粉煤灰的特性及應用現狀 鄭州大學材料科學與工程學院 管宗甫 1 粉煤灰的性質 粉煤灰（Fly Ash）是火力發電廠排放的工業廢渣。它是將磨得很細并通過75μm網目的篩后的煤粉，用熱空氣高速吹進電站的鍋爐燃燒后生成的。煤粉在進入溫度高達1500℃左右的爐子后，處于懸浮狀態的煤中的含碳成分立即燃燒掉，煤中殘留的物質，諸如頁巖及粘土（其主要成分為二氧化硅以及鋁和鐵的氧化物）在懸浮狀態時就被熔化了，當它們被煙道氣帶出并急速冷卻時，生成了很細的球狀顆粒。大約80%的煤灰最終與煙道氣一起被帶出爐外，從煙道氣排入大氣之前必須將此粉煤灰去除掉，這種灰通常又稱為飛灰。 粉煤灰的主要成分是SiO2，Al2O3，CaO及未燃的碳粒。國內外熱電廠的粉煤灰的化學成分由于煤的品種、來源和電廠的燃燒方式不同而有較大的差別，粉煤灰化學成分波動范圍如表1所示： 表1 粉煤灰化學成分范圍
粉煤灰的密度在1.8~2.48 g/cm3之間。粉煤灰的礦物組成主要是石英、莫來石、方解石、鈣長石、赤鐵礦、碳粒和玻璃體。在光學顯微鏡及電子顯微鏡下可以看出粉煤灰是由結晶體、玻璃體以及少量未燃碳粒組成。在結晶體中，有石英、莫來石。玻璃體中，有光滑的球形玻璃體粒子，有形狀不規則的小顆粒，有疏松多孔的形狀不規則的玻璃球。另外，還有赤鐵礦（Fe2O3）和磁鐵礦（Fe3O4）及有疏松多孔的未燃碳粒。 煤灰中的石英含量可波動在3~20%，莫來石波動在5~30%，赤鐵礦和磁鐵礦波動在1~6%，玻璃體波動在50~80%。玻璃體中含SiO220~45%，Al2O33~25%，SiO2/ Al2O3=2~9。粉煤灰具有良好的分散性、耐磨性、耐熱性及物化穩定性，是復合材料填充劑的潛在資源。 根據ASTM-C618標準，將粉煤灰分成兩類： 高鈣粉煤灰，即C級灰，其CaO含量大于或等于10%，是火力發電廠采用褐煤、次煙煤作為動力燃料而排放出來的。 低鈣粉煤灰，即F級灰，其CaO含量小于10%，是火力發電廠采用無煙煤、煙煤作為動力燃料而排放出來的[2]。 粉煤灰用作水泥的混合材及混凝土中的摻合料時，根據GB1596-2005，具體指標如表2所示： 表2 拌制混凝土和砂漿用粉煤灰技術指標
水泥活性混合材料用粉煤灰技術要求
2 粉煤灰的應用現狀 世界各國都在對粉煤灰的綜合利用技術進行研究，目前的技術現狀有三大類： 高容量、低技術；中容量、中技術以及低容量、高技術。 其主要應用有五大類，二十多個領域，分別為：建材、土建工程、填充土、農業及漁業、工業原料等。 高容量、低技術：填充土——低洼地、建筑場地、礦坑回填。 中容量、中技術：土建——筑路、大壩、港灣、隧道。 建材——水泥、磚、陶粒、骨料、墻板、加氣混凝土、混凝土摻料、砂漿摻料。 農業及漁業——改良土壤、燒制農肥、人工漁礁。 低容量、高技術：工業原料——保溫隔熱材料、塑料填料、過濾材料、含汞、鉻污水處理料、微珠銀幕、提取硅、鉛、鐵、碳等材料、澆鑄模具材料、制瓷磚及大理石、陶瓷工業品。 目前對粉煤灰的實際應用及研究： 硅酸鹽水泥的摻和料。不但可以替代一部分水泥，而且在一系列方面都改善和提高了混凝土的工程性能。 