有害的鋁酸鹽膨脹反應(yīng)"所有高鈣粉煤灰中都能發(fā)現(xiàn)鋁酸三鈣礦物相,有一半左右的中鈣粉煤灰中也能發(fā)現(xiàn)鋁酸三鈣,但因為鋁酸三鈣的XRD峰通常與默硅鎂鈣石、莫來石和赤鐵礦的XRD峰交迭,所以很難定量確定粉煤灰中鋁酸三鈣的含量。

⑹黃長石(Ca2(Mg,Al)(Al,Si)2O7)/默硅鎂鈣石(Ca3Mg(SiO4)2)/方鎂石(MgO)這些礦物的出現(xiàn)通常都與粉煤灰中MgO的含量有關(guān),在以前的研究中,大家忽略黃長石和默硅鎂鈣石的存在,這也是因為這兩種礦物的XRD峰與硬石膏、鋁酸三鈣的XRD峰交迭所致。方鎂石是高鈣粉煤灰中的基本礦物相,中鈣粉煤灰中也是普遍存在的礦物相,但方鎂石也可能存在于低鈣粉煤灰中。粉煤灰中有一半以上的MgO是以方鎂石的形式存在的。方鎂石主要來源于煤中的有機(jī)物,黃長石和默硅鎂鈣石在冶金渣中是比較普遍的,通常當(dāng)渣從熔融狀態(tài)開始冷卻時可通過結(jié)晶形成,粉煤灰中這兩種礦物的形成可能類似于冶金渣中的形成機(jī)理。澳大利亞有一種褐煤含有非常高的MgO同時含有比較高的硫,雖然這種煤的粉煤灰用作水泥和混凝土的摻合料不太令人滿意,但用于配制一種快硬水泥性能則非常優(yōu)異。

⑺石灰(CaO)所有高鈣粉煤灰中都能測出石灰的存在,大部分中鈣粉煤灰和一部分低鈣粉煤灰也發(fā)現(xiàn)有石灰存在。粉煤灰中CaO的分析值實(shí)際上只有很小一部分為石灰形式,即所謂的游離氧化鈣。高鈣粉煤灰中的CaO分析值絕大部分來源于與煤中有機(jī)物結(jié)合的礦物。

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圖4我國粉煤灰的礦物組成范圍

4粉煤灰的理化性能

圖5粉煤灰顆粒微觀結(jié)構(gòu)

+

圖6粉煤灰顆粒的物理模型

粉煤灰的外觀類似水泥，由于燃燒條件不同以及粉煤灰的組成，細(xì)度，含水量等條件使得粉煤灰的外觀顏色從乳白色變化到灰黑色。由于碳粒往往存在于粉煤灰顆粒較粗的顆粒組分之中，所以顏色較黑的粉煤灰中粗顆粒所占的比例較大。

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粉煤灰是以富鋁玻璃體存在，是多種礦物高分散度單體顆粒的集合體，具有顆粒小，比表面積大，孔隙率高活，性高吸附能力強(qiáng)等特點(diǎn)。物相組成主要有石英，磁鐵礦，莫來石，玻璃體和少量碳等。在顯微鏡下觀察粉煤灰可以看到一些大小不等的圓球形和形狀不規(guī)則的非球體顆粒，密度為22.3g/cm2，松散干容重550800kg/cm3，比表面積270350m2/g，孔隙率60%75%，強(qiáng)度可達(dá)7000kg/2

m分析我國30家大型發(fā)電廠粉煤灰的組成見表5，由于其具有的獨(dú)特的理化性質(zhì)使其具有顆粒小，比面積大，孔隙率高，活性高，吸附能力強(qiáng)等特點(diǎn)，及其較高的應(yīng)用和研究價值。

粉煤灰的顆粒極限約為2.5300微米，平均稽核顆粒粒徑小于40微米。粉煤灰粒度組成中的主要粒級為200目（占56.9%）。5粉煤灰的化學(xué)組成

從化學(xué)成分看，粉煤灰屬于CaO-SiO2-Al2O3系統(tǒng)，由于受前述各種因素的影響，使得粉煤灰的化學(xué)成分波動較大。根據(jù)水泥化學(xué)國際會議綜述，若干國家的粉煤灰化學(xué)分析統(tǒng)計，一般低鈣粉煤灰的化學(xué)成分的變化范圍為：SiO240%58%，Al2O321%27%，CaO4%6%，F(xiàn)e2O34%17%，燒矢量0.7%10%。

我國的粉煤灰化學(xué)成分也在這個范圍內(nèi)，但Al2O3含量較高，燒矢量過高。下表收集了我國粉煤灰化學(xué)成分的一般變化范圍。圖7我國粉煤灰化學(xué)成分的一般變化范圍化學(xué)成分變化范圍%SiO24060Al2O31735Fe2O3215CaO110MgO0.52SO20.12Na2O及K2O0.54燒矢量1266粉煤灰的分類粉煤灰的形成受很多因素的影響，不同粉煤灰性質(zhì)差異較大，無論從粉煤灰的利用還是從環(huán)境角度出發(fā)，都應(yīng)該有必要對粉煤灰進(jìn)行較細(xì)致的分類研究。

