粉煤灰的特征、綜合利用的技術(shù)路線(xiàn)與產(chǎn)業(yè)化前景

　　燃煤電廠(chǎng)的燃燒產(chǎn)物(Coal Combustion Products ，簡(jiǎn)稱(chēng)CCPs)，包括粉煤灰(fly ash， 簡(jiǎn)稱(chēng)FA)，爐底灰(bottom ash，簡(jiǎn)稱(chēng)BA)，爐渣(boiler slag，簡(jiǎn)稱(chēng)BS)，流化床鍋爐灰(fluidized bed combustion ash，簡(jiǎn)稱(chēng)FBC灰)，以及半干法脫硫灰(semi dry absorption product，簡(jiǎn)稱(chēng)SDA脫硫灰)和脫硫石膏(flue gas desulphurization gypsum，簡(jiǎn)稱(chēng)FGD gypsum)。

　　一、燃煤電廠(chǎng)粉煤灰的特征

　　(一)粉煤灰的形成過(guò)程

　　煤粉以一定壓力噴入爐膛，由于粒度、初始速度的不同，呈懸浮——沉降狀態(tài)。

　　部分煤粉顆粒處于焰心部位，揮發(fā)分迅速?gòu)墓杷猁}、鋁酸鹽粘土礦物質(zhì)與固體碳之間的縫隙間逸出，比表面積迅速放大;固體碳完全燃燒；礦物質(zhì)脫水、分解、氧化、部分熔融，比表面積逐漸縮小;煙氣溫度迅速降低，顆粒內(nèi)部的氣體來(lái)不及排出，形成包裹著氣體、珠壁也帶有大量微小的海綿狀氣孔的空心微珠。

　　部分煤粉顆粒由于粒度偏大、在高溫區(qū)域停留時(shí)間過(guò)短，上述相變過(guò)程進(jìn)行不充分，形成具有較高潛在活性的球形玻璃體。還有少量煤粉顆粒燃燒不充分，形成多孔碳粒。

　　在鍋爐尾部引風(fēng)機(jī)的負(fù)壓作用下，含有大量上述顆粒煙氣流向爐尾，經(jīng)除塵器過(guò)濾、收集、風(fēng)選后獲得的細(xì)小顆粒統(tǒng)稱(chēng)飛灰；風(fēng)選分離出來(lái)、沉降下來(lái)的比較粗的顆粒稱(chēng)為爐底灰。合稱(chēng)粉煤灰。

　　因此，粉煤灰是顆粒不均勻、礦物相組成復(fù)雜、活性多變的混合物，受到煤粉顆粒成分、粒度、燃燒溫度、風(fēng)壓等多種因素的隨機(jī)疊加影響。

　　工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家因?yàn)槊悍N和火電廠(chǎng)燃燒條件單一，所以粉煤灰的特征相對(duì)穩(wěn)定;而我國(guó)幅員遼闊，煤炭資源分布面廣，各地工業(yè)發(fā)展水平不同，因此粉煤灰特征各異。

　　(二)粉煤灰的化學(xué)成分

　　1、粉煤灰的主要化學(xué)成分

      粉煤灰的化學(xué)成分來(lái)源于煤粉的無(wú)機(jī)組分。煤的無(wú)機(jī)組分包括粘土礦物、少量黃鐵礦、方解石、石英等。因此我國(guó)燃煤電廠(chǎng)粉煤灰的主要化學(xué)成份為：SiO₂、AI₂O₃、Fe₂O₃、CaO、MgO、K₂O、Na₂O、SO₃及未燃盡有機(jī)質(zhì)(燒失量)等。其中SiO₂、AI₂O₃來(lái)自黏土、頁(yè)巖;氧化鐵主要來(lái)自黃鐵礦；氧化鎂和氧化鈣來(lái)自與其相應(yīng)的碳酸鹽和硫酸鹽。不同來(lái)源的煤在不同燃燒條件下產(chǎn)生的粉煤灰，其化學(xué)成分差別很大。

　　2、粉煤灰各化學(xué)成分對(duì)其性能的影響：

　　SiO₂和Al₂O₃：

　　粉煤灰的活性主要來(lái)自玻璃體SiO₂和玻璃體Al₂O₃在一定堿性條件下的水化能力。

　　CaO、MgO和R₂O：

　　結(jié)合態(tài)的CaO 含量愈高，愈能提高其自硬性，使其活性大大高于低鈣粉煤灰，對(duì)提高混凝土的早期強(qiáng)度很有幫助。然而，我國(guó)電廠(chǎng)排放的粉煤灰 90% 以上為低鈣粉煤灰，因此，開(kāi)發(fā)高鈣粉煤灰不失為改善粉煤灰資源化特性的一條途徑。

　　即粉煤灰中的f-CaO、MgO、有效堿在一定的條件下有利于促進(jìn)SiO₂和Al₂O₃的水化反應(yīng)。但為了絕對(duì)保證用于混凝土中粉煤灰的質(zhì)量，在各國(guó)的規(guī)范中都對(duì)這類(lèi)物質(zhì)的含量加以限制。

　　MgO含量過(guò)高時(shí)，將使摻入粉煤灰的水泥、混疑土安定性帶來(lái)不利影響。

　　SO₃：

　　粉煤灰中硫以氧化物SO₃形態(tài)存在，且含量過(guò)多時(shí)，有可能產(chǎn)生膨脹和對(duì)鋼筋有銹蝕作用.GBJ146-1990、GB/T1596-2005和JGJ28-1986都規(guī)定拌制混凝土和砂漿用粉煤灰SO₃ 不大于3%。水泥活性混合材料用粉煤灰不大于3.5%。

