實現(xiàn)低鈣低質(zhì)粉煤灰的高值利用

　　粉煤灰主要來源于燃煤電廠，是磨細煤粉在鍋爐內(nèi)高溫燃燒所產(chǎn)生的煙塵由集成裝置捕集到的細灰，屬燃煤電廠生產(chǎn)過程中的伴生產(chǎn)物，是我國當(dāng)前排量較大的三大工業(yè)廢渣之一。

　　近年來，我國能源發(fā)電能力年增長率達7.3%，其中燃煤電廠每年發(fā)電量占全國總發(fā)電量的78%。隨著電力工業(yè)的迅速發(fā)展，粉煤灰的排放量急劇增加。雖然我國粉煤灰年綜合利用率總體保持在68%左右，但燃煤熱電廠每年所排放的粉煤灰總堆積量仍逐年增加?！笆晃濉蹦┓勖夯夷戤a(chǎn)生量達4.8億噸，2012年達到6.1億噸。預(yù)測“十二五”末粉煤灰年產(chǎn)生量將達到8.7億噸，煤灰累積量堆存近27億噸，需占用土地、良田27萬畝。粉煤灰龐大的堆存量給我國的國民經(jīng)濟建設(shè)及生態(tài)環(huán)境建設(shè)造成巨大的壓力。

　　粉煤灰的綜合利用一直受到國家的高度重視。2010年7月23日國家發(fā)改委、科技部、工業(yè)和信息化部等6部委聯(lián)合發(fā)布了《中國資源綜合利用技術(shù)政策大綱》。對粉煤灰這一資源深度研發(fā)，可實現(xiàn)在建工、建材、水利、環(huán)保等產(chǎn)業(yè)的廣泛應(yīng)用。

　　粉煤灰外觀類似水泥，顏色在乳白色到灰黑色之間變化。粉煤灰的顏色是一項重要的質(zhì)量指標(biāo)，不僅可以反映含碳量的多少和差異，而且在一定程度上也可以反映粉煤灰的細度。粉煤灰顏色越深，粒度越細，含碳量越高。粉煤灰有低鈣粉煤灰和高鈣粉煤灰之分，通常高鈣粉煤灰的顏色偏黃,低鈣粉煤灰的顏色偏灰。粉煤灰顆粒呈多孔型蜂窩狀組織，比表面積較大，具有較高的吸附活性，顆粒的粒徑范圍為0.5μm~300μm，并且珠壁具有多孔結(jié)構(gòu)，孔隙率高50%~80%，有很強的吸水性。

　　我國火電廠粉煤灰的主要氧化物組成為：SiO₂、Al₂O₃、FeO、Fe₂O₃、CaO、TiO₂、MgO、K₂O、Na₂O、SO₃、MnO₂等，此外還有P₂O₅等。其中氧化硅、氧化鈦來自黏土，巖頁；氧化鐵主要來自黃鐵礦；氧化鎂和氧化鈣來自與其相應(yīng)的碳酸鹽和硫酸鹽。

　　湖北大學(xué)天沭新能源材料工業(yè)研究設(shè)計院經(jīng)過研究和試驗，發(fā)現(xiàn)粉煤灰要實現(xiàn)其高附加值的高效綜合利用，必須解決以下難點和難題：

　　一是粉煤灰的化學(xué)組成成分復(fù)雜。粉煤灰的化學(xué)組成中硅含量最高，其次是鋁，以復(fù)雜的復(fù)鹽形式存在，酸溶性較差。鐵含量相對較低，以氧化物形式存在，酸溶性好。此外還有未燃盡的炭粒、CaO和少量的MgO、Na₂O、K₂O、SO₃等。粉煤灰中的有害成分是未燃盡炭粒，其吸水性大，強度低，易風(fēng)化，不利于粉煤灰的資源化應(yīng)用。粉煤灰中的SiO₂、Al₂O₃對粉煤灰的火山灰性質(zhì)貢獻很大，Al₂O₃對降低粉煤灰的熔點有利，使其易于形成玻璃微珠，均為資源化的有益成分。將粉煤灰應(yīng)用于建筑工業(yè)時，結(jié)合態(tài)的CaO含量愈高，愈能提高其自硬性，使其活性遠遠高于低鈣粉煤灰，對提高混凝土的早期強度很有幫助。但是，我國電廠排放的粉煤灰90%以上為低鈣粉煤灰，只有通過對低鈣粉煤灰的改性，才是改善90%粉煤灰資源化特性的一條科學(xué)途徑。

　　二是粉煤灰的顆粒分布極不均勻。粉煤灰的顆粒組成，按其顆粒形貌，可分為玻璃微珠、海綿狀玻璃體（包括顆粒較小、較密實、孔隙小的玻璃體和顆粒較大、疏松多孔的玻璃體）、炭粒。我國電廠排放的粉煤灰中微珠含量不高，大部分是海綿狀玻璃體，顆粒分布極不均勻。只有通過研磨和深加工活化處理，破壞原有粉煤灰的形貌結(jié)構(gòu)，使其成為粒度比較均勻的破碎多面體，提高其比表面積，才能提高其表面活性，改善其性能的差異性。

