粉煤灰特性及综合利用

前言

中国是以煤炭为主要能源的国家，电力产量的76%是由煤炭产生的，每年用煤超过4亿吨，占全国原煤产量的三分之一，特别是改革开放以来，电力工业迅猛发展，导致粉煤灰排放量逐年锐增，预计到2010年粉煤灰的排放量将达到2.6亿吨，成为世界最大的排灰国。但是，目前我国的粉煤灰利用率仅为30%左右，主要用于筑路基和回填，每年仍有1亿吨未能利用的粉煤灰，储存于灰场中。每年需征大量土地用于储灰，建灰场费用和运行费用都很高;另外，粉煤灰用于筑路或回填会受地区、时间的限制，存在使用不均衡、不连续的问题。若对粉煤灰综合利用不加大研究和处理力度，将会给能源生产、资源利用和环境保护带来不可估量的严重后果。因此，应该大力拓展粉煤灰在其他领域的应用。中国一直非常重视粉煤灰的开发利用，自20世纪50年代三门峡大坝工程开始使用粉煤灰以来，国家投人了大量人力、物力，对粉煤灰的性能及其利用进行了大范围、多领域、卓有成效的科学实验和技术开发，将粉煤灰的应用范围扩展到工业、农业、建筑业等多个领域，取得了非常巨大的社会效益和经济效益。因此，长期被作为固体废弃物看待的粉煤灰，近年来随着国际性能源供需矛盾的加剧和对环境保护愈来愈高的要求，已引起了世界各国的关注，并对其利用进行了广泛的研究、试验和应用，取得了一定的成就。国外先进国家（欧盟、美国等）粉煤灰利用率已达70-80%，我国粉煤灰利用率亦达40-50%，对节约能源和改善环境起到了重要作用。然而，我国电厂排放的粉煤灰品质极不稳定，有80%以上的粉煤灰烧失量超过6%，有的达到20%以上，资源化性能较差，极大地限制了粉煤灰的应用范围和数量，是导致我国粉煤灰利用率偏低的重要原因。因此，为实现能源节约和减少粉煤灰对环境的污染，开拓粉煤灰综合利用的新途径，通过对粉煤灰资源化特性及高等级公路路面的修复工程应用技术进行了研究，揭示出粉煤灰中的不同成分和形貌对其资源化特性的影响规律，完成了粉煤灰脱炭及脱炭粉煤灰混凝土配合比等方面的小型试验研究。曾有人在豫03号高等级公路路面修复工程中应用脱炭粉煤灰完成了试验路的修筑工作，实际道路运营和技术性能检测结果表明，该技术符合路面修复工程的要求，具有显著的社会效益、经济效益和环境效益。