　　Fe₂O₃：

　　過(guò)量的Fe₂O₃對(duì)粉煤灰的活性不利。

　　未燃炭粒：

　　粉煤灰中的未燃炭粒為非活性物質(zhì)，由于疏松多孔、吸水大，當(dāng)含炭量過(guò)多時(shí)，對(duì)混凝土的需水性、密實(shí)度、外加劑摻量不利。值得注意的是，碳粒顆粒的粒徑大部分在45μm以上，平均密度只有1.5g/cm3左右。其體積比要比重量比大得多。

　　燒失量略大于含炭量，—般相差0.5%，若粉煤灰中有Ca(OH)₂或碳酸鹽存在時(shí)，由于它們?cè)?00℃時(shí)會(huì)分解，差別會(huì)更大。

　　GBJ146-1990、GB/T1596-2005和JGJ28-1986都規(guī)定拌制混凝土和砂漿用I級(jí)灰燒失量不大于5%，II級(jí)粉煤灰不大于8%，III級(jí)粉煤灰不大于15%。國(guó)內(nèi)有80%以上的粉煤灰燒失量超過(guò)6%，許多地區(qū)的粉煤灰燒失量達(dá)不到II級(jí)要求。上海市推廣的磨細(xì)粉煤灰研究表明：磨細(xì)后燒失量雖不降低，但碳粒對(duì)混凝土的不利影響明顯改善，燒失量限值可以適當(dāng)放寬。

　　水泥活性混合材料用粉煤灰燒失量不大于8%。

　　含水率：

　　含水率影響粉煤灰的儲(chǔ)、運(yùn)，對(duì)高鈣粉煤灰來(lái)說(shuō)，含水還會(huì)明顯影響粉煤灰的活性，并造成固化結(jié)塊。

　　GB/T1596-2005和JGJ28-1986、GBJ146-90都規(guī)定含水率不得超過(guò)1%。

　　(三)粉煤灰的礦物成分

　　粉煤灰是非晶體礦物、晶體礦物、少量未燃炭的混合物，三者的比例同樣受到煤粉顆粒成分、粒度、燃燒溫度、風(fēng)壓等多種因素的隨機(jī)疊加影響。其中非晶體礦物為玻璃體、無(wú)定形碳和次生褐鐵礦。玻璃體含量為50%～80%，是粉煤灰活性的來(lái)源。晶體礦物為石英、莫來(lái)石、磁鐵礦、赤鐵礦、氧化鎂、生石灰及無(wú)水石膏等。石英為粉煤灰中的原生礦物，常呈棱角狀，不規(guī)則粒徑，含量不高；

　　莫來(lái)石針狀形集合晶體來(lái)源于粉煤灰中的二氧化硅和三氧化二鋁，含量在1.3-3.6%之間，其變化與煤粉中Al₂O₃含量及煤粉燃燒時(shí)的爐膛溫度等諸多因素有關(guān)。

　　磁鐵礦和赤鐵礦是粉煤灰中鐵的主要賦存狀態(tài)，一般磁鐵礦含量較高。

　　(四)粉煤灰的物理性能：

　　1、表觀色澤

　　變化很大，與成分相關(guān)。低鈣灰一般呈乳白色，高鈣粉煤灰一般呈淺黃色;隨含碳量升高，粉煤灰色澤逐漸變深至灰黑色。用色澤指數(shù)表征，可以粗略判斷粉煤灰性質(zhì)的變化。

　　2、顆粒分類(lèi)：

　　用掃描式電子顯微鏡的觀察表明，分為珠狀顆粒和渣狀顆粒兩大類(lèi)。珠狀顆粒包括漂珠(常稱(chēng)空心微珠)、空心沉珠、復(fù)珠(子母珠)、密實(shí)沉珠(實(shí)心微珠)和富鐵玻璃微珠等五大品種;在渣狀顆粒中包括海綿狀玻璃渣粒、碳粒、鈍角顆粒、碎屑和粘聚顆粒等五大品種。較多電廠(chǎng)的粉煤灰以密實(shí)沉珠為主。正是由于這些顆粒各自組成上的變化，比例不同，直接影響到粉煤灰質(zhì)量的優(yōu)劣。

　　3、細(xì)度：

　　是用于評(píng)估混凝土中粉煤灰質(zhì)量最重要的參數(shù)之一。粒徑分布范圍與水泥接近，為0.5～300μm，但集中在45μm以下，即比水泥細(xì)得多。JGJ28-1986規(guī)定，以80μm標(biāo)準(zhǔn)篩人工篩分法測(cè)定其篩余量：I級(jí)灰不大于5%，II級(jí)灰不大于8%，III級(jí)不大于25%。GBJ146-90粉煤灰混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)范、GB1596-2005粉煤灰新標(biāo)準(zhǔn)中，采用45μm氣流篩篩余量(%)為細(xì)度指標(biāo)：拌制混凝土和砂漿用I級(jí)灰不大于12%，II級(jí)灰不大于20%，III級(jí)灰不大于45%。水泥活性混合材料用粉煤灰對(duì)細(xì)度未作要求。

　　4、比表面積：

　　由于密實(shí)顆粒與多孔顆?；祀s，比表面積不易測(cè)準(zhǔn)。沿用氣體吸附BET原理測(cè)定固態(tài)物質(zhì)比表面積的方法檢測(cè)，粉煤灰比表面積分布于1500～5000cm²/g。