目前對粉煤灰的分類方法較多，但不外乎就以下幾種：①根據(jù)粉煤灰的物理性質(zhì)；②根就粉煤灰的化學(xué)性質(zhì)；③根就粉煤灰的應(yīng)用需求。6.1根據(jù)粉煤灰的物理性質(zhì)⑴根就粉煤灰的細(xì)度和燒矢量

我國的國家標(biāo)準(zhǔn)GB159691也只是根據(jù)粉煤灰的細(xì)度和燒矢量對粉煤灰分為三個等級：

①Ⅰ級粉煤灰，0.045mm方孔篩篩余量小于12%，燒矢量小于5%；②Ⅱ級粉煤灰，0.045mm方孔篩篩余量小于20%，燒矢量小于8%；③Ⅲ級粉煤灰，0.045mm方孔篩篩余量小于45%，燒矢量小于15%。⑵根據(jù)粉煤灰的狀態(tài)

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根據(jù)粉煤灰的狀態(tài)，將粉煤灰分為改性粉煤灰（也稱調(diào)濕灰）和陳灰。所謂的改性粉煤灰，是指將新排放的粉煤灰在運(yùn)送至目的地之前加一定量的水，這種粉煤灰的密室后的強(qiáng)度隨時間的延長有一定的增長，因此這種粉煤灰被用于回填或土壤加固。由于這種目的，改性粉煤灰應(yīng)滿足一定的強(qiáng)度。

陳灰通常是指在使用前存放比較長的時間，含有的水分為平衡含水率；一般認(rèn)為陳灰的性質(zhì)比較差，沒有強(qiáng)度的要求，一般只用于回填。⑶根據(jù)收集方式

粉煤灰的收集方式主要決定于采用的設(shè)備。一般來說粉煤灰收集設(shè)備有靜電收塵器，機(jī)械收塵器，合不袋收塵器。相對來說靜電收塵器比機(jī)械收塵器能跟好的收集到細(xì)的粉煤灰顆粒，這些細(xì)的粉煤灰顆粒從實(shí)用角度看有跟好的性質(zhì)。

對于靜電收塵器，還可以根據(jù)電廠的不同，將收集到的粉煤灰分為一，二，三級電場的粉煤灰。三級電場收集的粉煤灰是最好的粉煤灰，是非常好的水泥混凝土的礦物摻和料。

6.2根據(jù)粉煤灰的化學(xué)性質(zhì)⑴根據(jù)CaO的含量分類

ASTM標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)粉煤灰中的CaO含量將粉煤灰分為高鈣的C類粉煤灰和低鈣的F類粉煤灰。C類粉煤灰包括褐煤或亞煙煤的粉煤灰，［SO2］＋［Al2O3］＋［Fe2O3］＞50%；F類粉煤灰包括無煙煤或煙煤的粉煤灰，［SO2］＋［Al2O3］＋［Fe2O3］＞70%。美國MECARTHY等人根據(jù)粉煤灰中的CaO含量有分成以下幾類：粉煤灰分類低鈣類中鈣類高鈣類CaO的含量%<101019.9>20⑵根據(jù)粉煤灰的環(huán)境影響分類從環(huán)境保護(hù)的角度來看，將粉煤灰分為有毒和無毒兩類。分類的標(biāo)準(zhǔn)是根據(jù)粉煤灰中特殊元素和有機(jī)物的濃度來劃分的。⑶根據(jù)粉煤灰中的氧化物分類

①硅鋁制氧化物（SiO2+Al2O3+TiO2）；②鈣質(zhì)氧化物（CaO+MgO+K2O）；③鐵質(zhì)氧化物（Fe2O3+SO3）。⑷根據(jù)粉煤灰的pH值

根據(jù)粉煤灰的pH值將粉煤灰分為酸性，中性和堿性三種。還有根據(jù)粉煤灰的酸性模量將粉煤灰分為強(qiáng)堿性，堿性，中性，弱酸性，酸性和強(qiáng)酸性。

粉煤灰的酸性模量=[（SiO2）+(Al2O3)+(Fe2O3)][(CaO)+(MgO)-0.75(SiO2)]

當(dāng)酸性模量<1為強(qiáng)堿；12為堿性；23為中性；310為弱酸；1020為酸性；>20為強(qiáng)酸性。

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7實(shí)驗過程與結(jié)論

不論是燃煤為主的煤粉爐還是矸石電廠所用的循環(huán)流化床鍋爐，其燃料燃燒形成粉煤灰的過程基本相似，但由于所用燃料的性質(zhì)、燃燒方式、燃燒溫度、燃料在爐內(nèi)停留時間等方面存在較大差別，所形成的粉煤灰的性質(zhì)也各不相同。了解矸石電廠粉煤灰的燃燒過程，對全面掌握粉煤灰的特性有重要的指導(dǎo)意義。

