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1、1 粉煤灰1.1 简介粉煤灰是从煤燃烧后的烟气中收捕下来的细灰，是燃煤电厂排出的主要固体废物。煤粉在炉膛中呈悬浮状态燃烧，燃煤中的绝大部分可燃物都能在炉内烧尽，而煤粉中的不燃物(主要为灰分 )大量混杂在高温烟气中。这些不燃物因受到高温作用而部分熔融，同时由于其表面张力的作用， 形成大量细小的球形颗粒。在锅炉尾部引风机的抽气作用下，含有大量灰分的烟气流向炉尾。随着烟气温度的降低，一部分熔融的细粒因受到一定程度的急冷呈玻璃体状态， 从而具有较高的潜在活性。在引风机将烟气排入大气之前，上述这些细小的球形颗粒，经过除尘器，被分离、收集，即为粉煤灰。1.2 粉煤灰的组成我国火电厂粉煤灰的主要氧化物组成为
2、：SiO2、 Al2O3、 FeO、 Fe2O3、 CaO、 TiO2、 MgO 、K2O、 Na2O、SO3、MnO2等，此外还有P2O5等。其中氧化硅、氧化钛来自黏土，岩页；氧化铁主要来自黄铁矿；氧化镁和氧化钙来自与其相应的碳酸盐和硫酸盐。粉煤灰的元素组成 (质量分数)为：O 47.83% ， Si 11.48%31.14%， Al 6.40% 22.91% ，Fe 1.90%18.51%， Ca 0.30%25.10%，K 0.22% 3.10% ，Mg 0.05% 1.92%，Ti 0.40% 1.80%，S 0.03%4.75%，Na 0.05%1.40%，P 0.00% 0.90%
3、， Cl 0.00%0.12%，其他0.50%29.12%。由于煤的灰量变化范围很广，而且这一变化不仅发生在来自世界各地或同一地区不同煤层的煤中，甚至也发生在同一煤矿不同的部分的煤中。因此，构成粉煤灰的具体化学成分含量，也就因煤的产地、煤的燃烧方式和程度等不同而有所不同。其主要化学组成、矿物相组成分别见表1-1 和表 1-2。表 1-1 我国电厂粉煤灰化学组成 (%) 成分SiO2A12O3Fe2O3CaO MgO SO3Na2O K2O 烧失量范围34.30 65.76 14.59 40.12 1.50 6.22 0.4416.80 0.203.72 0.00 6.00 0.10 4.23
4、0.02 2.14 0.63 29.97 均值50.8 28.1 6.2 3.7 1.2 0.8 1.2 0.6 7.9 表 1-2 我国粉煤灰主要矿物相组成矿物相组成无定形相结晶相玻璃体未燃碳石英莫来石铁化合物范围（ %）42 70 124 1.1 1.6 1129 0.04 21 平均值（ %）59.8 8.2 6.4 20.4 5.2 1.3 粉煤灰的结构与性质粉 煤灰的结构是在煤粉燃烧和排出过程中形成的，比较复杂。在显微镜下观察，粉煤灰是晶体、玻璃体及少量未燃炭组成的一个复合结构的混合体。混合体中这三者的比例随着煤燃烧所选用的技术及操作手法不同而不同。其中结晶体包括石英、莫来石、 磁铁
5、矿等；玻璃体包括光滑的球体形玻璃体粒子、形状不规则孔隙少的小颗粒、疏松多孔且形状不规则的玻璃体球等；未燃炭多呈疏松多孔形式。粉煤灰是浅灰色的粉状物，外观类似水泥。粉煤灰的颜色与Fe2O3及残留炭含量有关，Fe2O3及残留炭含量越高，粉煤灰颜色越深，反之越浅。粉煤灰的基本物理性质如下表1-2所示。表 1-3 粉煤灰的基本物理特性项目范围均值密度 /（ g/cm3）1.9 2.9 2.1 堆积密度/（ g/cm3）0.531 1.261 0.780 比表面积/（ cm2/g）氮吸附法800 19500 3400 透气法1180 6530 3300 筛余量 /% 80 m 0.6 77.8 22.2