　　5、密度：

　　可以評(píng)定粉煤灰質(zhì)量的均勻性，是評(píng)估混凝土中粉煤灰質(zhì)量最重要的參數(shù)之一。低鈣灰的密度一般為1800～2800kg/m³ ，高鈣灰密度可達(dá)2500~2800kg/m³ ；堆積密度600～900kg/m³，壓實(shí)密度1300-1600kg/m³ ；空隙率一般為60-75%。

　　6、需水量比

　　按GB/T2419測(cè)定試驗(yàn)?zāi)z砂和粉煤灰取代30%水泥的對(duì)比膠砂達(dá)到130-140mm流動(dòng)度時(shí)的加水量之比，能在一定程度上反映粉煤灰物理性質(zhì)的優(yōu)劣。JGJ28-1986、GBJ146-1990、GB1596-2005都規(guī)定：拌制混凝土和砂漿用I級(jí)粉煤灰需水量比不大于95%，II級(jí)灰不大于105%，III級(jí)灰不大于115%。水泥活性混合材料用粉煤灰需水量比未作規(guī)定。

　　7、火山灰活性

　　1987年戴維斯(Davis、R,E)及其同事提出的“粉煤灰具有火山灰質(zhì)混合材料的性質(zhì)”。ISO對(duì)火山灰材料及其活性定義如下：火山灰材料就是在常溫下與石灰一起水化后能夠生成具有硬性的化合物的材料。對(duì)粉煤灰而言，就是在常溫下與石灰反應(yīng)的能力。SiO₂、A1₂O₃為酸性氧化物，CaO、Mg0為堿性氧化物，計(jì)算其堿性率(Mo)，可以初步評(píng)定其活性：

　　若Mo=(CaO%+MgO%)/(SiO₂%+AI₂O₃%)<1，則屬酸性，利于進(jìn)行“火山灰反應(yīng)”。

　　各國(guó)的混凝土用粉煤灰標(biāo)準(zhǔn)多數(shù)采用“抗壓強(qiáng)度比”表達(dá)粉煤灰的火山灰活性。但是其試驗(yàn)結(jié)果卻不能直接用來(lái)指導(dǎo)粉煤灰混凝土的配合比，也不能用來(lái)確定粉煤灰對(duì)混凝土強(qiáng)度的貢獻(xiàn)。

　　鑒于粉煤灰的活性必須通過(guò)混凝土試驗(yàn)才能合理地反映出來(lái)，GB1596-2005中只對(duì)用于水泥的粉煤灰規(guī)定“強(qiáng)度活性指數(shù)”的要求，而對(duì)用于混凝土的粉煤灰則無(wú)要求。JGJ28-1986和GBJ146-1990也不作火山灰活性的規(guī)定。

　　8、沸煮安定性

　　雷氏夾沸煮后增加距離不大于5mm。

　　9、收縮性

　　美國(guó)ASTM  C-618對(duì)粉煤灰砂漿試件28d的收縮性增加的最大限值為0.03%，雖然這一規(guī)定并非強(qiáng)制性的，但對(duì)選用粉煤灰卻是很有好處的。我國(guó)的有關(guān)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)程對(duì)收縮性都不作規(guī)定。

　　10、均勻性

　　美國(guó)ASTM　C-618規(guī)定粉煤灰密度和細(xì)度的均勻性偏差不得大于5%，對(duì)引氣劑需要量的均勻性規(guī)定不得大于20%。我國(guó)對(duì)此不作規(guī)定。

　　二、國(guó)內(nèi)外粉煤灰綜合利用現(xiàn)狀

　　(一)我國(guó)粉煤灰綜合利用現(xiàn)狀

　　我國(guó)粉煤灰綜合利用工作，長(zhǎng)期以來(lái)一直受到國(guó)家的重視。

　　50年代已開(kāi)始在建筑工程中作混凝土、砂漿的摻和料，在建筑工業(yè)中用來(lái)生產(chǎn)磚，在道路工程中作路面基層材料等，尤其在水電建設(shè)大壩工程中使用最多；

　　60年代開(kāi)始粉煤灰利用重點(diǎn)轉(zhuǎn)向墻體材料，研制生產(chǎn)粉煤灰密實(shí)砌塊、墻板、粉煤灰燒結(jié)陶粒和粉煤灰粘土燒結(jié)磚等；　　近年來(lái)，粉煤灰的排放量、利用率呈同步增長(zhǎng)：

　　1990年粉煤灰排放量為6700萬(wàn)t，利用率為28.3%；

　　1995年排放量為9936萬(wàn)t，利用率42%；

　　2000年排放量為1.2億t，利用率為58%；

　　2005年排放量為3.02億t，利用率為66%；

　　2010年排放量為4.8億t，利用率為68%。

　　2015年排放量預(yù)計(jì)達(dá)到5.8億t，《大宗固體廢物綜合利用實(shí)施方案》提出綜合利用率目標(biāo)為70%。

　　目前我國(guó)粉煤灰的綜合利用領(lǐng)域主要有以下幾類(lèi)：

　　建材產(chǎn)品：

　　約占利用總量的45%左右，主要用于粉煤灰水泥(摻量30%以上)，代粘土做水泥原料，普通水泥(摻量30%以下)，硅酸鹽承重砌塊和小型空心砌塊，加氣混凝土砌塊及板，燒結(jié)陶粒，燒結(jié)磚，蒸壓磚，蒸養(yǎng)磚，高強(qiáng)度雙免浸泡磚，雙免磚，鈣硅板，大體積混凝士，泵送混凝土，高低標(biāo)號(hào)混凝土，灌漿材料等。

　　道路工程：

　　約占利用總量的20%，主要用于粉煤灰、石灰石砂穩(wěn)定路面基層，粉煤灰瀝青混凝土，粉煤灰用于護(hù)坡、護(hù)提工程和剛粉煤灰修筑水庫(kù)大壩等。

