粉煤灰的特性及应用现状 郑州大学材料科学与工程学院 管宗甫 1 粉煤灰的性质 粉煤灰（Fly Ash）是火力发电厂排放的工业废渣。它是将磨得很细并通过75μm网目的筛后的煤粉，用热空气高速吹进电站的锅炉燃烧后生成的。煤粉在进入温度高达1500℃左右的炉子后，处于悬浮状态的煤中的含碳成分立即燃烧掉，煤中残留的物质，诸如页岩及粘土（其主要成分为二氧化硅以及铝和铁的氧化物）在悬浮状态时就被熔化了，当它们被烟道气带出并急速冷却时，生成了很细的球状颗粒。大约80%的煤灰最终与烟道气一起被带出炉外，从烟道气排入大气之前必须将此粉煤灰去除掉，这种灰通常又称为飞灰。 粉煤灰的主要成分是SiO2，Al2O3，CaO及未燃的碳粒。国内外热电厂的粉煤灰的化学成分由于煤的品种、来源和电厂的燃烧方式不同而有较大的差别，粉煤灰化学成分波动范围如表1所示： 表1 粉煤灰化学成分范围
粉煤灰的密度在1.8~2.48 g/cm3之间。粉煤灰的矿物组成主要是石英、莫来石、方解石、钙长石、赤铁矿、碳粒和玻璃体。在光学显微镜及电子显微镜下可以看出粉煤灰是由结晶体、玻璃体以及少量未燃碳粒组成。在结晶体中，有石英、莫来石。玻璃体中，有光滑的球形玻璃体粒子，有形状不规则的小颗粒，有疏松多孔的形状不规则的玻璃球。另外，还有赤铁矿（Fe2O3）和磁铁矿（Fe3O4）及有疏松多孔的未燃碳粒。 煤灰中的石英含量可波动在3~20%，莫来石波动在5~30%，赤铁矿和磁铁矿波动在1~6%，玻璃体波动在50~80%。玻璃体中含SiO220~45%，Al2O33~25%，SiO2/ Al2O3=2~9。粉煤灰具有良好的分散性、耐磨性、耐热性及物化稳定性，是复合材料填充剂的潜在资源。 根据ASTM-C618标准，将粉煤灰分成两类： 高钙粉煤灰，即C级灰，其CaO含量大于或等于10%，是火力发电厂采用褐煤、次烟煤作为动力燃料而排放出来的。 低钙粉煤灰，即F级灰，其CaO含量小于10%，是火力发电厂采用无烟煤、烟煤作为动力燃料而排放出来的[2]。 粉煤灰用作水泥的混合材及混凝土中的掺合料时，根据GB1596-2005，具体指标如表2所示： 表2 拌制混凝土和砂浆用粉煤灰技术指标
水泥活性混合材料用粉煤灰技术要求
2 粉煤灰的应用现状 世界各国都在对粉煤灰的综合利用技术进行研究，目前的技术现状有三大类： 高容量、低技术；中容量、中技术以及低容量、高技术。 其主要应用有五大类，二十多个领域，分别为：建材、土建工程、填充土、农业及渔业、工业原料等。 高容量、低技术：填充土——低洼地、建筑场地、矿坑回填。 中容量、中技术：土建——筑路、大坝、港湾、隧道。 建材——水泥、砖、陶粒、骨料、墙板、加气混凝土、混凝土掺料、砂浆掺料。 农业及渔业——改良土壤、烧制农肥、人工渔礁。 低容量、高技术：工业原料——保温隔热材料、塑料填料、过滤材料、含汞、铬污水处理料、微珠银幕、提取硅、铅、铁、碳等材料、浇铸模具材料、制瓷砖及大理石、陶瓷工业品。 目前对粉煤灰的实际应用及研究： 硅酸盐水泥的掺和料。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。 粉煤灰硅酸盐砌块。是一种以粉煤灰为主要原料制成的新型墙体材料，它是用粉煤灰、石灰、石膏作胶凝材料，煤渣作骨料（也可用高炉矿渣等作骨料），按一定的比例配合，再加入一定量的水，经过搅拌、振动成型、蒸汽养护而制成的。 蒸压高强粉煤灰砖。该砖强度高，可达MU20，生产技术水平高，能耗低，广泛应用于建筑基础和内外墙体。以年产5000万块高强粉煤灰砖为例，每年可消耗粉煤灰7万吨。 塑料的填料。由于粉煤灰中含有圆而光滑的微珠，因此易于在树脂中均匀分散，在塑料中填充量一般为40%以下。粉煤灰填充PVC的拉伸强度同CaCO3填充一样，开始下降，当填充量达到30%左右时，下降趋于平缓；断裂伸长率在填充量10%以下不下降，填充量达到30%时下降平缓。德国已经将这项技术用于塑料的生产中。 橡胶的填料。经过改性后的粉煤灰替代橡胶中的炭黑，保持橡胶的硫化性能、拉伸强度、拉扯伸长率，增进老化性能。 粉煤灰混凝剂。粉煤灰具有一定活性的球状细小颗粒，对于水中的杂质具有很好的吸附性能，因此，利用粉煤灰对工业废水进行处理不但可以以废制废，而且处理废水费用低、效果好，这已经得到科技界的重视。 利用粉煤灰制活性炭。一些粉煤灰中含有10~20%的未燃尽的碳粒，可为活性炭的生产提供原料。以这类粉煤灰为主要原料，再以木炭为辅助原料，粘结剂用量为40%，炭化温度为600℃，活化温度为950℃，时间为24h。经适当处理后，活性炭碘值可达到600~800mg/g，其余各项指标均达到国家标准。