粉煤灰硅酸鹽砌塊。是一種以粉煤灰為主要原料制成的新型墻體材料，它是用粉煤灰、石灰、石膏作膠凝材料，煤渣作骨料（也可用高爐礦渣等作骨料），按一定的比例配合，再加入一定量的水，經過攪拌、振動成型、蒸汽養護而制成的。 蒸壓高強粉煤灰磚。該磚強度高，可達MU20，生產技術水平高，能耗低，廣泛應用于建筑基礎和內外墻體。以年產5000萬塊高強粉煤灰磚為例，每年可消耗粉煤灰7萬噸。 塑料的填料。由于粉煤灰中含有圓而光滑的微珠，因此易于在樹脂中均勻分散，在塑料中填充量一般為40%以下。粉煤灰填充PVC的拉伸強度同CaCO3填充一樣，開始下降，當填充量達到30%左右時，下降趨于平緩；斷裂伸長率在填充量10%以下不下降，填充量達到30%時下降平緩。德國已經將這項技術用于塑料的生產中。 橡膠的填料。經過改性后的粉煤灰替代橡膠中的炭黑，保持橡膠的硫化性能、拉伸強度、拉扯伸長率，增進老化性能。 粉煤灰混凝劑。粉煤灰具有一定活性的球狀細小顆粒，對于水中的雜質具有很好的吸附性能，因此，利用粉煤灰對工業廢水進行處理不但可以以廢制廢，而且處理廢水費用低、效果好，這已經得到科技界的重視。 利用粉煤灰制活性炭。一些粉煤灰中含有10~20%的未燃盡的碳粒，可為活性炭的生產提供原料。以這類粉煤灰為主要原料，再以木炭為輔助原料，粘結劑用量為40%，炭化溫度為600℃，活化溫度為950℃，時間為24h。經適當處理后，活性炭碘值可達到600~800mg/g，其余各項指標均達到國家標準。完全適用于空氣凈化、工業用水處理、廢水處理等領域。對濕法排放的粉煤灰，可用浮選法和電選法將粉煤灰中的未燃燼炭分離。浮選法是利用粉煤灰和煤粒表面親水性能的差異而將其區分的一種方法；對于干法排放的粉煤灰，則可采用電選法，利用灰與炭導電性能不同而進行分離。 近年來，我國進行了單一煤層長壁式邊采煤邊充填粉煤灰的探索性試驗獲得成功，為粉煤灰尋找地下灰場和在建筑物下直接采煤，防止平原地表塌陷，開辟了道路。 3 粉煤灰處理過程中的機械力化學的研究 3.1 機械力化學原理簡介 機械力可以包括沖擊、研磨、壓力、摩擦等常產生于對凝聚態固體的粉磨過程中；對于液體和氣體來說，還有液體孔穴、空氣的沖擊波生成的壓力?？梢韵胂?，機械力化學就是把機械力的能量轉化為化學能，也就是說，在被粉碎、顆粒尺寸減小的同時還將產生其它的效應。機械力化學包含機械力作用過程中的化學反應和過程中物質化學性質的變化?；瘜W反應包括化合、分解、置換和脫水反應等；化學性質的變化包括有晶體物質的晶格缺陷、晶格畸變、結晶度降低、分子或原子的活性提高等。甚至變為無定型物質.這些結果將導致固體物質性質變化、化學活性提高、降低它和其它物質的反應條件、甚至誘發新的化學反應，使在普通條件下不能發生的反應，也能夠發生；或者固體在機械力的作用下，直接就能產生某些化學反應，如結晶水或結構水的脫去、與近鄰的其它物質形成固溶體或者新化合物的晶核等。 3.2 機械力化學研究中使用的粉磨機械 各種超細粉碎的工藝和設備都有一定的使用范圍和最佳的工藝參數，使用時必須根據被粉碎的對象和最終產品的要求選擇，才能達到預期目標。 