　　農(nóng)業(yè)：

　　約占利用總量的15%，主要用于改良土壤，制作磁化肥，微生物復(fù)合肥，農(nóng)藥等。

　　填筑材料：

　　約占利用總量的15%，主要有：粉煤灰綜合回填，礦井回填，小壩和碼頭等的填筑等。

　　提取礦物和高附加值利用：

　　約占利用總量的5%，主要有：粉煤灰中提取微珠、碳、鐵、鋁，洗煤重介質(zhì)，冶煉三元合金，高強(qiáng)輕質(zhì)耐火磚和耐火泥漿，作為塑料，橡膠等的填充料，制作保溫材料和涂料等。

　　(二)歐洲粉煤灰綜合利用現(xiàn)狀

　　按照歐洲煤炭燃燒產(chǎn)物協(xié)會(huì)(ECOBA)公布的數(shù)據(jù)，歐洲近年粉煤灰綜合利用情況。

　　(三)美國(guó)粉煤灰綜合利用現(xiàn)狀

　　1914年，美國(guó)Anon發(fā)表《煤灰火山特性的研究》，首先發(fā)現(xiàn)粉煤灰中氧化物具有火山灰特性。

　　美國(guó)伯克利加州理工學(xué)院的R.E.維斯1933年后開(kāi)始系統(tǒng)研究粉煤灰在混凝土中的應(yīng)用，并擴(kuò)展到各利用領(lǐng)域。

　　二戰(zhàn)之后，尤其是冷戰(zhàn)時(shí)期爆發(fā)的石油危機(jī)之后，許多國(guó)家發(fā)電廠(chǎng)的燃料結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向煤炭。隨之而來(lái)的是大量灰渣的排放，使得粉煤灰的綜合利用逐漸形成了一個(gè)新興產(chǎn)業(yè)。

　　按照美國(guó)粉煤灰協(xié)會(huì)(ACAA)公布的數(shù)據(jù)，美國(guó)近年粉煤灰綜合利用情況。

　　(四)日本粉煤灰綜合利用現(xiàn)狀

　　日本1955年首先在大壩中使用粉煤灰。從1955年至1968年共建筑了27座粉煤灰混凝土水壩，而后在建筑、道路、橋梁等工程中大量應(yīng)用。

　　根據(jù)日本煤炭能源中心(JCOAL)提供的數(shù)據(jù)顯示，2006年日本粉煤灰使用量為1065.7萬(wàn)噸，各利用方向占利用總量的比例。

　　2007年日本粉煤灰產(chǎn)生量1199萬(wàn)噸，有效利用1163萬(wàn)噸，有效利用率97%。各利用方向占有效利用總量的比例。

　　由于粉煤灰產(chǎn)生量逐年增加，而水泥產(chǎn)量不斷減少，雖然增加了粉煤灰替代粘土作為水泥原料的比例，但也已經(jīng)接近極限。因此，日本近年來(lái)又進(jìn)行了以下方面的探索：

　　兵庫(kù)縣赤穂市的basalt工業(yè)株式會(huì)社用粉煤灰開(kāi)發(fā)生產(chǎn)各種耐腐蝕、耐高溫、重量輕的管材，出口30多個(gè)國(guó)家地區(qū)。

　　NEC利用粉煤灰開(kāi)發(fā)出了阻燃性聚碳酸脂樹(shù)脂。

　　三井造船株式會(huì)社研發(fā)粉煤灰的改質(zhì)除碳技術(shù)。

　　JFE控股公司利用粉煤灰和煤矸石等工業(yè)固體廢料為原料，使用電熱還原法直接制備鋁硅鐵合金。

　　旭硝子株式會(huì)社以粉煤灰、硅砂、水泥、石灰等為主要原料，研發(fā)輕質(zhì)加氣混凝土板材。

　　東北発電工業(yè)(株)東京営業(yè)所用粉煤灰研發(fā)水処理剤「FA-MICS」。具有多孔粒子特性，具有很強(qiáng)的吸附有害化學(xué)物質(zhì)的功能。

　　自然応用科學(xué)(株)用粉煤灰研發(fā)微晶玻璃。

　　(株)竹中道路用粒徑用粉煤灰研發(fā)出高強(qiáng)度、低吸水率的彩色鋪路材料。

　　(株)神戸制鋼所：用粉煤灰研發(fā)出了透水系數(shù)為1×10-2cm/sec，壓縮強(qiáng)度為16N/mm2，空隙率8～18%的透水性及強(qiáng)的混凝土材料。

　　三、當(dāng)前粉煤灰綜合利用技術(shù)及其前沿綜述

　　(一)高鋁粉煤灰和煤矸石工業(yè)化制備鋁硅鐵合金試驗(yàn)

　　中國(guó)有色金屬工業(yè)協(xié)會(huì)組織北京炎黃投資管理有限公司、北京航空航天大學(xué)研究完成了“高鋁粉煤灰和煤矸石工業(yè)化制備鋁硅鐵合金試驗(yàn)”項(xiàng)目的研究，該項(xiàng)目在我國(guó)首次進(jìn)行了利用粉煤灰和煤矸石等工業(yè)固體廢料為原料，使用電熱還原法直接制備鋁硅鐵合金的工業(yè)試驗(yàn)，合金含鋁24%，含硅49%，含鐵25%。