6、 45 m 13.4 97.3 39.8 原灰标准稠度/% 27.3 66.7 48.0 需水量 /% 89 130 106 28d 抗 压强度比/% 37 85 66 粉 煤灰的化学性质：其本身略有或没有水硬胶凝性能，但当以粉状及水存在时，能在常温，特别是在水热处理(蒸汽养护)条件下 ，与氢氧化钙或其他碱土金属氢氧化物发生化学反应，生成具有水硬胶凝性能的化合物，成为一种增加强度和耐久性的材料。粉煤灰的活性不仅决定于它的化学组成，而且与它的物相组成和结构特征有着密切的关系。在粉煤灰三种颗粒中球形玻璃体颗粒的活性最高，不规则的熔融玻璃体次之，而多孔碳粒不仅属于化学惰性成份，并且由于它多孔，使需水
7、量增加， 加上它本身强度又低，属对活性有害的组分。 因此， 粉煤灰中球形玻璃体颗粒含量越多，多孔碳粒含量越少，则粉煤灰的活性越高。细度也是粉煤灰的一项重要质量指标，一般粉煤灰越细质量越好，活性也越高。1.4 粉煤灰的资源化利用现状随着我国经济建设和电力事业的蓬勃发展,全国发电装机容量已超过1.1 亿千瓦 ,其中燃煤火电约占80%,与此同时 ,粉煤灰的产生量也与日俱增,绝大多数灰渣堆给于灰场。截至 2005年，贮灰场的占地面积已超过666.6106m2，不仅造成环境污染，也给周边环境的人们的生活、动植物生长有严重危害，同时也耗费了大量土地资源。粉煤灰的综合利用是环境保护领域的一个重要课题。目前，
8、粉煤灰已广泛应用于建材、建工、回填、筑路、农业、化工、环保、高性能陶瓷材料等领域。英国粉煤灰利用率为46.2%、德国 65%、法国 75%、日本已达到100%。美国把粉煤灰列入矿物资源的第七位，排在矿渣、 石灰与石膏之前。我国粉煤灰的利用已达到了40%，其中综合利用技术200 项，得到实施应用的近70 项。在建材制品方面的应用主要有：（1）掺杂粉煤灰制取混凝土，用粉煤灰作为混凝土原料的部分代替品，可以改善混凝土的部分特性，诸如硬化水平、强度、干燥收缩性等，还可以降低混凝土的重量，降低混凝土的热传导性，并且随着粉煤灰参入量的不断增加，热传导能力也随之下降。（2）粉煤灰水泥，就国内外来看，已经研制
9、出硅酸盐水泥、硅酸三钙水泥、硫酸铝钙水泥、低体积质量油井水泥、早强型水泥，有的粉煤灰掺量可达75%。另外，由于粉煤灰中含有一定量的未能燃烧的碳粒，所以用粉煤灰配料还能节省燃料。但含碳量大的粉煤灰作为混合材料掺入水泥中往往增加需水量，影响水泥强度及水泥制品的耐久性。作为水泥活性混合材料使用的粉煤灰质量必须符合国标GB-1596-91 规定。（3）粉煤灰烧结砖及粉煤灰砌块，用粉煤灰代替粘土作为制砖的原料已有60 多年的历史。粉煤灰掺入量可达80-90% ，可以节约黏土、少占用农田和节约燃料。粉煤灰制砖是我国用灰量较大的途径之一。生产粉煤灰砌块具有吃灰量大、质量小、强度高、能耗低，生产过程中不产生二
10、次污染等特点。其有一定的隔热保温功能，砌块两端带有凹槽，砌筑时用砂浆灌满灰缝，雨季可杜绝渗漏现象的发生。在化工领域的应用：（1）从粉煤灰提取高纯明矾用以合成矾土，韩国学者通过粉煤灰首先制得明矾作为中间产物，而后再制得矾土。研究过程：将粉煤灰和氨水混合，在控制pH 值的情况下通过连续结晶提取NH4Al（SO4）2，进而由NH4Al（SO4）2反应制得高纯明矾（纯度99.9%） ，再在明矾的基础上进一步获得矾土。（2）以粉煤灰为原料，利用碳热还原合成法已成功制得亚微米SiC粉末。粉煤灰中的铁及其氧化物在反应过程中可以起到催化剂的作用。（3）粉煤灰制备高分子填充材料，对粉煤灰进行一定细化加工，可以对
11、合成材料进行改性， 是目前国内外粉煤灰利用的热点。例如， 粉煤灰填充聚氯乙烯塑料制品可提高塑料弯曲挠度和耐热温度；粉煤灰填充橡胶制品可起到增强和补强、硫化和替代碳黑的作用；粉煤灰作填料的酚醛树脂，可以改善和增强酚醛树脂的尺寸稳定性、弯曲强度。 抗冲击强度和压缩强度等。（4）粉煤灰制备玻璃陶瓷，通过粉末熔渣技术，从城市垃圾焚烧装置中收集粉煤灰，将被燃烧了的玻璃状粉煤灰转化为玻璃陶瓷制品中的CaO-Al2O3-SiO2系统， 其主要物相为钙黄长石 Ca2Al2SiO7，属于黄长石组分。这种玻璃陶瓷在900，保温 2h条件下就可制得，并且表现出诱人的物理和力学性能，其在建筑工程领域将具有很大的应用潜
