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1、电力工业（煤系）固体废物处理 工程 粉煤灰小组成员：陈默 唐珍妮 黄宗其 刘意立粉煤灰是燃煤电厂排出的固体废弃物,主要成 分有SiO2、Al2O3、CaO、Fe2O3等。粉煤灰是一 种高分散度的固相集合体,含有大量的非晶质的空 心微珠。矿物组分主要为未燃尽的碳粒、-石英 、方解石、钙长石、赤铁矿、磁铁矿和残留的煤 矸石等。粉煤灰具有较好的活性,是人工火山灰质 材料,常被利用于城镇建设之中。对粉煤灰中空心 微珠、碳粒、铁粉、氧化铝的分选和利用,既能提 高粉煤灰的综合利用率,又有较高的经济价值,是保 护环境、变废为宝的有效途径。粉煤灰的成分粉煤灰(电厂飞灰)是以煤为燃料,从烟道气体中收捕下 来的细
2、灰,其含量约占燃煤总量的5%20%,为燃煤电厂 排出的主要固体废弃物。目前,世界上粉煤灰年排放量约5亿t,我国年排放量 1000万t以上。随着电力工业的发展,粉煤灰年排放量日益 增加,这些粉煤灰被大量堆放在储灰场，既浪费了资源， 有污染了环境。为了保护环境，变废为宝，20世纪70年 代以来粉煤灰的综合利用已被全世界所关注。成为当今世 界瞩目的废物资源化的首批对象。但由于经济条件和技术 条件的不同，各国的利用方式和利用率有较大差异。中国 的粉煤灰主要作为建筑工业材料在城镇建设中使用，利用 率较低，利用方式相对较落后。粉煤灰的一些组分中具有较大内表面积，将这些特殊 组分分选出来，作为轻质、绝缘、隔
3、热材料及吸附材料， 有更高层次的利用前景。粉煤灰的排放粉煤灰的基本性质1.化学性质 在12001500的炉膛中煤灰成悬浮状态燃烧时，燃煤中 绝大部分可燃物都能在炉内燃尽。而不燃物主要以灰分的 形式混杂在高温烟气中，这些不燃物因受高温作用而部分 熔融，同时由于表面张力的作用，形成大量球形细小颗粒 。随着其体温度的降低，部分熔融的细粒受到冷却，呈玻 璃体状态，在煤气排入大气之前被分离收集，由湿排或干 排的方式，经管道输送排出。 粉煤灰是一种火山灰质混合材料，其化学成分与燃煤的性 质有密切关系。但主要是氧化物（见表一）及少量未燃尽 的碳和其他微量元素，还有一些有害元素 表一 粉煤灰的化学成分样样品S
4、iO2Al2O3CaOMgOFe2O3SO3K2ONaO烧烧矢量中国46.7425.015.581.288.460.531.800.6710.37日本57.9625.863.981.584.310.342.151.490.73美国44.1120.814.751.1217.491.191.970.737.83英国46.6126.993.061.9610.441.533.360.903.86 德国41.1324.395.061.8513.930.779.65法国50.0030.003.002.007.000.603.500.70捷克 51.3027.204.300.637.400.591.860.
5、324.632.粉煤灰的矿物成分 研究表明，粉煤灰是一种高分散度的固相集合体，其颗粒 形态主要为非晶质相的空心微珠、无定形的碳粒、不规则 的玻璃体及其他矿物碎屑。矿物组合中除了一部分未燃尽 的细小碳粒外大部分是SiO2和Al2O3的固熔体，另有石英 、方解石、钙长石、赤铁矿、磁铁矿及莫来石,还有一些 残留的煤矸石等。这些矿物一般不以单体矿物状态存在， 通常以多相集合体形式出现。3.粉煤灰的物理性质 粉煤灰是灰白色的粉状物，含水量大的粉煤灰 呈黑色。其物理性质取决于燃煤的种类、煤分 的细度、燃煤的方式及温度，以及电厂收尘效 率、排灰方式等。4.粉煤灰的活性 一些SiO2质或SiO2-AlO3质材