　　(二)美國(guó)美泰科公司高強(qiáng)粉煤灰燒結(jié)陶粒

　　高強(qiáng)粉煤灰燒結(jié)陶粒指經(jīng)過(guò)成球和1000℃以上高溫焙燒等工藝過(guò)程，將粉煤灰轉(zhuǎn)變成具有高強(qiáng)輕質(zhì)、連續(xù)級(jí)配、粒型合理、吸水率低、質(zhì)量穩(wěn)定、保溫性能和泵送性能優(yōu)異的圓球狀顆粒。

　　主要技術(shù)指標(biāo) ：

　　筒壓強(qiáng)度≥5Mpa；

　　堆積密度650-850Kg/m3；

　　顆粒粒徑(5-20mm和5mm以下)級(jí)配連續(xù)；

　　屬結(jié)構(gòu)型輕骨料，主要用于配制輕骨料混凝土：強(qiáng)度LC10-60、容重1750-1950 (輕骨料混凝土技術(shù)規(guī)程：JGJ51-2002)和生產(chǎn)混凝土制品。

　　(三)利用粉煤灰制備高純超細(xì)氫氧化鋁與氧化鋁

　　上世紀(jì)50年代，波蘭格日麥克(J.Grzymek)教授以高鋁煤矸石或高鋁粉煤灰(Al2O3≥30%)為主要原材料，從中提取氧化鋁并利用其殘?jiān)a(chǎn)水泥，于1953年建成年產(chǎn)1萬(wàn)噸氫氧化鋁和10萬(wàn)噸水泥生產(chǎn)線(xiàn)，后在波蘭和美國(guó)等10個(gè)國(guó)家先后取得專(zhuān)利權(quán)；70年代,匈牙利的塔塔邦在引進(jìn)波蘭專(zhuān)利后,經(jīng)消化吸收成為格日麥克-塔塔邦法的干燒結(jié)法，亦取得了專(zhuān)利；80年代后，美國(guó)等又先后提出了酸溶沉淀法，鹽-蘇打燒結(jié)法，煅燒冷卻法，煅燒/稀酸過(guò)濾法等從粉煤灰中回收氫氧化鋁的方法；與此同時(shí)，我國(guó)水電部、冶金部及安徽、浙江、四川等地一些科研單位也開(kāi)始對(duì)該技術(shù)進(jìn)行研究。

　　目前其主要生產(chǎn)工藝有兩種，即石灰石燒結(jié)法和堿石灰燒結(jié)法。

　　石灰石燒結(jié)法的主要工藝環(huán)節(jié)為熟料燒成、自粉化溶出、脫硅、碳分和煅燒：

　　1、熟料燒成：使粉煤灰中Al₂O₃與石灰石結(jié)合成為鋁酸鈣(5CaO·3Al₂O₃和CaO·Al₂O₃)；

　　2、熟料自粉化：當(dāng)熟料冷卻時(shí)，在約650℃溫度下硅酸二鈣(C₂S)由β相轉(zhuǎn)變?yōu)棣孟?，體積膨脹約在10%，致使熟料自行粉化；

　　3、溶出：碳酸鈉溶液與粉化熟料混合，其中的鋁酸鈣與堿反應(yīng)生成鋁酸鈉進(jìn)入溶液，而生成的碳酸鈣和硅酸二鈣留在渣中，達(dá)到鋁和硅、鈣分離的目的。

　　其反應(yīng)式為：

　　5CaO·3Al₂O₃+5Na₂CO₃+2H₂O→5CaCO₃↓+6NaAlO₂+4NaOH

　　4、脫硅：由于鋁酸鈉(NaAlO₂)粗液中還有少量SiO₂，需加入石灰乳液進(jìn)行脫硅處理中和過(guò)剩的Na₂CO₃，以便得到NaAlO₂精液，確保產(chǎn)品氧化鋁的純度。

　　5、碳分(即碳酸化分解)：即是用CO₂中和NaAO₂溶液，降低溶液的堿度，使Al(OH)₃有控制地析出，同時(shí)生成的Na₂CO₃可循環(huán)使用。

　　6、煅燒：將所得Al(OH)₃放入窯內(nèi)，經(jīng)1200℃煅燒，除去水分和結(jié)晶水，從而獲得一定純度的Al₂O₃。

　　四、大規(guī)模綜合利用粉煤灰的技術(shù)與經(jīng)濟(jì)可行性及今后的發(fā)展方向

　　(一)粉煤灰用于建筑材料制品(約占利用總量的45%)

　　1、粉煤灰在水泥及混凝土中的應(yīng)用

　　粉煤灰既可以代替部分黏土作為燒制水泥的原料，又可以作為水泥的混合材。

　　利用粉煤灰還可以生產(chǎn)一些特種水泥：快硬水泥、大壩水泥、無(wú)熟料水泥等。

　　由于粉煤灰具有較低的需水量比、質(zhì)量均勻、火山灰活性等特點(diǎn)，用作混凝土摻料時(shí), 其減水效果顯著, 能有效改善混凝土和易性、抗硫酸鹽侵蝕及堿集料反應(yīng)等耐久性能, 提高抗?jié)B和抗蝕力, 同時(shí)具有減少早期和后期干縮、干燥收縮率等功效。

　　2、粉煤灰生產(chǎn)建材制品

　　(1)粉煤灰燒結(jié)磚

　　粉煤灰的化學(xué)成分和細(xì)度基本上都接近于燒結(jié)普通磚的工藝要求。生產(chǎn)燒結(jié)粉煤灰磚時(shí), 宜采用塑性較好的黏土，因?yàn)轲ね恋乃苄灾笖?shù)越大，粉煤灰可摻入越多。粉煤灰細(xì)度也影響混合料的塑性，細(xì)度越細(xì)，制成的磚的質(zhì)量越好，粉煤灰摻入量可以增加。磚粉煤灰摻量一般在30-70% 之間，其特點(diǎn)是體積輕、強(qiáng)度高、導(dǎo)熱系數(shù)小、砌筑效率高。

