浅谈粉煤灰性质及利用现状.doc

内蒙古师范大学 本科学年论文论文题目:浅谈粉煤灰性质及利用现状 院 系 化学与环境科学学院 专 业 环境科学 授 课 语 种 汉 学 生 姓 名 玛娜 学 号 20092200111 指导教师姓名 陈丽萍 2013年11月12日 浅谈粉煤灰性质及利用现状化学与环境科学学院 10级环境二班 玛娜 20092200111指导老师 陈丽萍 副教授摘 要 粉煤灰是是以煤燃烧后的烟气中收捕下的细灰，是燃煤电厂排放出的主要固体废物，是我国排量较大的工业废渣之一。粉煤灰有一定的特殊性质，能够在各领域发挥它的作用。文章中主要浅谈了粉煤灰的性质及利用现状。 关键词 粉煤灰 性质 利用现状 粉煤灰是燃煤电厂排放的固体废弃物。从1914年Anon发现粉煤灰的火山灰特性，到1933年R. E. Davis进行粉煤灰混凝土的应用研究，至今已有七十多年的科学研究和技术开发历史1。如今，粉煤灰作为一种非常重要的资源已被越来越多的人所接受。与日本等发达国家80%的利用率相比，我国的粉煤灰利用率小足50%。据不完全统计，到2000年，我国粉煤灰排放量达到1.6 亿吨2，而且每年以1 千万吨的速度增加。粉煤灰露天堆放小仅占用耕地，污染大气，而且随降水渗入地下则会污染水源。据国内外的研究发现，粉煤灰渗入地下会造成水体pH升高，同时铬、砷等重金属含量大量超标，严重危害人类的生存环境，因此合理利用粉煤灰资源具有十分重要的社会意义。1.定义煤炭在锅炉中燃烧后有两种固态残留物，即灰和渣。随烟气从锅炉顶部排出的，主要经除尘器收集下来的固体颗粒即为粉煤灰，简称灰或飞灰;颗粒较大或呈块状的、从炉膛底部收集出来的称为炉底渣，简称渣或大渣。从综合利用角度讲的粉煤灰，一般也包括渣，即灰渣的统称。粉煤灰是以煤燃烧后的烟气中收捕下的细灰，是燃煤电厂排放出的主要固体废物，是我国排量较大的工业废渣之一。煤粉在炉膛中呈悬浮状态燃烧，燃烧中的绝大部分可燃物都能在炉内烧尽，而煤粉中的不燃物（主要是灰分）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，同时由于表面张力的作用下，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，上述的这些细小的球形颗粒，经过除尘器，被分离，收集，即为粉煤灰。2.粉煤灰的性质 粉煤灰的性质具有较大的波动性。它与煤种、煤源，锅炉的类型、运行条件、收尘及排灰方式等有关。2.1粉煤灰的形态特征 粉煤灰是一种高度分散的微细颗粒集合体，主要由氧化硅玻璃球组成，粒径150m。根据颗粒形状，粉煤灰可分为球形颗粒与不规则颗粒。其中，球形颗粒可分为低铁质玻璃微珠与高铁质玻璃微珠，若据其在水中沉降性能的差异，则可分出飘珠、轻珠和沉珠;不规则颗粒包括多孔状玻璃体。多孔碳粒、其他碎屑和复合颗粒以上各颗粒非常细小，只有借助SEM(扫描电子显微境)才能详细观察其形态特征3。2.2粉煤灰的物理性质粉煤灰是灰色或灰白色的粉状物，含水量大的粉煤灰呈灰黑色，具有较大内表面积的多孔结构，多半呈玻璃状，其主要物理性质列于表14。表1 粉煤灰物理性质表项目密度g/cm3堆积密度g/cm3密实度(%)筛余量%比表面积m2/g原灰标准稠度%需水量%28d抗压强度比%80 m45 m氮吸附法透气法范围1.9-2.90.531-1.26125.6-47.00.6-77.813.4-97.30.8-19.50.1180-0.653027.3-66.789-13037-85均值2.10.78036.522.239.83.40.330018.0106662.3 粉煤灰力学特性粉煤灰的力学特征有抗剪强度，压缩性，击实性，渗透性等性质。粉煤灰属于粉质砂土，在载荷作用下，粉煤灰压缩过程在短时间内就可以结束。