燃料的燃燒過程首先是氣化溫度較低的揮發(fā)分從燃料逸出，并燃燒發(fā)熱。揮發(fā)分的逸出，使燃料變成具有一些空隙的顆粒；隨著燃燒的進(jìn)行，它進(jìn)一步成為多孔性碳粒(焦炭)。與有機(jī)物燃燒的同時，燃料內(nèi)的高嶺土脫水分解為氧化硅及氧化鋁；硫化鐵則分解為氧化鐵并釋放出三氧化硫。所以，在多孔碳粒中夾雜著一定量的無機(jī)物，待碳分全部燃燒完畢后，殘存的顆粒即轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗫撞Ａ�體，其形貌仍保持原有的不規(guī)則狀態(tài)。隨著燃燒的進(jìn)一步發(fā)展，多孔玻璃體逐步熔融收縮，其空隙率不斷降低，圓度不斷提高，粒徑也隨之變小。經(jīng)充分燃燒的煤灰最終成為一密度較高、粒徑較小的密實(shí)玻璃珠。

因此，粉煤灰顆粒的形成大致可分為三個階段。第一階段，燃料變成多孔碳粒。此時，顆粒的形態(tài)基本上不發(fā)生變化，仍保持其不規(guī)則的碎屑狀，但其孔隙度增大，表面積增加。第二階段，粉煤灰由多孔碳粒轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗫仔圆Ａ�體。此時燃料內(nèi)的有機(jī)質(zhì)基本燃燒完畢，其形態(tài)大體上仍維持與碳粒相同；由于其中部分無機(jī)物在此溫度階段發(fā)生軟化甚至熔融，比表面積仍較大，但相對碳粒已明顯降低。第三階段，由多孔玻璃體轉(zhuǎn)變?yōu)椴Ａе�，此時隨著溫度繼續(xù)升高，外形不規(guī)則的多孔體逐漸熔融，并在表面張力作用下縮小為球狀珠體；相應(yīng)地顆粒的粒徑變小，密度增大，由于多孔體轉(zhuǎn)變?yōu)槊軐?shí)珠體，顆粒的比表面積進(jìn)一步降低。此階段粉煤灰各顆粒的化學(xué)組成及礦物成分也不完全一致。氧化硅和氧化鋁含量較高的玻璃珠在高溫冷卻過程中逐步析出石英及莫來石晶體，氧化鐵含量較高的玻璃珠則析出赤鐵礦和磁鐵礦。如上所述，燃料在鍋爐中燃燒時，其無機(jī)礦物經(jīng)歷了分解、燒結(jié)、熔融及冷卻等過程。冷卻后的粉煤灰基本上分成玻璃體和晶體礦物兩大類。其中的玻璃體在較高溫度下主要以玻璃珠的形態(tài)存在(按密度大小不同，可分為漂珠和沉珠；按含鐵量不同，可分為低鐵玻璃珠和高鐵玻璃珠)，在低溫燃燒過程中則主要形成多孔玻璃體。另外，在冷卻過程中，如果冷卻速度較快，則粉煤灰中玻璃體含量較高:相反，冷卻速度較慢時，玻璃體則容易發(fā)生析晶，形成不同的晶體礦物。7.1實(shí)驗

本次實(shí)驗原料分別取自蒲白發(fā)電廠粉煤灰，秦嶺發(fā)電廠粉煤灰，霸橋熱電廠粉煤灰。通過有限手段分析對比其成分的差異。經(jīng)觀察蒲白發(fā)電廠粉煤灰為灰黑色，秦嶺發(fā)電廠粉煤灰為灰白色，霸橋熱電廠粉煤灰為灰色。燃煤的組成、燃燒條件與處理方法等因素決定了粉煤灰的組成與性質(zhì)�？傊�，粉煤灰是一種白色或灰色粉末物料，它因燃煤品種、燃燒溫度及燃燒方式不同而有些變化。因此，分析所利用的粉煤灰的表面形貌和元素組成，具有重要意義。它將為粉煤灰的深度綜合利用提供某些基礎(chǔ)性資料。

7.2篩分發(fā)粒度分析，在DHG9141型干燥箱中干燥（110℃×24h），應(yīng)用LP2102型電子天平（d=0.01g，MAX=2100g）稱重。細(xì)度參照GB159691。

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圖8蒲白粉煤灰粒度分析（硫化床）M總=100g篩分＜粒度0.0410.0410.0560.0710.100.1540.200.3150.400.63mm篩余量15.3745.654.457.1411.535.586.071.890.930.14g百分比含15.5646.234.517.2311.685.656.151.910.940.14量%圖9蒲白粉煤灰百分比圖表

蒲白粉煤灰百分比50.00%40.00%30.00%20.00%10.00%0.00%＜0.041m0.m041m0.m056m0.m071mm0.10m0.m154mm0.20mm0.315mm0.40mm0.63mm百分比%粒徑mm有百分比圖可看出，蒲白粉煤灰較細(xì)，對照實(shí)物看進(jìn)一步觀察粉煤灰為灰黑色。在≤0.056mm的區(qū)間內(nèi)達(dá)到62%，是構(gòu)成粉煤灰的主要部分。這就從數(shù)字上說明蒲白粉煤灰粒度較細(xì)。

圖10秦嶺粉煤灰粒度分析（燃煤爐粉煤灰）篩分＜粒度0.0410.0410.0560.0710.100.1540.200.3150.400.63mm篩余量16.7033.705.2830.555.881.421.710.550.692.66gPage12of28

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百分比含16.8433.995.3230.825.931.431.720.550.702.68量%圖11秦嶺粉煤灰百分比圖表