粉煤灰是燃煤颗粒中所含矿物质经历了一系列变化而形成的。这些矿物质主要是硅酸盐矿物(粘土、岩盐、长石等)和石英，经高温晶格(除少量石英外)受到破坏而熔融，在表面张力和外部压力作用下变成液滴，逸出锅炉后急骤降'lm凝固成硅酸盐玻璃态微珠(漂珠、磁珠、沉珠等)。这些微珠混合物夹杂少量单体碳和石英，由烟囱排出形成粉煤灰。粉煤灰的主要化学成分是二氧化硅和氧化铝硅酸盐，还含有少见的FeZ03. CaO. MgO和未燃尽碳。有些粉煤灰还可能富集了锗、稼、铀、镍、铂等稀有元素。表1是我国粉煤灰化学成分变化范围和国外几个地区典型粉煤灰的化学成分。粉煤灰外观类似水泥，它的成分和细度都将影响其颜色，从乳白色到灰黑色。粉煤灰呈多孔性蜂窝状组织，比表面积较大，一般在2 500^ 5 000 cm2/g，因此具有较高的吸附活性。粉煤灰的颗粒大小为0.5 -300 u m。由于煤种、燃烧方式、锅炉构造和收集方式的不同，粉煤灰的粒径、比表面积和化学成分也随之变化。粉煤灰的这些理化特性决定了它可以在许多领域得到利用。粉煤灰是燃煤过程中产生的一种固体废弃物，随着能源需求量的增加，粉煤灰的产生里也与日俱增近几年来我国电力系统年耗煤约:3.05亿吨，年排粉煤灰和渣达8600万吨，绝大多数灰渣堆积于灰场，估计到2008年，贮灰场的占地面积将大幅度提高。这不仅严重污染环境，也耗费了大量的上地资源。因此长期以来粉煤灰的综合利用成为环境保护领域的一个重要课题。在发达国家粉煤灰资源化程度已很高。英国粉煤灰利用率为46.2%,德国为65% ，法国75%.口本已达100%。美国很早就把粉煤灰与其他矿产并列为主要的矿物资源，并着手从中提取各种金属。我国粉煤灰的利用率相对较低，亦已取得了可喜的成绩。根据文献调研，结合粉煤灰综合利用的现状，如今粉煤灰综合利用的途径很多，其中生产新型建筑材料是最有效的途径之一。而用于生产轻型砼的粉煤灰陶粒吃灰量最大，应用范围广泛，可以用来制造轻质高强的砼，用于对自重有一定限制的工程结构及建筑工程中。如公路桥桥面，高层建筑楼面、墙板、屋面等。也可用于石材缺乏的平原地区，作为配制砼的骨料等等。粉煤灰陶粒制品及其空心砌块具有容重轻、保温隔热效果好、施工方便、抹灰无空鼓、不脱落等优点，使其经济和社会效益较为显著。随着墙体改革的需要，其利用量也越来越大。

在本文中，我着重讨论的是粉煤灰陶粒的生产技术及其应用发展方向。受到胡光教授的大力支持和帮助，在此表示深深的谢意。由于时间仓促，及本人水平有限，难免出现错误和许多不足之处诚望有关专家学者给予批评指正。

第一部分粉煤灰特性

一、化学特性

燃料煤由有机物及无机物组成，有机物燃烧后生成碳、氢、氧，无机物燃烧后即生成粉煤灰的化学成分与煤种、产地、燃烧炉型等有关。我国低钙灰的成分比较接近，其化学组成由表 1 可见，粉煤灰的主要成分为氧化硅、氧化铝及氧化铁，其总量约占粉煤灰的85%左右。低钙煤中氧化钙含量较低，基本无自硬性。但是，目前我国高钙灰的排放量有明显增长的趋势，而高钙灰含有一定的自硬性矿物，有利于增进粉煤灰的强度贡献。另外，近年来随着锅炉容量的不断提高，炉内煤粉燃烧趋于完全，代表影响材料长期稳定性的烧失量也逐渐降低，因此可以说，经过高温燃烧后的粉煤灰是相当纯净的建材原料。相关人员通过对发电厂的粉煤灰进行的化学成分分析（表1）表明，粉煤灰中硅的含量最高，其次是铝，以复杂的复盐形式存在，酸溶性较差。铁含量相对较低，以氧化物形式存在，酸溶性好。此外还有未燃尽的炭粒、CaO和少量的MgO、Na2O、K2O、SO3等。

表1 粉煤灰的化学组成

二、物理特性

煤粉在锅炉中燃烧时，其无机物经历了分解、烧结、熔融及冷却等过程，冷却后的粉煤灰颗粒主要由硅铝玻璃体和少量碳粒组成，玻璃体又以单珠、连珠体和海绵状不规则多孔体组成。粉煤灰的品质主要取决于这些粒径、形貌不一的各种颗粒成分的组合比例。其中，粉煤灰的活化能力主要靠硅铝玻璃体，而在常温下硅铝玻璃体以多聚物组成为主，活化能力较低。因此，常温下粉煤灰是一种性质稳定的材料。粉煤灰的密度、堆积容量和细度见表