6、料，其本身没有或略有水硬 凝胶性能。但被磨细后，一定水分存在的情况下能与 Ca(OH)2或其他氢氧化物发生化学反应，生成具有水硬凝 胶性能的化合物，这种材料称火山灰质材料，其功能呈火 山灰效应。 粉煤灰具有火山灰效应。研究表明，粉煤灰的活性不仅取 决于化学成分，而且与其物象和结构特征有密切关系。通 过高温熔融并且经过聚冷的粉煤灰，产生了大量的玻璃体 ，而玻璃体含有较高的内能，是粉煤灰具有活性的主要矿 物相。玻璃体中包含的硅酸根和铝酸根含量越多，活性越 高。粉煤灰的分类1.按不同火力发电厂锅炉排渣形式和粉煤灰 形成过程不同分类按不同火力发电厂锅炉排渣形式和粉煤灰形成过程不 同分类，将粉煤灰分成固
7、态排渣普通煤粉锅炉粉煤灰、液 态排渣锅炉粉煤灰和循环流化床锅炉粉煤灰三种类型。利用SEM、EDXA、XRD和DTA等测试工具，分析三 类粉煤灰的化学成分、矿物组成、颗粒分布与结构的特点 。研究结果表明，液态排渣锅炉粉煤灰活性最高；固态排 渣普通煤粉锅炉粉煤灰活性次之：循环流化床锅炉粉煤灰 活性最差。 2.根据粉煤灰性质和脱硫工艺分类根据性质和脱硫工艺, 粉煤灰可被分为硅铝灰和钙硫灰。 硅铝灰硅铝灰主要是燃烧普通煤 黑煤或气煤 时产生的粉煤灰。 该灰SiO2和Al2O3 的含量很高, 二者之和的质量分数为 80%。干灰的非堆积质量密度为 0. 5 0. 8KgL, 堆积后 在运输过程中的质量密度
8、为0. 8 0. 9KgL。 钙硫灰钙硫灰是燃烧褐煤时产生的粉煤灰。该灰SiO2和Al2O3的 含量较低, 二者之和的质量分数小于40.但CaO的质量分 数则高达 44%, SO3的质量分数也达 6% 7%。干灰非 堆积质量密度为 1. 11.3KgL堆积后的质量密度为 1.31.5KgL 高钙粉煤灰高钙粉煤灰是燃烧褐煤产生的粉煤灰, 其特征是Al2O3较 高、SiO2较低, 外观偏淡黄浅灰色。表二 高钙粉煤灰的化学成分 低钙粉煤灰是燃烧普通煤产生的, 目前大多数电厂产生的 粉煤灰为此类。主要特征是高硅铝、低钙, 外观浅灰灰黑色。质质量分 数SiO2Fe2O3Al2O3CaOMgOSiO3F-
9、CaO烧烧矢 量 平均值值222591210153545352471025最大值值3212175565.517.87最小值值1878282150.5此外, 还可以根据粉煤灰的颗粒结构 、外形因子、颗粒形态系数及电厂的排 灰方式等分类。粉煤灰的分选和利用目前, 我国粉煤灰利用在生产建筑材料 方面约占31%, 用在筑路方面约占14%, 用 在回填方面约占34%, 只有约5%粉煤灰用 作资源回收, 总体利用价值极低。粉煤灰分 选是粉煤灰资源回收的较好途径之一, 是利 用其物理化学性质, 将粉煤灰中的有用组分 分离开来, 使其更有利于资源化, 提高资源 综合利用的价值。目前, 从粉煤灰中分选利 用的有
10、用组分主要有: 空心微珠、碳、铁、 铝等。1.空心微珠的分选和利用 20 世纪中叶, 一些发达国家已经将粉煤灰作为一项新的资 源开发利用。20 世纪70 年代末期, 英国、美国学者相继 在水池中发现球形玻璃微珠。它具有多种功能, 用途广泛, 已经引起人们的普遍关注。 粉磨得很细的燃煤颗粒在高温下烧去碳质产生热能, 剩余 的粉煤灰在足够高的温度下, 表面融化成散离的空心体, 表 面张力作用使得这些不规则的颗粒趋向球形。同时, 在这 些含碳少、低熔点的矿物质颗粒的内部发生燃烧和气化, 所产生的气体, 以不同的速度向外排出, 使颗粒发生急剧膨 胀, 或以稳定的速度膨胀。接着快速冷却使这一部分气体 被
11、包于其中, 形成大小不等、壁厚各异的空心微珠。其中 包括: 漂珠、沉珠和破壁珠。 空心微珠的颗粒一般 100 300微米，有时可达400微米 ，容重0.250.42KgL，熔点14001500，比电阻 10121013, 在室温条件下导热系数为 0. 298 0. 399KJms, 在室温条件下导温系数 0. 001 07 0. 001 4m3h, 流体静压强度为 700 1 400kg2 , 硬度(莫氏)6 7, 比表面积3 200 3 600g, 反射率16 38, 折射率 1. 5 1. 54。 由于空心微珠的相对体积质量较小, 可以采用重力分选的 方法, 很容易将其从粉煤灰中分选出来。