完全适用于空气净化、工业用水处理、废水处理等领域。对湿法排放的粉煤灰，可用浮选法和电选法将粉煤灰中的未燃烬炭分离。浮选法是利用粉煤灰和煤粒表面亲水性能的差异而将其区分的一种方法；对于干法排放的粉煤灰，则可采用电选法，利用灰与炭导电性能不同而进行分离。 近年来，我国进行了单一煤层长壁式边采煤边充填粉煤灰的探索性试验获得成功，为粉煤灰寻找地下灰场和在建筑物下直接采煤，防止平原地表塌陷，开辟了道路。 3 粉煤灰处理过程中的机械力化学的研究 3.1 机械力化学原理简介 机械力可以包括冲击、研磨、压力、摩擦等常产生于对凝聚态固体的粉磨过程中；对于液体和气体来说，还有液体孔穴、空气的冲击波生成的压力。可以想象，机械力化学就是把机械力的能量转化为化学能，也就是说，在被粉碎、颗粒尺寸减小的同时还将产生其它的效应。机械力化学包含机械力作用过程中的化学反应和过程中物质化学性质的变化。化学反应包括化合、分解、置换和脱水反应等；化学性质的变化包括有晶体物质的晶格缺陷、晶格畸变、结晶度降低、分子或原子的活性提高等。甚至变为无定型物质.这些结果将导致固体物质性质变化、化学活性提高、降低它和其它物质的反应条件、甚至诱发新的化学反应，使在普通条件下不能发生的反应，也能够发生；或者固体在机械力的作用下，直接就能产生某些化学反应，如结晶水或结构水的脱去、与近邻的其它物质形成固溶体或者新化合物的晶核等。 3.2 机械力化学研究中使用的粉磨机械 各种超细粉碎的工艺和设备都有一定的使用范围和最佳的工艺参数，使用时必须根据被粉碎的对象和最终产品的要求选择，才能达到预期目标。 超细粉碎主要有干法和湿法两种工艺。在干法粉碎过程中，随着被粉碎物料粒子的变小，其破坏强度明显增加，而且表面能也明显增大，粒子相互间容易凝聚或附着在设备壁上，形成一个粉体缓冲层。致使粉碎时能量无法集中在单粒子上，妨碍了粉碎过程的进行。在湿法粉碎过程中，通过水、水蒸气或者添加某些药剂使粒子表面能降低，防止产生凝聚现象，同时也可使被粉碎颗粒的破坏强度降低，有利于粉碎过程的进行。所以，从减小颗粒尺寸这一角度考虑，各国学者普遍认为湿法粉碎比干法优越。但是在生产过程中，湿法粉碎的产品需要固液分离和干燥，对干燥过程产生的结块还必须再处理。而超细粉体的固液分离是十分困难的，且超微细产品会部分进入滤液而损失掉，另外过滤干燥工序的固定资产投资和生产成本较高。 （1）介质搅拌磨 介质搅拌磨主要是由一个静置的内填小直径研磨介质的研磨筒和一个旋转搅拌器构成。搅拌磨的研磨筒一般做成带冷却夹套，研磨物料时冷却套内可通入不同温度的冷却介质，以控制研磨时的温度。搅拌器是搅拌磨最重要的部件，有多种结构型式，如轴棒式、圆盘式、穿孔圆盘式、圆柱式、圆环式等等。 搅拌磨主要通过搅拌器搅动研磨介质产生冲击、摩擦和剪切等作用使物料粉碎。在搅拌磨中，冷却介质不是作整体运动而是作不规则运动。这种不规则运动对物料施加三种作用力： 研磨介质之间的互冲动产生的冲击力； 研磨介质的转动产生的摩擦和剪切力； 研磨介质填入搅拌棒或圆盘所留下的空间而产生的撞击力。 搅拌磨可以间歇或连续式批量生产，产品细度最细可达1um以下，因此，可以广泛用于颜料、高级陶瓷原料以及高岭土、滑石、云母、碳酸钙、硅灰石、锆砂等产品的生产。 （2）振动磨 振动磨是利用研磨介质在作高频振动的筒体内对物料进行冲击、摩擦、剪切等使物料粉碎的细磨与超细磨设备。按其振动特点可分为惯性式、偏转式；按筒体数目可分为单筒式和多筒式；按操作方式可分为间歇式和连续式等。产品粒径可达几微米甚至1um以下。在振动磨磨筒中，研磨介质有三种作用： 强烈抛射，对粗粒物料起冲击粉碎作用； 高速同向自转，对物料起研磨作用； 慢速公转，起均化物料作用。 （3）胶体磨 胶体磨是利用一对固定磨体（定子）和高速旋转磨体（转子）的相对运动产生强烈的剪切、摩擦、冲击等作用力，使被处理的浆料通过两磨体之间的间隙，在上述诸力及高频振动的作用下，被有效地研磨、粉碎和分散。 胶体磨按其结构可分为盘式、锤式、透平式及孔口式等类型。经胶体磨处理后的产品粒径可达几微米至1um以下，容易控制产品粒度。 （4）离心磨 离心磨是一种新开发的用于超细粉碎的新型设备，目前处于工业试验阶段或试生产阶段。在设计上，离心磨与常规的筒式磨机不同，它的磨室围绕某一固定轴旋转，并以某一预先确定的频率和振幅作机械振动，而不是作简单的绕轴旋转运动，使得给定功率和磨机的体积大大减小，磨矿效率显著提高。根据试验结果，这种磨机可将原料磨至很高的细度，可用于水泥、化工原料及非金属矿的细磨或超细磨。 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