秦嶺粉煤灰百分比40.00%35.00%30.00%25.00%20.00%15.00%10.00%5.00%0.00%＜0.041mm0.041mm0.056mm0.071mm0.10mm0.154mm0.20mm0.315mm0.40mm0.63mm百分比%粒徑mm從百分比圖中可以看出秦嶺粉煤灰沒有蒲白粉煤灰細(xì)度小，顏色為灰白色。在≤0.056mm的區(qū)間內(nèi)只達(dá)到了51%，是構(gòu)成粉煤灰的主要部分。沒有蒲白粉煤灰細(xì)。

圖12霸橋粉煤灰粒度分析（燃煤爐粉煤灰）篩分粒度＜mm0.03850.03850.0560.0710.100.1540.200.3150.400.630.80篩余量0.400.190.7832.4019.547.217.263.734.992.777.51g百分比含量%0.400.190.7832.5419.637.247.293.755.012.787.54Page13of28

1.6012.7812.

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圖13霸橋粉煤灰百分比圖表

霸橋粉煤灰百分比35.00%30.00%25.00%20.00%15.00%10.00%5.00%0.00%＜0.3850.mm3850.mm0560.mm071m0.m100.mm154m0.m200.mm315m0.m40mm0.63m0.m80m1.m60mm百分比%粒徑mm霸橋粉煤灰顏色為灰色，粒度較粗。這從≤0.056mm的區(qū)間內(nèi)只達(dá)到了0.6%就可看出。遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于蒲白，霸橋的粉煤灰。

圖14三種粉煤灰粒度差異項目蒲白粉煤灰秦嶺粉煤灰霸橋粉煤灰粒徑mmggG0.3153.193.1532.620.1027.7417.9527.740.07166.2977.1437.96＜0.0712.330.961.41對此我們還作了三種粉煤灰的粒度差異，可進(jìn)一步看出在粒徑這一方面三種粉煤灰的不同。

圖15三種粉煤灰百分比圖表系列1蒲白粉煤灰

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系列2秦嶺粉煤灰系列3霸橋粉煤灰

粉煤灰粒度差異80.00%70.00%60.00%50.00%百分比%40.00%30.00%系列120.00%系列210.00%系列30.00%＜0.071mm0.071mm0.10mm0.315mm

粒徑mm

7.3X衍射圖譜（本試驗所用儀器為日本理學(xué)公司生產(chǎn)的D／MAX2400型X

光粉末衍射儀，所用的靶材為銅靶，為λ=1.54050nm的鉀輻射，電壓為46KV，電流為100mA。）X衍射儀圖譜，在粉煤灰及其產(chǎn)品的分析中用得最多的表面分析儀器。它用于粉煤灰元素組成及相態(tài)分析，提供了粉煤灰深度利用最基本、最有用的第一手資料。本試驗借鑒X衍射儀對三種不同粉煤灰進(jìn)行了細(xì)致全面的觀察。蒲白粉煤灰X衍射圖譜

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1000800Intensity600400201*204060802θ

秦嶺粉煤灰X衍射圖譜

400

350300250Intensity201*50100500204060802θ

霸橋粉煤灰X衍射圖譜

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600500400Intensity300201*000204060802θ

從衍射圖譜可以看出，各電廠粉煤灰以非晶態(tài)物質(zhì)為主，結(jié)晶物質(zhì)以石英為主，并有少量莫來石、伊利石和長石；同時，還存在少量的低溫型物質(zhì)硫酸鈣、石膏;鐵的存在形式主要是赤鐵礦。由此判斷，粉煤灰在形成過程中，爐內(nèi)各處的熱負(fù)荷并不均勻，少量莫來石的出現(xiàn)，說明局部有超過1000℃的高溫區(qū)域，但過燒并不嚴(yán)重；大量存在的石英，應(yīng)是來自于原始燃料。在15350衍射角范圍內(nèi)出現(xiàn)了明顯的丘狀峰，說明各電廠粉煤灰中非晶態(tài)物質(zhì)數(shù)量較大，而含鋁礦物(包括莫來石、伊利石等)較少，由此可推斷粉煤灰中應(yīng)有相當(dāng)數(shù)量的鋁存在于非晶態(tài)物質(zhì)中，這與燃煤電廠粉煤灰中鋁大多形成莫來石不同。

7.3化學(xué)成分組成分析（本試驗所用標(biāo)準(zhǔn)分別為GB／T212201*，GB／T213201*，GB／T15741995。）

圖16蒲白粉煤灰化學(xué)成分組成項目符號單位粉煤灰水分Mad%1.07灰分Aad%85.60揮發(fā)分Vad%2.72彈筒發(fā)熱量Qb，adJ/g3872.05二氧化硅SiO2%45.45三氧化二鋁Al2O3%27.42二氧化鈦TiO2%1.05三氧化二鐵Fe2O3%4.61氧化鈣GaO%3.40氧化鎂MgO%0.49氧化鉀K2O%1.01氧化鈉Na2O%0.08Page17of