12、力。在农业上的应用如下：（1）利用粉煤灰改善土壤，粉煤灰疏松多孔、比表面积大，能保水、透气好，可以明显地改善土壤结构，降低容重、增加孔隙度、提高地温、缩小膨胀率，从而显著地改善黏质土壤的物理性质，促进土壤中微生物活性，有利于养分转化和种子的萌芽，合理施用符合农用标准的粉煤灰对不同土壤都有增产作用。（2）利用粉煤灰生产复合肥，粉煤灰中含有丰富的微量元素，如硅、 硼、硫、锌、铜、钙、镁、铁等，并具有松散、空隙大等特点，可以改良土壤、调节土壤温度和pH 值，增加和补充土壤的营养成分，尤其适用于黏性土壤的改良。利用粉煤灰、 粪便和生活垃圾，可以生产无害全营养复合肥料和微量元素肥料，既能解决我国无机化肥
13、和微肥品种少，营养不全，造成土壤板结、 碱化、 营养失调及农作物变异的矛盾，又能解决有机肥肥效低和造成环境污染的突出难题，并且其价格也比较低廉。目前已经开发的粉煤灰化肥品种有粉煤灰硅钙肥、粉煤灰钙镁肥、粉煤灰磁化肥等。在环境保护方面的应用：（1）用于废水处理，粉煤灰对含重金属、有机物、氨氮、磷酸盐和砷废水均表现出较好的吸附性能。（2）用于废气处理，粉煤灰含有较多的碱性物质，是一种优良的低浓度SO2烟气脱硫吸附剂。也有研究证明含碳量高的粉煤灰通过活化工艺可以有效地脱除NOx。2 沸石2.1 简介沸石是沸石族矿物的总称，是一种含水的碱金属或碱土金属的铝硅酸矿物。其最早发现于1756 年，瑞典的矿物
14、学家克朗斯提（Cronstedt）发现有一类天然硅铝酸盐矿石在灼烧时会产生沸腾现象，因此命名为 “ 沸石 ” 。 1932 年 ，Mc Bain 提出了 “ 分子筛 ” 的概念。表示可 以在分子水平上筛分物质的多孔材料。沸石是分子筛的一种，但是沸石在其中最具代 表性。天然沸石是铝硅酸钠；人造沸石是磺酸化聚苯乙烯。自然界已发现的沸石有30 多种，较常见的有方沸石、菱沸石、钙沸石、片沸石、钠沸石、丝光沸石、辉沸石等，都以含 钙、 钠为 主。它们含水量的多少随外界温度和湿度的变化而变化。沸石矿物有很广的分布。特别多见于由火山碎屑形成的沉积岩石中，在土壤中也有发现。沸石的一般化学式为：AmBpO2p.
15、nH2O， 结构式为A(x/ q) (AlO2)x (SiO2)y n(H2O) 其中： A 为 Ca、 Na、 K、 Ba、 Sr 等 阳离子， B 为 Al 和 Si， p 为阳离子化合价， m 为阳离子数， n 为 水分子数 ， x 为 Al 原子数， y 为 Si 原子数 ， (y/x) 通常在1 5 之间，(x+y)是单位 晶胞中四面体的个数。按 沸石矿物 特征分为架状、片状、纤维状及未分类四种，按孔道体系特征分为一维、二维、三维体系。任何沸石都由硅氧四面体和铝氧四面体组成。纯净的各种沸石均为无色或白色，但可因混入杂质而呈各种浅色，已发现的天然沸石一般为浅灰色，有时为肉红色。沸石还具
16、有 玻璃样的光泽。因沸石特殊的结构和性质，其在建材、农业、环保、化工、医学、轻工业等各个方面都有广泛的应用。2.2 沸石的结构沸石的种类很多，但它们的共同特点就是具有架状结构，在它们的晶体内，分子像搭架子似地连在一起，中间形成很多空腔。这些空腔里还存在很多水分子，因此它们是含水矿物。水分在遇到高温时会蒸发出来，比如用火焰去烧时，大多数沸石便会膨胀发泡，如沸腾一般。不同的沸石具有不同的形态，如方沸石和菱沸石一般为轴状晶体，片沸石和辉沸石则呈板状，丝光沸石又成了针状或纤维状等等。沸石中的水分出来后并不会破坏沸石内部的晶体结构，它还可以再重新吸收水或其他液体。任何沸石都由硅氧四面体和铝氧四面体组成。四面体只能以顶点相连，即共用一个氧原子，而不能“ 边 ” 或 “ 面 ” 相连。铝氧四面体本身不能相连，其间至少有一个硅氧四面体。而硅氧四面体可以直接相连。硅氧四面体中的硅，可被铝原子置换而构成铝氧四面体。但铝原子是三价的，所以在铝氧四面体中，有一个氧原子的电价没有得到中和，而产生电荷不平衡，使整个铝氧