　　粉煤灰燒結(jié)磚一般以粉煤灰、爐渣、頁(yè)巖為主要原料，粉煤灰摻入量20-40%(重量比)，含碳量沒(méi)有嚴(yán)格限制，便于處理那些早期排出、長(zhǎng)年積存在灰?guī)熘械摹瓣惢摇?，?jīng)攪拌、擠壓、成型、燒制而成。與粘土或頁(yè)巖相比，粉煤灰的容重小、顆粒級(jí)配差、塑性極低甚至基本無(wú)塑性、含水率高(濕排灰30-40%)，因此大多數(shù)粉煤灰燒結(jié)磚廠(chǎng)運(yùn)行故障多，生產(chǎn)成本大。

　　目前國(guó)內(nèi)多家機(jī)構(gòu)致力于通過(guò)配料、甚至摻加粘結(jié)劑改善其塑性;或者通過(guò)大壓力成型規(guī)避其塑性的影響。根據(jù)國(guó)外經(jīng)驗(yàn)，若在混合料中摻以合適的增塑劑，并相應(yīng)地改進(jìn)成型設(shè)備與調(diào)整工藝，完全有可能用粉煤灰代替80-90%的粘土制燒結(jié)磚。

　　(2)蒸壓/ 蒸養(yǎng)粉煤灰磚：

　　粉煤灰磚是我國(guó)利用粉煤灰生產(chǎn)房建材料最早出現(xiàn)的品種。它是以粉煤灰、石灰、石膏以及細(xì)集料, 按一定比例配合, 經(jīng)攪拌、消化、輪碾、壓制成型、高壓或常壓蒸汽養(yǎng)護(hù)制成的墻體材料。其強(qiáng)度可達(dá)15 MPa 以上, 能經(jīng)受15 次凍融循環(huán)的要求, 碳化系數(shù)為0.8，具有較好的耐久性。凡符合JC/T 409- 2001 《硅酸鹽建筑制品用粉煤灰》質(zhì)量要求的I、II、Ⅲ級(jí)粉煤灰均可用以生產(chǎn)粉煤灰磚。

　　蒸壓(養(yǎng))粉煤灰磚是以粉煤灰、石灰為主要原料，摻入石膏以及骨料為原料，經(jīng)配料制備、壓制成型、高壓(常壓)蒸汽養(yǎng)護(hù)等工藝過(guò)程而制成的實(shí)心粉煤灰磚。按濕熱養(yǎng)護(hù)條件不同,分別稱(chēng)作蒸壓粉煤灰磚、蒸養(yǎng)粉煤灰磚及自養(yǎng)粉煤灰磚。

　　蒸壓(養(yǎng))粉煤灰磚的干燥收縮值普遍一般在0.6-1.0%，砌墻很容易產(chǎn)生裂縫;如果采用普通水泥砂漿，蒸壓粉煤灰磚砌體的抗剪強(qiáng)度比燒結(jié)實(shí)心粘土磚砌體低30%。

　　保證措施包括：

　　生石灰的活性氧化鈣含量；

　　骨料的品種與顆粒級(jí)配：骨料可以是中砂、高爐水淬礦渣、鋼渣、鍋爐爐渣、石屑等，其中鋼渣首先要除鐵，其次要進(jìn)行蒸壓處理，以消解中鋼渣中的過(guò)燒氧化物，鍋爐爐渣要控制碳含量，并通過(guò)破碎篩分調(diào)整級(jí)配；

　　合理的配方：合理的硅鈣比能保證產(chǎn)生更多水化硅酸鈣，特別是托勃莫萊石和硬硅鈣石，良好的級(jí)配能得到最大體積密度的磚坯和磚；

　　充分?jǐn)嚢杌旌希翰捎镁喣霐嚢铏C(jī)不斷把經(jīng)過(guò)碾壓的泥餅通過(guò)攪拌葉攪拌分散；

　　較高的成型壓力：最好能雙向加壓，盡可能有效排氣，使磚坯及磚產(chǎn)品有較大密實(shí)度，降低其干燥收縮值；

　　較高的蒸壓養(yǎng)護(hù)溫度：加強(qiáng)、加快水化合成反應(yīng)速度,以獲得更多的水化硅酸鈣、托勃莫萊石和硬硅鈣石結(jié)晶體，蒸壓灰砂磚生產(chǎn)一般采用8個(gè)大氣壓的飽和蒸汽(174 ℃)養(yǎng)護(hù)7 h (升降溫1.5 h、恒溫壓4 h);蒸壓粉煤灰磚則采用10～12個(gè)大氣壓的飽和蒸汽8～10 h的養(yǎng)護(hù)。

　　根據(jù)我國(guó)電廠(chǎng)粉煤灰SO₃和C的平均含量計(jì)算，對(duì)于發(fā)展高摻量粉煤灰制品，采用非燒結(jié)工藝更加符合國(guó)家清潔生產(chǎn)的要求。

　　(3)粉煤灰加氣混凝土

　　粉煤灰加氣混凝土的粉煤灰摻量一般可達(dá)70 %，質(zhì)量已達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 11968—2006 蒸壓加氣混凝土砌塊、GB/T 15762—1995 蒸壓加氣混凝土板的規(guī)定。其特點(diǎn)：質(zhì)輕, 容重在400～800 kg/m3；多孔，在容重為500kg/m3 時(shí)，孔隙率為80 %左右；具有良好的防火性能，不燃，無(wú)煙;加工性良好，可用一般的木工工具進(jìn)行鋸、刨、釘、銑。