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三氧化硫SO2%1.68燒矢量%14.64根據(jù)ASTM標(biāo)準(zhǔn)，蒲白粉煤灰屬于低鈣F類粉煤灰，按GB159691附錄A中的標(biāo)準(zhǔn)來衡量的話，蒲柏粉煤灰屬于Ⅰ級灰，測定燒失量是為了解未燃盡碳在不同粒徑粉煤灰中的分布情況，由測定結(jié)果看，粉煤灰中未燃盡碳主要存在于細(xì)顆粒成分中，具體的存在形態(tài)則要通過掃描電鏡等測試手段加以分析和肯定。

圖17秦嶺粉煤灰化學(xué)成分組成項目符號單位粉煤灰水分Mad%5.48灰分Aad%91.19揮發(fā)分Vad%2.65彈筒發(fā)熱量Qb，adJ/g431.158二氧化硅SiO2%48.61三氧化二鋁Al2O3%35.27二氧化鈦TiO2%1.44三氧化二鐵Fe2O3%4.00氧化鈣GaO%3.80氧化鎂MgO%0.63氧化鉀K2O%1.19氧化鈉Na2O%0.22三氧化硫SO2%0.70燒矢量%3.73根據(jù)ASTM標(biāo)準(zhǔn)，秦嶺粉煤灰屬于低鈣F類粉煤灰，按GB159691附錄A中的標(biāo)準(zhǔn)來衡量的話，蒲柏粉煤灰屬于Ⅰ級灰，

圖18霸橋粉煤灰化學(xué)成分組成項目符號單位粉煤灰水分Mad%0.99灰分Aad%96.36揮發(fā)分Vad%1.73彈筒發(fā)熱量Qb，adJ/g246.974二氧化硅SiO2%50.50三氧化二鋁Al2O3%22.85二氧化鈦TiO2%0.99三氧化二鐵Fe2O3%10.10氧化鈣GaO%8.61Page18of

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氧化鎂MgO%0.75氧化鉀K2O%10.11氧化鈉Na2O%0.60三氧化硫SO2%0.57燒矢量%2.84根據(jù)ASTM標(biāo)準(zhǔn)，霸橋粉煤灰屬于高鈣C類粉煤灰，按GB159691附錄A中的標(biāo)準(zhǔn)來衡量的話，蒲柏粉煤灰屬于Ⅱ級灰，7.4堆密度（容重）

低鈣粉煤灰松散容重的變化范圍在6001000Kg/m3，壓實(shí)容重在10001400Kg/m3，高鈣粉煤灰松散容重返為在8001200Kg/m3，壓實(shí)容重在1300

3

1600Kg/m。按GB/T1761996的要求，經(jīng)測定三種粉煤灰的容重變化為下表所示：

圖19三種粉煤灰的容重變化范圍容重松散容重壓實(shí)容重粉煤灰33Kg/mKg/m蒲白粉煤灰秦嶺粉煤灰霸橋粉煤灰7.5掃描電鏡圖像

692.72741.411125.571384.84Page19of

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浦白0.071mm篩余量的掃描電鏡圖像全貌

漂珠纖維結(jié)構(gòu)

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沉珠顯微結(jié)構(gòu)

該粒徑范圍的顆粒約占粉煤灰總質(zhì)量的66.29%，是構(gòu)成粉煤灰的主要部分。為總體了解該粒徑范圍粉煤灰的形貌特征，在低倍掃描電鏡下對其進(jìn)行了觀察，照片如下:由照片可看出，粉煤灰形狀不規(guī)則，大小不均勻，大體可分為團(tuán)粒狀、丘狀和片狀三種類型，各種形態(tài)的顆粒相間分布，無明顯聚集特征。其中片狀狀顆粒較少，結(jié)構(gòu)蓬松；團(tuán)狀顆粒分布范圍較廣，數(shù)量大，粒徑大小不一，局部依稀可見片層結(jié)構(gòu)，細(xì)部需作進(jìn)一步放大觀察；片狀顆粒邊緣粗糙，表面無明顯丘狀突起，并有不均勻氣泡孔洞分布，孔徑較小，細(xì)部需進(jìn)一步放大觀察。秦嶺0.071mm篩余量顯微結(jié)構(gòu)全貌

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漂珠顯微形貌

沉珠顯微形貌

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炭粒表面形貌

該粒徑范圍的顆粒約占粉煤灰總質(zhì)量的77.14%，是構(gòu)成粉煤灰的主要部分。為總體了解該粒徑范圍粉煤灰的形貌特征，在低倍掃描電鏡下對其進(jìn)行了觀察，照片如下:由照片可看出，粉煤灰形狀不規(guī)則，大小不均勻，大體為團(tuán)粒狀，各種形態(tài)的顆粒相間分布，無明顯聚集特征。漂珠表面光滑，莫來石和石英變體以微晶狀態(tài)存在于漂珠中，沉珠多數(shù)為圓型，也有表面凹凸不平的，發(fā)育有小孔，內(nèi)含有更大量的細(xì)小微珠顆粒沉珠的化學(xué)成分跟漂珠大體相同。粉煤灰中的炭粒是煤粉未完全燃燒的結(jié)果，炭粒一般是形狀不規(guī)則的多孔體，

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霸橋0.071mm粉煤灰顯微形貌

7.5小結(jié)