某实验可得，粉煤灰的击实曲线与粘性土相似，但具有相对较宽的最优含水量区间，即粉煤灰的干容重对含水量的敏感性远比粘性土小，这一特点是由粉煤灰的结构特点决定。击实能量大。颗粒细、密度大、颗粒级配好的粉煤灰能取得较大的干密度、偏低的最优含水量。离排灰日较近的灰具有较大的干密度。相对密度试验测得的最大干密度值均大于击实干密度值，说明振动作用有利于粉煤灰的压实。粉煤灰渗透系数介于天然砂质粉土和粘质粉土的量级水平，透水性能较大。2.4 粉煤灰的化学成分 粉煤灰是一种火山灰质材料，来源于煤中无机组分，而煤中无机组分以粘土矿物为主，另外有少量黄铁矿、方解石、石英等物。因此粉煤灰化学成分以SiO2和Al2O3为主(SiO2含量约48%，Al2O3含量约27% )，其它成分为Fe203, CaO, MgO,K2O,Na2O, SO3及未燃尽有机质(烧失量)。不同来源的煤和不同燃烧条件下产生的粉煤灰,其化学成分差别很大。2.5 粉煤灰的矿物组成 煤粉在锅炉中燃烧时，其无机矿物经历了分解、烧结、熔融及冷却等过程。冷却后的粉煤灰基本上可分成玻璃体及晶体矿物两大类。冷却速度较快时，粉煤灰的玻璃体含量较大；相反，冷却速度较慢时，玻璃体容易析晶。粉煤灰的主要晶体矿物为石英、莫来石、赤铁矿、磁铁矿及无水石膏X射线衍射分析表明，除上述诸矿物外，粉煤灰同时含有玻璃体。玻璃体能在常温下与石灰或水泥水化时析出的氢氧化钙发生火山灰反应。此反应产物具有一定的胶凝性，使胶凝材料产生一定的力学性能。晶体矿物一般在常温下不参与水化反应5。粉煤灰矿物组成波动范围较大，但是，玻璃体在其组成中占主要地位。在矿物中以莫来石及石英为主，赤铁矿及磁铁矿的含量均较低。与美国及英国相比，我国粉煤灰的玻璃体含量较低，除锅炉容量较小外，燃烧温度较低也是个原因6。2.6 粉煤灰的其他性质2.6.1活性粉煤灰的活性也称为火山灰活性，指粉煤灰能够与石灰生成具有胶凝性能的水化物。粉煤灰本身没有或略有水硬胶凝性能，但存在水分，特别是在水热处理(蒸压养护)条件下，能与Ca(OH)2等碱性物质发生反应，生成水硬胶凝性能化合物。 粉煤灰活性与粉煤灰化学成分、玻璃体含量、细度、燃烧条件、收集方式等因素有关。一般含水量高，燃烧温度高，玻璃体含量多，曲度大，含碳量低的粉煤灰活性高。 粉煤灰含有较多的活性氧化物(SiO2，A12O3)，它们分别能与氢氧化钙在常温下起化学反应，生成较稳定的水化硅酸钙和水化铝酸钙。因此粉煤灰和其他火山灰质材料一样，当与石灰、水泥熟料等碱性物质混合加水拌合成胶泥状态后，能凝结、硬化并具有一定强度。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。高温熔融并经过骤冷的粉煤灰，含大量的表面光滑的玻璃微珠。这些玻璃微珠含有较高的化学内能，是粉煤灰具有活性的主要矿物相。玻璃体中含的活性SiO2和活性Al2O3含量愈多，活性愈高。除玻璃体外，粉煤灰中的某些晶体矿物，如莫来石、石英等，只有在蒸汽养护条件下才能与碱性物质发生水化反应，常温下一般不具有明显的活性。少数含氧化钙很高的粉煤灰，由于其本身含有较多的游离石灰和一些具有水硬活性的矿物，如硅酸二钙、三铝酸五钙等，因此这种粉煤灰加水后，即可自行硬化并产生一定的强度。2.6.2 煤灰的颗粒特性进人炉膛燃烧的煤灰颗粒，其化学成分、粒径及形状并不完全一致，在炉内的燃烧程度亦有差别。因此，收尘器收集的粉煤灰，其颗粒的燃烧程度亦有一定的差别。燃烧程度仅处于第一阶段的颗粒以焦炭为主。第二阶段中的粉煤灰颗粒以多孔性玻璃体为主。第三阶段结束时，粉煤灰基本上由球状玻璃珠组成。依据其化学成分，它可以是低铁玻璃珠或高铁玻璃珠。密实玻璃珠主要富集在小粒径粉煤灰部分，多孔玻璃体则集中在大颗粒粉煤灰部分。3.粉煤灰的分类 我国粉煤灰目前尚无公认的分类方法，只是笼统地将粉煤灰分为低钙灰(CaO10%)两类，高钙灰的颗粒表面一般不规则，低钙灰常为多孔颗粒或圆形表面光滑的球状颗粒。