　　蒸壓加氣混凝土是以硅質(zhì)材料(砂、粉煤灰及含硅尾礦等)和鈣質(zhì)材料(石灰、水泥)為主要原料，摻加發(fā)氣劑(鋁粉)，經(jīng)加水?dāng)嚢?，由化學(xué)反應(yīng)形成孔隙，通過(guò)澆注成型、預(yù)養(yǎng)切割、蒸壓養(yǎng)護(hù)等工藝過(guò)程制成的多孔硅酸鹽制品。

　　1958年，原建工部建筑科學(xué)研究院開(kāi)始研究蒸養(yǎng)粉煤灰加氣混凝土，1962年起建筑科學(xué)研究院與北京有關(guān)單位研究并試制了加氣混凝土制品。并很快在北京矽酸鹽廠(chǎng)和貴陽(yáng)灰砂磚廠(chǎng)進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)獲得成功。1965年引進(jìn)瑞典西波列克斯公司專(zhuān)利技術(shù)和全套裝備，在北京建成我國(guó)第一家加氣混凝土廠(chǎng)——北京加氣混凝土廠(chǎng)，標(biāo)志著我國(guó)加氣混凝土進(jìn)入工業(yè)化生產(chǎn)時(shí)代。

　　根據(jù)GB/T 11968-2006《蒸壓加氣混凝土砌塊》的規(guī)定，加氣混凝土砌塊按抗壓強(qiáng)度分為 A1.0、A2.0、A2.5、A3.5、A5.0、A7.5、A10.0 七個(gè)等級(jí)，按干體積密度分為 B03、B04、B05、B06、B07、B08 六個(gè)級(jí)別。不同容重等級(jí)的加氣混凝土砌塊用于外墻，其熱工指標(biāo)如下：

　　通過(guò)上述熱工參數(shù)保守推算，240 mm厚的B04級(jí)、或300 mm厚的B05級(jí)、或350 mm厚的B06級(jí)粉煤灰加氣混凝土砌塊用于外墻，可以滿(mǎn)足北京地區(qū)第三步建筑節(jié)能目標(biāo)所要求的外墻傳熱系數(shù)限值要求。

　　由于目前主流建筑結(jié)構(gòu)體系的發(fā)展滯后、抗壓強(qiáng)度/干體積密度過(guò)低導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)二次搬運(yùn)破損率過(guò)高、切割偏差過(guò)大導(dǎo)致砌塊灰縫的熱橋影響系數(shù)迅速攀升等因素，直接制約了低密度加氣混凝土單一材料保溫體系的推廣。

　　(4)粉煤灰硅酸鹽砌塊

　　以粉煤灰、石灰、石膏和各種輕重集料(有時(shí)也摻加外加劑)等為原料, 經(jīng)過(guò)計(jì)量配料、加水?dāng)嚢?、振?dòng)成型、蒸氣養(yǎng)護(hù)而制成的一種密實(shí)砌塊, 稱(chēng)為粉煤灰硅酸鹽砌塊。其強(qiáng)度主要來(lái)源于粉煤灰、石灰和石膏組成的膠凝材料。摻入集料主要是為減少砌塊的收縮, 常采用煤渣和陶粒等輕集料, 應(yīng)用爐渣和陶粒還可降低砌塊的容重, 改善其保溫性能。

　　按照J(rèn)C862—2008的定義，粉煤灰小型空心砌塊專(zhuān)指以粉煤灰、水泥、集料、外加劑、水為主要組分拌合制成的小型空心砌塊，其中粉煤灰用量不應(yīng)低于原材料干重量的20%，但不應(yīng)高于原材料干重量的50%;水泥用量不應(yīng)低于原材料干重量的10%。

　　粉煤灰小砌塊需要解決的問(wèn)題包括：

　　1、形成適應(yīng)粉煤灰小砌塊特點(diǎn)和性能要求的成套生產(chǎn)裝備。由于粉煤灰小砌塊原料組份較多、密度較小、粘滯性較大、成型的坯體強(qiáng)度較低，如果直接采用混凝土或輕集料混凝土小砌塊的工藝和裝備，將會(huì)出現(xiàn)以下問(wèn)題：在攪拌過(guò)程中結(jié)團(tuán);卸料和布料困難，布料不均勻;拌合料帶入大量氣體，加之壓縮比大，成型時(shí)排氣不好，導(dǎo)致脫模困難，剛成型的坯塊強(qiáng)度低，在脫模、輸送過(guò)程中易產(chǎn)生裂紋和缺棱掉角，成品率降低等問(wèn)題。

　　2、大摻量粉煤灰對(duì)小砌塊強(qiáng)度、收縮、碳化、抗凍、軟化系數(shù)、抗?jié)B性、耐久性的影響。

　　3、根據(jù)建筑的結(jié)構(gòu)形式確定小砌塊的規(guī)格尺寸和孔洞率，考查粉煤灰小砌塊建筑的熱、裂、漏情況。

　　(二)粉煤灰用于道路工程(約占總用灰量的35%)

　　粉煤灰可代替部分傳統(tǒng)筑路材料廣泛在路面、基層、填筑路堤及結(jié)構(gòu)回填等道路工程中大量使用, 是直接利用的一種重要途徑, 用灰量占利用總量的20 % 。填筑材料方面，用灰量約15%，主要有綜合回填、礦井回填、小壩碼頭填筑等。

　　(三)粉煤灰在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用(約占總用灰量的15%)

