粉 煤 灰
粉煤灰現狀
我國是個產煤大國，以煤炭為電力生產基本燃料。近年來，我國的能源工業穩步發展，發電能力年增長率為7.3%，電力工業的迅速發展，帶來了粉煤灰排放量的急劇增加，燃煤熱電廠每年所排放的粉煤灰總量逐年增加，1995年粉煤灰排放量達1.25億噸，2000年約為1.5億噸，到2010年將達到2億噸，給我國的國民經濟建設及生態環境造成巨大的壓力。另一方面，我國又是一個人均占有資源儲量有限的國家，粉煤灰的綜合利用，變廢為寶、變害為利，已成為我國經濟建設中一項重要的技術經濟政策，是解決我國電力生產環境污染，資源缺乏之間矛盾的重要手段，也是電力生產所面臨解決的任務之一。經過開發，粉煤灰在建工、建材、水利等各部門得到廣泛的應用。
20世紀70年代，世界性能源危機，環境污染以及礦物資源的枯竭等強烈地激發了粉煤灰利用的研究和開發，多次召開國際性粉煤灰會議，研究工作日趨深入，應用方面也有了長足的進步。粉煤灰成為國際市場上引人注目的資源豐富、價格低廉，興利除害的新興建材原料和化工產品的原料，受到人們的青睞。目前，對粉煤灰的研究工作大都由理論研究轉向應用研究，特別是著重要資源化研究和開發利用。利用粉煤灰生產的產品在不斷增加，技術在不斷更新。國內外粉煤灰綜合利用工作與過去相比較，發生了重大的變化，主要表現為：粉煤灰治理的指導思想已從過去的單純環境角度轉變為綜合治理、資源化利用；粉煤灰綜合利用的途徑以從過去的路基、填方、混凝土摻和料、土壤改造等方面的應用外，發展到目前的在水泥原料、水泥混合材、大型水利樞紐工程、泵送混凝土、大體積混凝土制品、高級填料等高級化利用途徑。
粉煤灰的形成、組成、結構、性質及存在形態
粉煤灰、沙子、水泥構成了生產彩瓦的主要成分
一、粉煤灰的形成
階段，粉煤在開始燃燒時，其中氣化溫度低的揮發分，首先自礦物質與固體碳連接的縫隙間不斷逸出，使粉煤灰變成多孔型炭粒。此時的煤灰，顆粒狀態基本保持原煤粉的不規則碎屑狀，但因多孔型性，使其表面積更大。
第二階段，伴隨著多孔性炭粒中的有機質燃燒和溫度的升高，其中的礦物質也將脫水、分解、氧化變成無機氧化物，此時的煤灰顆粒變成多孔玻璃體，盡管其形態大體上仍維持與多孔炭粒相同，但比表面積明顯地小于多孔炭粒。
第三階段，隨著燃燒的進行，多孔玻璃體逐漸融收縮而形成顆粒，其孔隙率不斷降低，圓度不斷提高，粒徑不斷變小，最終由多孔玻璃轉變為一密度較高、粒徑較小的密實球體，顆粒比表面積下降為最小。不同粒徑和密度的灰粒具有顯著的化學和礦物學方面的特征差別，小顆粒一般比大顆粒更具玻璃性和化學活性。
最后形成的粉煤灰(其中80%～90%為飛灰，10%～20%為爐底灰)是外觀相似，顆粒教細而不均勻的復雜多變的多相物質。飛灰是進入煙道氣灰塵中最細的部分，爐底灰是分離出來的比較粗的顆粒，或是爐渣。這些東西有足夠的重量，燃燒帶跑到爐子的底部。
二、粉煤灰的組成
1、粉煤灰的化學組成 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、MnO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的碳酸鹽和硫酸鹽。
粉煤灰的元素組成(質量分數)為：O 47.83%，Si 11.48%～31.14%，A1 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%，C1 0.00%～0.12%，其他0.50%～29.12%。
由于煤的灰量變化范圍很廣，而且這一變化不僅發生在來自世界各地或同一地區不同煤層的煤中，甚至也發生在同一煤礦不同的部分的煤中。因此，構成粉煤灰的具體化學成分含量，也就因煤的產地、煤的燃燒方式和程度等不同而有所不同。其主要化學組成見下表。
我國電廠粉煤灰化學組成 %
成分 SiO2 A12O3 Fe2O3 CaO MgO SO3 Na2O K2O 燒失量
范圍 34.30～65.76 14.59～40.12 1.50～
16.22 0.44～
16.80 0.20～
3.72 0.00～
6.00 0.10～