超細粉碎主要有干法和濕法兩種工藝。在干法粉碎過程中，隨著被粉碎物料粒子的變小，其破壞強度明顯增加，而且表面能也明顯增大，粒子相互間容易凝聚或附著在設備壁上，形成一個粉體緩沖層。致使粉碎時能量無法集中在單粒子上，妨礙了粉碎過程的進行。在濕法粉碎過程中，通過水、水蒸氣或者添加某些藥劑使粒子表面能降低，防止產生凝聚現象，同時也可使被粉碎顆粒的破壞強度降低，有利于粉碎過程的進行。所以，從減小顆粒尺寸這一角度考慮，各國學者普遍認為濕法粉碎比干法優越。但是在生產過程中，濕法粉碎的產品需要固液分離和干燥，對干燥過程產生的結塊還必須再處理。而超細粉體的固液分離是十分困難的，且超微細產品會部分進入濾液而損失掉，另外過濾干燥工序的固定資產投資和生產成本較高。 （1）介質攪拌磨 介質攪拌磨主要是由一個靜置的內填小直徑研磨介質的研磨筒和一個旋轉攪拌器構成。攪拌磨的研磨筒一般做成帶冷卻夾套，研磨物料時冷卻套內可通入不同溫度的冷卻介質，以控制研磨時的溫度。攪拌器是攪拌磨最重要的部件，有多種結構型式，如軸棒式、圓盤式、穿孔圓盤式、圓柱式、圓環式等等。 攪拌磨主要通過攪拌器攪動研磨介質產生沖擊、摩擦和剪切等作用使物料粉碎。在攪拌磨中，冷卻介質不是作整體運動而是作不規則運動。這種不規則運動對物料施加三種作用力： 研磨介質之間的互沖動產生的沖擊力； 研磨介質的轉動產生的摩擦和剪切力； 研磨介質填入攪拌棒或圓盤所留下的空間而產生的撞擊力。 攪拌磨可以間歇或連續式批量生產，產品細度最細可達1um以下，因此，可以廣泛用于顏料、高級陶瓷原料以及高嶺土、滑石、云母、碳酸鈣、硅灰石、鋯砂等產品的生產。 （2）振動磨 振動磨是利用研磨介質在作高頻振動的筒體內對物料進行沖擊、摩擦、剪切等使物料粉碎的細磨與超細磨設備。按其振動特點可分為慣性式、偏轉式；按筒體數目可分為單筒式和多筒式；按操作方式可分為間歇式和連續式等。產品粒徑可達幾微米甚至1um以下。在振動磨磨筒中，研磨介質有三種作用： 強烈拋射，對粗粒物料起沖擊粉碎作用； 高速同向自轉，對物料起研磨作用； 慢速公轉，起均化物料作用。 （3）膠體磨 膠體磨是利用一對固定磨體（定子）和高速旋轉磨體（轉子）的相對運動產生強烈的剪切、摩擦、沖擊等作用力，使被處理的漿料通過兩磨體之間的間隙，在上述諸力及高頻振動的作用下，被有效地研磨、粉碎和分散。 膠體磨按其結構可分為盤式、錘式、透平式及孔口式等類型。經膠體磨處理后的產品粒徑可達幾微米至1um以下，容易控制產品粒度。 （4）離心磨 離心磨是一種新開發的用于超細粉碎的新型設備，目前處于工業試驗階段或試生產階段。在設計上，離心磨與常規的筒式磨機不同，它的磨室圍繞某一固定軸旋轉，并以某一預先確定的頻率和振幅作機械振動，而不是作簡單的繞軸旋轉運動，使得給定功率和磨機的體積大大減小，磨礦效率顯著提高。根據試驗結果，這種磨機可將原料磨至很高的細度，可用于水泥、化工原料及非金屬礦的細磨或超細磨。 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