4.粉煤灰的应用4.1粉煤灰在建材方面的应用4.1.1制取粉煤灰水泥和作为混凝土基本材料 由于粉煤灰的主要成分SiO2、Al2O3是不定型的，在常温有水存在的情况下，能与碱金属和碱土金属牛“凝硬反应”，所以粉煤灰可以作为一种优良的水泥和混凝土的掺和料使用。 相对于直接在混凝土中掺人粉煤灰而言，尽可能在水泥生产过程中多掺粉煤灰大有好处，因为水泥生产中掺加粉煤灰不存在掺配不均的问题，而目经过机械活化，还可以提高粉煤灰等级，充分发挥其胶凝性，这一点己得到国内外专家的认可。4.1.2粉煤灰制砖 粉煤灰制砖是我国目前粉煤灰量大面广的项目之一，其特点是工艺简单，建厂速度快，吃灰量大。“十五”期间，国家进一步加大淘汰实心粘土砖的力度，至2009年底前所有省会城市禁用实心粘土砖，这样粉煤灰制石将大有可为，市场前景广阔。粉煤灰可以和粘土、页岩，煤矸石分别做成不同类型的烧结砖。用粉煤灰代替音分粘土烧制的砖。它的性能与普通砖相比，强度相同而重量约轻20%，导热系数小，能改善物理性质，可减少晾坯时间和场地，可少用烘料，降低单耗，节约能源。4.1.3粉煤灰制各种砌块 利用粉煤灰可以制成各种大型砌块和板材。以粉煤灰为主要原料，在加热条件下与石灰、石膏、水泥。骨料等原材料发生反应，转化后的产物具有水硬性，因此砌块便有了必要硬度。生产过程中应因地制宜地选择原料路线和配比。4.2粉煤灰在农业方面的应用 粉煤灰可以改良土壤的质地，使其容重、比重、孔隙通气性、渗透率、二相比关系、pH值等理化性质得到改善，可起到增产效果。用粉煤灰改良粘性土、酸性土效果明显。每亩掺灰量应控制在1. 5-3万公斤(累计量)，在适宜的施灰量下，对小麦、玉米、水稻、大豆等约能增产10%20% 。但对砂质上不宜接施粉煤灰。粉煤灰还可纯灰植树。在粉煤灰灰场上种植乔、灌木。可减少扬尘和增加绿化面积。 粉煤灰的农用具有投资少、用量大、需求平稳、潜力大等特点，是适合我国国情的重要综合利用途径，日前，我国粉煤灰的农业应用研究主要是粉煤灰的改土效果和肥料价值。虽然粉煤灰中的硅成分主要是玻璃体部分与铝元素结合呈柱状品体，不能直接被农作物吸收，但SiO2，与Ms(OH)2。和KOH在900的高温下可以烧结形成化合物。这种化合物中的硅、镁、钾等元素，易被农作物吸收，所以粉煤灰通过技术加工可以制成肥料。粉煤灰的组成以微细玻璃为卞，细砂约占80% ,所以粉煤灰可以作为土壤改良剂。另外，粉煤灰磁化肥具有明显的增产作用。粉煤灰磁化肥是以粉煤灰为载体，加上有效养分，具有独特磁作用的肥料。其营养丰富，磁化肥便于形成易为作物吸收的营养单元，不仅可以提高化肥的利用率，而目可以大量利用粉煤灰。4.3粉煤灰在废水处理方面的应用 粉煤灰治理废水及应用，对于环境保护具有非常重要的现实意义。粉煤灰比表面积大、多孔，具有一定的活性基团，其附作用主要包括物理吸附和化学吸附两种，它能吸附污水中悬浮物、脱除有色物质、降低色度、吸附并除去污水中的耗氧物质。粉煤灰中的AI2O3、CaO等活性组分，能与氟生成络合物或生成对氟有絮凝作用的胶体离了，从而具有较好的除氟能力。粉煤灰还具有一定的除臭能力。从某发电厂的试验结果可以看出，粉煤灰对采油废水COD和氨氮去除率超过20%,经过工业运行充分混合，长时间吸附、沉降过滤及生化处理，效果更佳。4.4粉煤灰在烟气脱硫中的应用近儿年来，国内外都在开展利用粉煤灰制高级脱硫剂的研究。粉煤灰中主要成分SiO2, AI2O3, Fe2O3和CaO在常温有水存在的情况下，细粉末状的火山灰能与碱金属和碱土金属发生“凝硬反应”的特性，被认为是粉煤灰循环利用过程中提高钙基吸收剂利用率的原因所在。4.5从粉煤灰中回收金属稼据有关资料显示，回收贵金属钵的途径除了从炼铝、锌、钡、铜过程中回收外，还有一种途径，即是从富含镜的煤中提取，英国某公司采用还原熔炼革取法及碱熔碳酸化法成功从粉煤灰中提取了金属称。