4.23 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
粉煤灰的活性主要來自活性SiO2(玻璃體SiO2)和活性A12O3 (玻璃體A12O3 )在一定堿性條件下的水化作用。因此，粉煤灰中活性SiO2、活性A12O3和f-CaO(游離氧化鈣)都是活性的的有利成分，硫在粉煤灰中一部分以可溶性石膏(CaSO4)的形式存在，它對粉煤灰早期強度的發揮有一定作用，因此粉煤灰中的硫對粉煤灰活性也是有利組成。粉煤灰中的鈣含量在3%左右，它對膠凝體的形成是有利的。國外把CaO含量超過10%的粉煤灰稱為C類灰，而低與10%的粉煤灰稱為F類灰。C類灰其本身具有一定的水硬性，可作水泥混合材，F類灰常作混凝土摻和料，它比C類灰使用時的水化熱要低。
粉煤灰中少量的MgO、Na2O、K2O等生成較多玻璃體，在水化反應中會促進堿硅反應。但MgO含量過高時，對安定性帶來不利影響。
粉煤灰中的未燃炭粒疏松多孔，是一種惰性物質不僅對粉煤灰的活性有害，而且對粉煤灰的壓實也不利。過量的Fe2O3對粉煤灰的活性也不利。
2、粉煤灰的礦物組成
由于煤粉各顆粒間的化學成分并不一致，因此燃燒過程中形成的粉煤灰在排出的冷卻過程中，形成了不同的物相。比如：氧化硅及氧化鋁含量較高的玻璃珠在鐵礦，另外，粉煤灰中晶體礦物的含量與粉煤灰冷卻速度有關。一般來說，冷卻速度較快時，玻璃體含量較多：反之，玻璃體容易析晶。可見，從物相上講，粉煤灰是晶體礦物和非晶體礦物的混合物。其礦物組成的波動范圍較大。一般晶體礦物為石英、莫來石、磁鐵礦、氧化鎂、生石灰及無水石膏等，非晶體礦物為玻璃體、無定形碳和次生褐鐵礦，其中玻璃體含量占50%以上。
3、粉煤灰的結構
粉煤灰的結構是在煤粉燃燒和排出過程中形成的，比較復雜。在顯微鏡下觀察，粉煤灰是晶體、玻璃體及少量未燃炭組成的一個復合結構的混合體。混合體中這三者的比例隨著煤燃燒所選用的技術及操作手法不同而不同。其中結晶體包括石英、莫來石、磁鐵礦等；玻璃體包括光滑的球體形玻璃體粒子、形狀不規則孔隙少的小顆粒、疏松多孔且形狀不規則的玻璃體球等；未燃炭多呈疏松多孔形式。
4、粉煤灰的性質
（1）物理性質
粉煤灰的物理性質包括密度、堆積密度、細度、比表面積、需水量等，這些性質是化學成分及礦物組成的宏觀反映。由于粉煤灰的組成波動范圍很大，這就決定了其物理性質的差異也很大。粉煤灰比表面積研究和相關數據報告中,只有采用BET方法檢測出來的結果才是真實可靠的，國內有很多儀器只能做直接對比法的檢測，現在國內已經被淘汰了。目前國內外比表面積測試統一采用多點BET法，國內外制定出來的比表面積測定標準都是以BET測試方法為基礎的，請參看我國國家標準（GB/T 19587-2004）-氣體吸附BET原理測定固態物質比表面積的方法。比表面積檢測其實是比較耗費時間的工作，由于樣品吸附能力的不同，有些樣品的測試可能需要耗費一整天的時間，如果測試過程沒有實現自動化，那測試人員就時刻都不能離開，并且要高度集中，觀察儀表盤，操控旋鈕，稍不留神就會導致測試過程的失敗，這會浪費測試人員很多的寶貴時間。。國內幾家生產比表面積測定儀廠商中，只有北京金埃譜科技有限公司的F-Sorb 2400比表面積測試儀是真正能夠實現BET法檢測功能的儀器（兼備直接對比法），更重要的北京金埃譜科技有限公司的F-Sorb 2400比表面積測試儀是迄今為止國內自動化智能化的比表面積檢測設備，其測試結果與國際一致性很高，穩定性也很好，同時減少人為誤差，提高測試結果精確性
粉煤灰的基本物理性質見表。
粉煤灰的基本物理特性
項 目 范 圍 均 值
密度/（g/cm3） 1.9～2.9 2.1
堆積密度/（g/cm3） 0.531～1.261 0.780
比表面積（cm2/g） 氮吸附法～19500 3400 (使用北京金埃譜科技公司生產的F-Sorb 2400全自動比表面積測試儀BET方法檢測) 800
透氣法 1180～
原灰標準稠度/% 27.3～66.7 48.0
需水量/% 89～130 106
28d抗壓強度比/% 37～85 66