12、目前, 世界上采用 机械分选微珠的方法已初具规模, 分选出不同粒级的微珠 质量分数大, 占 70%95%, 分选方式有干法分选和湿法 分选。 根据空心微珠特有的物理性能, 将其作为轻质、绝缘、隔 热、隔音及耐磨材料, 有其较好的利用前景。2.碳粒的分选和利用 由于煤质和燃煤技术的影响, 可燃物质在炉膛中不能 全部燃烧, 而保留在粉煤灰中, 因而粉煤灰中碳的质量分数 仍在5% 25%之间。根据有关资料, 全国每年从电厂粉 煤灰中流失有数百万吨的纯碳,既造成煤炭资源的白白流 失浪费, 又增加了粉煤灰的排放量, 污染了环境。另外, 由 于粉煤灰中含有未燃尽的碳, 造成粉煤灰综合利用的困难 。从粉煤灰
13、中回收这些碳粉, 有较高的经济价值, 是保护环 境、提高粉煤灰的利用率和发展经济的一条有益的途径。 从粉煤灰中选碳的常用方法有浮选法、电选法等。从粉煤 灰中分选出来的碳粒是高温下的产物, 空隙度大, 颗粒均匀 , 经过加工后, 具有一定的强度, 可作为制作活性碳的原材 料。3.铁粉的分选和利用粉煤灰中Fe2O3 的质量分数一般为8% 29%, 最高 可达43%, 是一种可观的矿物资源。另外, 由于电厂锅炉的 高温焚烧, 加上碳和一氧化碳的还原作用, 粉煤灰中的铁化 合物部分已还原成磁性氧化铁（四氧化三铁）和铁粉。因 此, 可以直接利用磁选法回收铁粉。从粉煤灰中磁选铁的 方法有湿选和干选。工艺简
14、单, 成本较低。粉煤灰经过二 次磁选后, 可使铁精矿的品位达50% 65%。可见, 从粉 煤灰中磁选铁粉是一种经济有效的方法。从粉煤灰中磁选 出来的铁矿粉, 可以作为制作铁红、铁黄等染料的原材料 。4.氧化铝的提取三氧化二铝是粉煤灰的主要成分之一 , 其质量分数 一般为15% 40%, 最高可达58%。从粉煤灰中将其宝贵 的资源加以回收利用是十分必要的 。从粉煤灰中提取氧化铝, 可利用石灰石烧结工艺, 其流 程主要包括: 熟料烧成熟料自粉化熔出脱硅碳分 煅烧工艺, 最终得到氧化铝。我国粉煤灰综合利用现状 我国粉煤灰综合利用工作，长期以来一直受到国家的 重视。早在50年代已开始在建筑工程中作混凝
15、土、砂浆的 掺和料，在建筑工业中用来生产砖，在道路工程中作路面 基层材料等，尤其在水电建设大坝工程中使用最多60年代 开始粉煤灰利用重点转向墙体材料，研制生产粉煤灰密实 砌块、墙板、粉煤灰烧结陶粒和粉煤灰粘土烧结砖等70年 代，国家为建材工业利用粉煤灰投资不少，而利用问题没 有解决好到80年代，国家把资源综合利用作为经济建设的 一项重大经济技术政策，使粉煤灰综合利用得到了蓬勃的 发展1990年粉煤灰排放量为6700万t，利用量为1900万t， 利用率为28.31995年排放量为9936万t，利用量为4145 万t，利用率已达422000年排放量为1.2亿万t，利用量 为7000万t，利用率为5
16、8。粉煤灰的排放量、利用率呈 同步增长，尤其上海近几年来粉煤灰利用率100，为全 国之首。1.在建筑材料工业中的应用我国粉煤灰综合利用始于建材领域，至今己有50多年 的历史，积累了一系列生产、利用和管理方面的经验。就 全国而言，生产建筑材料利用粉煤灰的量最大，约占利用 总量的35% , 而且利用途径和方式也最多。粉煤灰生产的 建筑材料主要有:粉煤灰水泥、代替粘上做水泥原料、普 通水泥、硅酸盐水泥、硅酸三钙水泥、硫酸铝酸钙水泥、 低体积质量油田水泥、早强水泥等，有的粉煤灰掺量达75 硅酸盐承重砌块和小型空心砌块、加气混凝上砌块及板 、烧结陶粒、烧结砖、蒸压砖、蒸养砖、高强度双免浸泡 砖、双免砖、钙硅板等。粉煤灰建筑制品可分为非烧制和烧制型，非烧制粉煤 灰建筑制品的诸多产品中，最先得到开发的是蒸养制品， 这类产品的特点是利用粉煤灰具有的火山灰活性，与含钙 物质配合，在一定温、湿度条件下与之发