從燃燒過程中粉煤灰形成機(jī)理出發(fā)，對燃煤電廠和殲石電廠的爐內(nèi)燃燒過程進(jìn)行了分析對比，全面了解電廠粉煤灰的實(shí)際組成和形貌特征，以便對其應(yīng)用提供指導(dǎo)，研究中運(yùn)用化學(xué)分析法對其常量化學(xué)成分進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)其中主要成分是氧化硅、氧化鋁、氧化鐵；其次含有一定量的氧化鈣、氧化鉀和氧化鎂；其他組分很少；燒失量變化很大。

運(yùn)用x射線衍射法對研究區(qū)各研石電廠的粉煤灰進(jìn)行礦物成分的分析，結(jié)果顯示，殲石電廠粉煤灰中主要是石英，高溫產(chǎn)物如莫來石、尖晶石等很少，存在一定量的低溫產(chǎn)物，鐵主要以赤鐵礦的形式存在，鋁則主要存在于非晶態(tài)物質(zhì)和原始礦物中，且隨著粒徑增大，含量逐漸減少。反映出爐內(nèi)燃燒整體上處于中溫燃燒，但局部存在過燒和燃燒不充分的現(xiàn)象，燃燒不很均勻;相對燃煤電廠粉煤灰的物相組成，研石電廠粉煤灰的非活性物質(zhì)較少。8粉煤灰的綜合利用現(xiàn)狀

由于粉煤灰的排放對環(huán)境、以至于對經(jīng)濟(jì)發(fā)展的影響，各國對粉煤灰綜合利用均予以高度重視，但由于世界各國技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件的不同，相應(yīng)的粉煤灰利用情況和發(fā)展水平亦差別較大。

歐洲一些先進(jìn)工業(yè)化國家，如荷蘭、丹麥等國，雖然粉煤灰排放量很小，但綜合利用率很高，達(dá)到90%以上；法國、德國、英國的綜合利用率也都在5O%以上。

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其中，法國在水泥、混凝土方面的應(yīng)用技術(shù)研究有較深的基礎(chǔ)，而荷蘭和丹麥的研究開發(fā)重點(diǎn)主要是建材產(chǎn)品。波蘭的煤炭資源豐富，在歐洲僅次于俄羅斯，其粉煤灰的排放量也很大，在粉煤灰利用中，側(cè)重于生產(chǎn)建材產(chǎn)品。由于波蘭缺少鋁釩土礦，所以對從粉煤灰中提取氧化鋁非常重視，主要對石灰石燒結(jié)法提取氧化鋁工藝做了較為深入的研究，在這方面的技術(shù)己經(jīng)比較成熟，現(xiàn)已建成氧化鋁和水泥聯(lián)產(chǎn)工廠。

美國粉煤灰綜合利用率并不是很高，在30%左右，但其粉煤灰利用技術(shù)的研究同樣很活躍，通過立法和技術(shù)創(chuàng)新，粉煤灰的利用量也在逐步增加。早在上世紀(jì)七十年代，美國電力研究院就在當(dāng)時技術(shù)條件基礎(chǔ)上組織編寫了《粉煤灰結(jié)構(gòu)填筑手冊》，提高了粉煤灰在工程回填、筑路、灌漿、礦井回填等方面的應(yīng)用；1983年頒布實(shí)施的《對于水泥和混凝土中摻有粉煤灰的聯(lián)邦政府的指導(dǎo)原則》，對粉煤灰在水泥和混凝土領(lǐng)域的應(yīng)用起到了一定的推動作用。

俄羅斯主要是利用粉煤灰生產(chǎn)水泥、墻體材料、砂漿摻和料以及道路填方材料。另外，俄羅斯是世界上開展粉煤灰陶粒燒制研究較早的國家，在這方面有較好的經(jīng)驗。

二十世紀(jì)九十年代以來，隨著世界各國對環(huán)境問題的重視，對粉煤灰性質(zhì)及應(yīng)用的研究進(jìn)入了一個新的階段，呈現(xiàn)出許多新的特點(diǎn)。

我國粉煤灰的綜合利用工作于上世紀(jì)50年代開始，主要在建筑工程中用作混凝土和砂漿摻合料，在建材工業(yè)中作制磚的原料，在道路工程中作路面基材等。60年代開始其利用重點(diǎn)轉(zhuǎn)向墻體材料，主要是研制生產(chǎn)粉煤灰密實(shí)砌塊、墻板、粉煤灰燒結(jié)陶粒和粉煤灰粘土燒結(jié)磚等，同時引進(jìn)前蘇聯(lián)、東歐國家利用粉煤灰生產(chǎn)蒸養(yǎng)(壓)建筑材料技術(shù)。到了80年代，粉煤灰的處置和利用的指導(dǎo)思想從“以儲為主”轉(zhuǎn)向“儲用結(jié)合、積極利用”，并進(jìn)一步明確為“以用為主”，由此進(jìn)一步帶動了對粉煤灰性質(zhì)和應(yīng)用的研究蓬勃發(fā)展。90年代中后期，隨著國家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的實(shí)施，循環(huán)經(jīng)濟(jì)理論在實(shí)踐中的應(yīng)用，資源化與循環(huán)利用成為粉煤灰利用領(lǐng)域新的發(fā)展方向。