　　1、利用粉煤灰改善土壤

　　粉煤灰中的硅酸鹽礦物和碳粒具有疏松多孔、比表面積大、能保水、透氣好等特點(diǎn)，是土壤本身的硅酸鹽類(lèi)礦物所不具備的。將粉煤灰施入土壤， 可以明顯地改善土壤結(jié)構(gòu)，降低容重、增加孔隙度、縮小膨脹率，能進(jìn)一步改善空氣和溶液在土壤內(nèi)的擴(kuò)散，調(diào)節(jié)土壤的溫度和濕度，從而顯著地改善黏質(zhì)土壤的物理性質(zhì)，促進(jìn)土壤中微生物活性，有利于養(yǎng)分轉(zhuǎn)化和保濕保墑，使水、肥、氣、熱趨向協(xié)調(diào)，為作物生長(zhǎng)創(chuàng)造了良好的土壤環(huán)境。合理施用符合農(nóng)用標(biāo)準(zhǔn)的粉煤灰，會(huì)使不同土壤都具有增產(chǎn)作用。

　　2、利用粉煤灰生產(chǎn)復(fù)合肥

　　粉煤灰磁化復(fù)合肥是利用粉煤灰為填充材料， 加入適當(dāng)比例的營(yíng)養(yǎng)元素，經(jīng)電磁場(chǎng)加工制成的。它不但保持了化肥原有的速效養(yǎng)分，還添加了剩磁，兩者協(xié)同作用肥效更高。利用粉煤灰制作的磁化復(fù)合肥對(duì)蔬菜和各種農(nóng)作物均有顯著的增產(chǎn)作用，經(jīng)濟(jì)效益良好。

　　(四)粉煤灰在環(huán)境保護(hù)方面的應(yīng)用(占總用灰量的4% )

　　1、粉煤灰在污水處理方面的應(yīng)用

　　粉煤灰顆粒細(xì)、質(zhì)輕、疏松多孔、表面能高，具有一定的活性基團(tuán)和較強(qiáng)的吸附能力，其吸附作用主要包括物理吸附和化學(xué)吸附。經(jīng)硫鐵礦渣、酸、堿、鋁鹽或鐵鹽溶液改性后， 輔以適量的助凝劑，可用來(lái)處理生活污水、焦化廢水、造紙廢液、含酚廢水等各類(lèi)廢水。實(shí)踐表明，經(jīng)改性后的粉煤灰在廢水脫色除臭、有機(jī)物和懸浮膠體去除、細(xì)菌微生物和雜質(zhì)凈化以及Hg2+ ，Pb2+，Cu2+ ， Ni2+，Zn2+ 等重金屬離子去除上，均有顯著的處理效果。

　　2、煙氣脫硫

　　粉煤灰含有較多的CaO、Na₂O、MgO等堿性氧化物，水溶液呈堿性， 因此可用于煙氣脫S。在Ca( OH)₂ 漿液中加入飛灰，生成水合硅酸鈣具有較大的比表面積和含水率， 脫硫活性比純Ca( OH) ₂ 增加5 倍, 大大提高了脫硫效率。

　　(五)粉煤灰在化工領(lǐng)域的應(yīng)用(約占總用灰量的1%)

　　1、從粉煤灰中提取氧化鋁

　　通過(guò)粉煤灰首先制得明礬作為中間產(chǎn)物, 而后再制得氧化鋁 。內(nèi)蒙古蒙西高新技術(shù)集團(tuán)有限公司將建設(shè)年產(chǎn)40 萬(wàn)噸粉煤灰氧化鋁工程項(xiàng)目。總投資160895 萬(wàn)元，計(jì)劃于2007 年底建成投產(chǎn)。

　　2、粉煤灰制高分子填充材料

　　對(duì)粉煤灰進(jìn)行一定細(xì)化加工，可以對(duì)合成材料進(jìn)行改性，是目前國(guó)內(nèi)外粉煤灰利用的熱點(diǎn)。例如: 粉煤灰填充聚氯乙烯塑料制品可提高塑料彎曲撓度和耐熱變溫度； 粉煤灰填充橡膠制品可起到增強(qiáng)和補(bǔ)強(qiáng)、硫化和替代炭黑的作用；粉煤灰作填料的酚醛樹(shù)脂， 可以改善和增強(qiáng)酚醛樹(shù)脂的尺寸穩(wěn)定性、彎曲強(qiáng)度、抗沖擊強(qiáng)度和壓縮強(qiáng)度等。

　　(五)我國(guó)粉煤灰綜合利用中存在的問(wèn)題

　　影響粉煤灰質(zhì)量的煤燃燒技術(shù)、粉煤灰的收集與分選技術(shù)，以及粉煤灰制品的質(zhì)量控制體系(包括技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范和質(zhì)量檢測(cè)等方面)，與發(fā)達(dá)國(guó)家相比還存在一定差距；

　　利用方式較為單一，主渠道仍為筑路、建材制品、混凝土和水泥等，受季節(jié)影響較大，綜合利用率偏低且存在顯著的地區(qū)差異；

　　在綜合利用過(guò)程中，尚存在對(duì)環(huán)境的某些負(fù)面影響，如貯灰場(chǎng)和運(yùn)輸車(chē)的揚(yáng)塵污染、提取有用物質(zhì)后廢渣的處理、農(nóng)用過(guò)程中重金屬積累及建材制品的放射性問(wèn)題等；

　　粉煤灰品質(zhì)波動(dòng)大， 資源化程度低， 表現(xiàn)為燒失量、細(xì)度常難達(dá)到應(yīng)用要求；

　　在精細(xì)化工利用方面(如提煉有價(jià)值礦物合金組分材料、塑料填充劑及回收稀有金屬等)研究的較多，真正應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐的仍較少。

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