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　　三是粉煤灰的品質(zhì)差，等級低。國標(biāo)將粉煤灰劃分為I、II、III級，其中低品質(zhì)粉煤灰，即為III級及等外灰。而我國在原狀灰中，能滿足I、II級的灰太少，絕大多數(shù)為低質(zhì)粉煤灰。目前符合I級標(biāo)準(zhǔn)的粉煤灰約占排灰總量的5％，導(dǎo)致電廠排放的大部分粉煤灰不能直接用于結(jié)構(gòu)混凝土，甚至低早期強度的水工混凝土；另一方面我國部分地區(qū)優(yōu)質(zhì)粉煤灰供應(yīng)緊缺，而遠距離運輸將提高生產(chǎn)成本。由于目前應(yīng)用技術(shù)裝備比較落后，與國外先進技術(shù)還存在很大差距。所以，在混凝土中利用好低品質(zhì)粉煤灰顯得十分重要。只有充分利用好低品質(zhì)粉煤灰特性，才能突破粉煤灰摻量和質(zhì)量限制這一瓶頸，才能真正實現(xiàn)粉煤灰的經(jīng)濟、環(huán)保及節(jié)能等綜合效益。

　　為此，湖北大學(xué)天沭新能源材料工業(yè)研究設(shè)計院利用高校產(chǎn)學(xué)研重點資助項目“低鈣、低質(zhì)粉煤灰再生礦產(chǎn)粉狀資源高附加值高效綜合利用新工藝”，及擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的“低鈣、低質(zhì)粉煤灰循環(huán)遞減分級改性共性激發(fā)技術(shù)及裝備”，實現(xiàn)改善低鈣、低質(zhì)粉煤灰資源化特性，突破了對低鈣、低質(zhì)粉煤灰在混凝土中摻量和質(zhì)量限制技術(shù)瓶頸，使其成為一種廣泛應(yīng)用于建工、建材、水利的綠色生態(tài)高活性輔助膠凝材料。

　　其關(guān)鍵點及創(chuàng)新點如下：

　　一、針對粉煤灰中硅氧鍵結(jié)構(gòu)特征，微珠含量不高、大部分是海綿狀玻璃體以及顆粒分布極不均勻等特點，采用高效在線烘干-高效研磨功-高效分級式選粉-高效分級改性等一體化系統(tǒng)集成工藝和專利核心裝備，對粉煤灰以及未燃盡炭粒進行烘干、磨細、循環(huán)、分級、改性的活化處理，破壞原有粉煤灰的形貌結(jié)構(gòu)，使其成為粒度均勻的破碎多面體。粉煤灰玻璃微珠被破壞，增加了硅鋁的溶出和活性硅鋁基團的數(shù)量，斷裂了部分硅氧鍵、鋁氧鍵，達到活性礦物與非活性礦物相分離，從而提高其表面活性，改善其性能的差異性。

　　二、針對低鈣、低質(zhì)粉煤灰具有粉體顆粒表面的不飽和性、粉體顆粒表面的非均質(zhì)性特質(zhì)，以及具有惰性大、活性低的特點，采用物料顆粒特性與表面能、機械能及化學(xué)能優(yōu)化匹配循環(huán)遞減分級改性共性激發(fā)技術(shù)：通過機械能激發(fā)，即利用超細粉磨及其他機械力作用對粉煤灰表面進行激活，使粉體物料發(fā)生晶格畸變，晶格尺寸變小，表面形成無定形或表面非晶態(tài)物質(zhì)等；通過化學(xué)能激發(fā)，即引入一定量的激發(fā)組分改變其礦粒表面的化學(xué)吸附和反應(yīng)活性，來增加其表面活性點或活性基團，形成顆粒表面缺陷，使OH-能有效降低活性粉煤灰中高鍵合的聚集態(tài)進行解聚，破壞其他化合鍵，與石灰生成具有水硬性的水化硅酸鈣和與水化鋁酸膠凝產(chǎn)物。

　　三、針對低鈣、低質(zhì)粉煤灰粉體的顆粒形貌多樣、顆粒組成復(fù)雜、粒度分布不均勻等特性，研制開發(fā)了應(yīng)用于粉煤灰超亞細微粒分離的高效粒徑分級裝備。高效粒徑分級裝備具有分級粒徑小、分級效率高、系統(tǒng)阻力小、單位電耗低、操作簡單等特點。高效粒徑分級裝備可高效選取顆粒粒徑小于5μm的亞超細粉煤灰。亞超細粉煤灰具有高水化活性效應(yīng)，顯著的物理減水效應(yīng)，優(yōu)質(zhì)的填充效應(yīng)等特性。

　　在上述基礎(chǔ)上，通過利用水泥水化過程中的化學(xué)效應(yīng)及熱學(xué)效應(yīng)作用等形成“疊加效應(yīng)”，達到對物料顆粒特性與表面能、機械能及化學(xué)能優(yōu)化匹配循環(huán)遞減分級改性共性激發(fā)；加快了粉煤灰活性組分的水化硬化，激發(fā)了粉煤灰潛在活性，發(fā)揮了粉煤灰形態(tài)效應(yīng)、活性效應(yīng)和微集料效應(yīng)，實現(xiàn)了對低鈣、低質(zhì)粉煤灰的改性，獲得了一種高能位、高比表、高活性的輔助膠凝材料。其產(chǎn)品可廣泛用于生產(chǎn)硅酸三鈣水泥、硫鋁酸鈣水泥、低密度油井水泥、早強型水泥和粉煤灰混凝土、燒結(jié)磚、粉煤灰陶粒、造紙等材料領(lǐng)域；應(yīng)用于污水處理、廢氣治理、噪聲防治等環(huán)保領(lǐng)域；從粉煤灰中提取白炭黑和氧化鋁以及稼、鍺、鈾、鈦等稀有金屬等。特別是亞超細粉煤灰不僅可取代硅灰制備超高強水泥和混凝土、與氟石膏制備高性能道路修補材料，而且廣泛應(yīng)用于塑料、人造革、橡膠等高分子材料中進行填充改性，使低鈣、低質(zhì)粉煤灰得到高附加值的高效綜合利用。