現(xiàn)在，國內(nèi)對粉煤灰的利用已趨產(chǎn)業(yè)化，其中優(yōu)質(zhì)高珠低碳粉煤灰主要用于生產(chǎn)粉煤灰水泥和壩體混凝土澆筑，實(shí)際應(yīng)用中，東方明珠塔、三峽大壩等大型建設(shè)項目均使用了相當(dāng)數(shù)量的優(yōu)質(zhì)粉煤灰。大量的普通粉煤灰可作為回填材料、砂漿基材應(yīng)用于公路建設(shè)等工程項目。在農(nóng)業(yè)方面，部分粉煤灰用于改良土壤，科研工作者對粉煤灰施用后重金屬元素對作物和環(huán)境的影響也做了大量的分析研究工作。此外，以粉煤灰原料制備免燒蒸養(yǎng)磚，生產(chǎn)陶粒、墻地磚等應(yīng)用途徑，也消耗一定量的粉煤灰。

但由于我國以煤炭為燃料的企業(yè)眾多，各企業(yè)排放的粉煤灰性質(zhì)差別很大，使粉煤灰的資源化利用工作存在很大困難，總利用率與排放量相比較還很低，造成粉煤灰大量堆積，占用大量土地，并產(chǎn)生了較為嚴(yán)重的環(huán)境問題。同時，粉煤灰的排放耗費(fèi)大量資金，給電廠帶來沉重的經(jīng)濟(jì)壓力。為此，國內(nèi)眾多電廠與科研院所相繼開展了一些粉煤灰利用方面的合作，開發(fā)了一批高技術(shù)含量、高附加值的利用技術(shù)，一方面促進(jìn)粉煤灰資源化，增加其消化量，另一方面可提高粉煤灰利用的經(jīng)濟(jì)效益，實(shí)現(xiàn)企業(yè)可持續(xù)發(fā)展。這些技術(shù)主要包括以粉煤灰為原料制備水處理用混凝

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劑，提取鋁、鐵、嫁等有價值成分，生產(chǎn)硫酸鋁，制備微晶玻璃等。尤其在微晶玻璃制備方面，國內(nèi)的研究非�；钴S，其中，西北輕工業(yè)學(xué)院、武漢理工大學(xué)、西安交通大學(xué)、洛陽工業(yè)高等專科學(xué)校等科研機(jī)構(gòu)都做了大量的工作，極大地推動了我國在粉煤灰制備微晶玻璃領(lǐng)域的研究。以下為我國粉煤灰的綜合利用事例。8.1粉煤灰在混凝土及砂漿中的應(yīng)用

粉煤灰砂漿系用粉煤灰取代或部分取代傳統(tǒng)建筑砂漿中的某些組分,改善其某種性能的砂漿。微細(xì)粉煤灰能代替部分水泥或石灰膏或砂,起提高和易性、粘聚性及密實(shí)度等作用。經(jīng)過合理配比,粉煤灰砂漿可用于各種墻體砌筑,墻面、窗口、地面底層的抹灰和墻體勾縫,也可用于填充“建筑間隙”或作保溫、隔熱墊層。8.2粉煤灰在筑路及工程填筑中的應(yīng)用

粉煤灰筑路和工程填筑有許多特點(diǎn),第一是投資少、上馬快,只要提供灰的運(yùn)輸工具和攤鋪、碾壓機(jī)械,就可以施工;第二是用灰量大,對灰的質(zhì)量要求不像在混凝土使用中那樣嚴(yán)格;第三是壓實(shí)的粉煤灰通常具有自硬性,早期具有一定的力學(xué)性能,并隨著齡期的增長而有所發(fā)展。8.3非燒制粉煤灰建筑制品

非燒制粉煤灰建筑制品包括高壓蒸氣養(yǎng)護(hù)、常壓蒸氣養(yǎng)護(hù)和自然條件養(yǎng)護(hù)制成的各種粉煤灰建筑制品。主要有粉煤灰磚、瓦、小型空心砌塊、加氣混凝土板和砌塊等。例如,以粉煤灰、石灰、水泥、石膏為主要原材料,用鋁粉作發(fā)泡劑,經(jīng)配料、攪拌、澆筑成混凝土坯,放在高壓蒸氣釜中進(jìn)行高壓蒸氣養(yǎng)護(hù),最終制成加氣混凝土砌塊和板。這種制品多孔、輕質(zhì)、防火性能好、易加工,砌塊可作框架結(jié)構(gòu)的內(nèi)外墻、工業(yè)和民用建筑的承重墻、熱管道和墻體的絕熱工程等;配筋的板材用作房屋的面板和墻板。

8.4粉煤灰在陶質(zhì)材料中的應(yīng)用

用粉煤灰代替部分粘土生產(chǎn)陶質(zhì)制品,沿用原來的生產(chǎn)工藝,仍能達(dá)到原來陶質(zhì)制品的質(zhì)量。

8.5粉煤灰在農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用

粉煤灰可以改良土壤、使其容重、比重、空隙率、通氣性、滲透率、三相比關(guān)系、pH值等理化指標(biāo)得到改善,起到增產(chǎn)效果。用粉煤灰改良粘性土、酸性土效果顯著。在適宜的摻灰量下,一般小麥、玉米、大豆都能增產(chǎn)10%～20%,但對砂質(zhì)土不宜使用粉煤灰。8.6粉煤灰的精細(xì)利用