我国湘潭大学等开展从粉煤灰中回收藏的项日研究。4.6在环境保护方面的应用在环境保护方面，粉煤灰主要应用于处理废气、废水。粉煤灰比表面积大、多孔，具有很好的吸附性和沉降作用，能吸附污水中悬浮物、脱除有色物质、降低色度、吸附并除去污水中的耗氧物质，目粉煤灰具有较好的除氟能力。用粉煤灰制成的脱硫剂，其脱硫效率要高于纯的石灰脱硫剂，这是因为气固反应中吸收剂比表面积的大小是反应速率快慢的主要决定因素。在适当的灰、石灰比和反应温度下，脱硫率可达到90%以上。4.7在化学工业方面的应用粉煤灰中的空心玻璃体称为空心微珠，可用作炸药、塑料、橡胶、沥青、喷料、涂料、绝缘材料、防火材料以及玻璃钢中的填料。从粉煤灰中提取高纯明矾用以合成矶土、粉煤灰制备SiC粉末及粉煤灰制取玻璃陶瓷等。粉煤灰中还含有一定数量的Fe、Al、Ti、V、Ge等金属，可用不同方法提取回收，进行高值利用。5.总结 通过对粉煤灰基本性质的认识，以及粉煤灰综合应用技术的深入推广，既可以充分利用废弃资源，变废为宝，实现可持续发展，又可以减少对环境的危害，因此具有明显的经济效益、社会效益、环境效益7。这样在认真贯彻“突出重点，因地制宜”和“巩固,完善,推广,提高”的方针的同时，把大批量用灰技术作为重点，把提高粉煤灰综合利用经济效益,社会效益有机的结合作为主攻方向；巩固己有的技术成果，逐步完善比较成熟的利用技术，大力推广成熟的粉煤灰综合利用技术，积极采用国际先进技术和装备，不断提高我国的粉煤灰利用技术水平，赶上和超过国际先进水平。扩大粉煤灰综合利用是当前我国确定的资源综合利用突破日之一己列入中国21世纪议程内容。针对粉煤灰利用中存在的问题：(1) 以煤为卞的电力,热力工业迅速发展和粉煤灰综合利用相对落后；(2) 粉煤灰综合利用缺少稳定,可靠的途径；(3) 供需双方利益分配及政策调控力度不够；(4) 技术研究开发力量较薄弱分。在扩大粉煤灰的综合利用中应做好以下工作；(1) 加大对电厂粉煤灰综合利用的认识，树立可持续发展观念；(2) 建立与市场经济相符合的运行机制，国家可以通过政策引导，并给予贷款、税收等方面的优惠；(3) 加强研究成果的产业化，对粉煤灰有效利用途径进行联合技术攻关，提高其利用价值，同时注重推广。总之，随着可利用资源的日益匮乏和环境保护意识的逐渐加强，今后粉煤灰的利用应围绕环境保护型利用、低质灰利用和高附加值型产品的开发方向发展8。6.利用前景展望 今后的发展将注重以下几个方面:(1)在巩固与发展现有技术基础上，继续寻求大用量粉煤灰利用途径，重点开发高掺量粉煤灰制品及长距离输灰技术。 (2)大力开发能产生巨大经济效益的高技术、精细利用途径，针对粉煤灰中某些利用价值较大的颗粒组分，进行分选与深加工利用。(3)由于灰渣的种类日趋复杂化和多样化，其资源化利用向多元化方向发展。 (4)将粉煤灰的利用与大型工程建设紧密结合起来。粉煤灰用于高等级公路、桥梁、河流大坝、石油钻井平台等大型工程建设，具有吃灰量大、技术含量高、经济效益显著等我们充分认识到矿物的不同结构和构造特征对终端产品影响是很大的，特别是在热液脉状方解石矿床和大理岩型重结晶呈粗大的自形晶棱面体，聚片双晶发育的方解石不易加工成高档面涂级造纸颜料。其原因就是超细粉碎只是对矿物自身机械加工物理变化，矿物仍保留其晶形结构构造特征。因此方解石矿物原料的选择仍是等粒状他形变晶结构块状构造的方解大理岩其加工性能好。参考文献：1尚继武，周惟公.粉煤灰综合利用新技术J.科技创新导报, 2008,23(1)，13-14.2王福元，吴正严.粉煤灰利用手册(M).北京:中国电力出版社，2004，13.3郭艳玲.粉煤灰的性质及综合利用分析J. 煤. 2008 (01),34-354杨红彩,郑水林.粉煤灰的性质及综合利用现