粉煤灰是一種混合物,包含著品種繁多的物質(zhì),精細(xì)利用則是將它們一一分選出來,按各自的特性,將其中高附加值的品種充分利用,以達(dá)到物盡其用,進(jìn)一步提高粉煤灰綜合利用水平。我國已研究開發(fā)的精細(xì)利用項目主要有:高鐵玻璃珠的分選,用于生產(chǎn)鐵:漂珠(空心玻璃微珠)的分選,用于生產(chǎn)高強(qiáng)輕質(zhì)的保溫耐火材料;碳粒的分選,用于制作工業(yè)碳素制品;提取氧化鋁或氫氧化鋁,用于生成鋁合金或作阻燃劑和高溫耐火材料的添加劑等;取代或部分取代填塑材料,用于生產(chǎn)塑料制品,如地板、落水管、電線管等;磨細(xì)的粉煤灰用于涂料中的填料等。8.7粉煤灰在煙氣脫硫方面的應(yīng)用

粉煤灰中主要成分SiO2、Al2O3、Fe2O3和CaO在常溫有水存在的情況下,細(xì)粉末

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狀的火山灰能夠與堿金屬和堿土金屬發(fā)生“凝硬反應(yīng)”,被認(rèn)為是粉煤灰循環(huán)利用過程中提高鈣基吸收劑利用率的原因之所在。有試驗證明,用粉煤灰制成的脫硫劑脫硫效果要高于純的石灰脫硫劑,這是因為氣-固反應(yīng)中吸收劑比表面積的大小是反應(yīng)速率快慢的主要決定因素。在適當(dāng)?shù)幕?石灰比和反應(yīng)溫度時,脫硫率可達(dá)80%以上。

8.8粉煤灰在污水處理方面的應(yīng)用

粉煤灰由于多孔、比表面積大,具有一定的活性基團(tuán),其吸附作用主要包括物理吸附和化學(xué)吸附。粉煤灰能夠吸附污水中的懸浮物、脫除有色物質(zhì)、降低色度,吸附并除去污水中的耗氧物質(zhì)。粉煤灰中的CaO、Al2O3等活性組分,能夠與氟生成絡(luò)合物或生成對氟有絮凝作用的膠體離子,從而具有較好的除氟能力。粉煤灰還具有一定的除臭能力。有資料報道,粉煤灰對采油廢水COD和氨氮去除率超過20%,經(jīng)過工業(yè)運(yùn)行充分混合,長時間吸附、沉降過濾及生化處理,效果更佳。8.9從粉煤灰中回收有用金屬

據(jù)報道,回收貴金屬鎵的途徑除了煉鋁、鋅、鋇、銅過程中回收外,還有從富含鎵的煤中提取,英國某公司采用還原熔煉-萃取法及堿溶碳酸化法成功從粉煤灰中提取了金屬鎵。我國湘潭大學(xué)等單位都開展過從粉煤灰中回收鎵的項目研究。

9粉煤灰綜合利用展望

目前,對粉煤灰綜合利用研究主要有兩個方向,一是以粉煤灰為原料,做建筑材料,應(yīng)用于建筑工程和道路工程等；二是以粉煤灰為原料做吸附材料、絮凝劑等,應(yīng)用于化工和環(huán)保方面。

9.1粉煤灰在混凝土中的應(yīng)用技術(shù)開展粉煤灰用于混凝土工程的機(jī)理,高鈣粉煤灰中游離CaO的控制等研究；引用國際上先進(jìn)的“高標(biāo)號水泥+大產(chǎn)量粉煤灰+高效堿水劑”的方法,發(fā)展高鈣粉煤灰作為混凝土摻合料的應(yīng)用技術(shù)；繼續(xù)完善粉煤灰建材制品的配方和工藝研究等。9.2粉煤灰作吸附材料

粉煤灰具有多孔結(jié)構(gòu),比表面積大,具有較強(qiáng)的吸附性能。國內(nèi)外大量研究資料表明,粉煤灰是一種性能良好的吸附劑,它可以吸附污水中的有機(jī)物、重金屬離子、氟、磷、細(xì)菌等微生物以及懸浮的膠體雜質(zhì)并能起到脫色除臭的作用。用粉煤灰作吸附劑處理污水既可作為一種水處理方法單獨(dú)使用,也可與其它方法聯(lián)合使用。目前,用粉煤灰處理廢水已經(jīng)進(jìn)入應(yīng)用研究階段,有些技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于工業(yè)實(shí)踐,但仍存在吸附飽和灰的最終處置、水灰分離及如何提高粉煤灰吸附容量的問題。綜合利用粉煤灰,可以充分利用資源,減少貯灰場的建設(shè),節(jié)約寶貴的土地資源和建設(shè)資金,減少對環(huán)境的污染,是經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的必然要求,具有良好的經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和社會綜合效益。

9.3大力開發(fā)能產(chǎn)生巨大經(jīng)濟(jì)效益的高技術(shù)、精細(xì)利用途徑，針對粉煤灰中某些利用價值較大的顆粒組分，進(jìn)行分選與深加工利用。

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10參考文獻(xiàn)

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