粉煤灰的物理性質中，細度和粒度是比較重要的項目。它直接影響著粉煤灰的其他性質，粉煤灰越細，細粉占的比重越大，其活性也越大。粉煤灰的細度影響早期水化反應，而化學成分影響后期的反應。
（2）化學性質
粉煤灰是一種人工火山灰質混合材料，它本身略有或沒有水硬膠凝性能，但當以粉狀及水存在時，能在常溫，特別是在水熱處理(蒸汽養護)條件下，與氫氧化鈣或其他堿土金屬氫氧化物發生化學反應，生成具有水硬膠凝性能的化合物，成為一種增加強度和耐久性的材料。
5、粉煤灰的存在形態
粉煤灰是以顆粒形態存在的，且這些顆粒的礦物組成、粒徑大小、形態各不相同。人們通常將其形狀分為珠狀顆粒和渣狀顆粒兩大類。根據北京科技大學宋存義等用掃描式電子顯微鏡的觀察表明，粉煤灰由多種粒子構成，其中珠狀顆粒包括空心玻珠(漂珠)、厚壁及實心微珠(沉珠)、鐵珠(磁珠)、炭粒、不規則玻璃體和多孔玻璃體等五大品種。其中不規則玻璃體是粉煤灰中較多的顆粒之一，大多是由似球和非球形的各種渾圓度不同的粘連體顆粒組成。有的粘連體斷開后，其外觀和性質與各種玻璃球形體相同，其化學成分則略有不同。多孔玻璃體形似蜂窩，具有較大的表面積，易黏附其他碎屑，密度較小，熔點比其他微珠偏低，其顏色由乳白至灰色不等。在掃描式電子顯微鏡下可以比較容易地觀察到不規則玻璃體的存在。渣狀顆粒包括海綿狀玻璃渣粒、炭粒、鈍角顆粒、碎屑和粘聚顆粒等五大品種。正是由于這些顆粒各自組成上的變化，組合上的比例不同，才直接影響到粉煤灰質量的優劣。
從煤燃燒后的煙氣中收捕下來的細灰稱為粉煤灰，粉煤灰是燃煤電廠排出的主要固體廢物。
粉煤灰的燃燒過程：煤粉在爐膛中呈懸浮狀態燃燒，燃煤中的絕大部分可燃物都能在爐內燒盡，而煤粉中的不燃物(主要為灰分)大量混雜在高溫煙氣中。這些不燃物因受到高溫作用而部分熔融，同時由于其表面張力的作用，形成大量細小的球形顆粒。在鍋爐尾部引風機的抽氣作用下，含有大量灰分的煙氣流向爐尾。隨著煙氣溫度的降低，一部分熔融的細粒因受到一定程度的急冷呈玻璃體狀態，從而具有較高的潛在活性。在引風機將煙氣排入大氣之前，上述這些細小的球形顆粒，經過除塵器，被分離、收集，即為粉煤灰。
粉煤灰是我國當前排量較大的工業廢渣之一，現階段我國年排渣量已達3000萬t。隨著電力工業的發展，燃煤電廠的粉煤灰排放量逐年增加。大量的粉煤灰不加處理，就會產生揚塵，污染大氣；若排入水系會造成河流淤塞，而其中的有毒化學物質還會對人體和生物造成危害。因此，粉煤灰的處理和利用問題引起人們廣泛的注意。
粉煤灰使用的優點
在混凝土中摻加粉煤灰節約了大量的水泥和細骨料；減少了用水量；改善了混凝土拌和物的和易性；增強混凝土的可泵性；減少了混凝土的徐變；減少水化熱、熱能膨脹性；提高混凝土抗滲能力；增加混凝土地修飾性。
粉煤灰的用途
國標一級：采用優質粉煤灰和高效減水劑復合技術生產高標號混凝土的現代混凝土新技術正在全國迅速發展。
國標二級：優質粉煤灰特別適用于配制泵送混凝土、大體積混凝土、抗滲結構混凝土、抗硫酸鹽混凝土和抗軟水侵蝕混凝土及地下、水下工程混凝土、壓漿混凝土和碾壓混凝土。
國標三級：粉煤灰混凝土具有和易性好、可泵性強、終飾性改善、抗沖擊能力提高、抗凍性增強等優點。
粉煤灰是煤粉經高溫燃燒后形成的一種似火山灰質混合材料。它是燃燒煤的發電廠將煤磨成100微米以下的煤粉，用預熱空氣噴入爐膛成懸浮狀態燃燒，產生混雜有大量不燃物的高溫煙氣，經集塵裝置捕集就得到了粉煤灰。粉煤灰的化學組成與粘土質相似，主要成分為二氧化硅、三氧化二鋁、三氧化二鐵、氧化鈣和未燃盡碳。目前，粉煤灰主要用來生產粉煤灰水泥、粉煤灰磚、粉煤灰硅酸鹽砌塊、粉煤灰加氣混凝土及其他建筑材料，還可用作農業肥料和土壤改良劑，回收工業原料和作環境材料。粉煤灰在水泥工業和混凝土工程中的應用：粉煤灰代替粘土原料生產水泥，由硅酸鹽水泥熟料和粉煤灰加入適量石膏磨細制成的水硬膠凝材料，水泥工業采用粉煤灰配料可利用其中的未燃盡炭；粉煤灰作水泥混合材；粉煤灰生產低溫合成水泥，生產原理是將配合料先蒸汽養護生成水化物，然后經脫水和低溫固相反應形成水泥礦物；粉煤灰制作無熟料水泥，包括石灰粉煤灰水泥和純粉煤灰水泥，石灰粉煤灰水泥是將干燥的粉煤灰摻入10%—30%的生石灰或消石灰和少量石膏混合粉磨，或分別磨細后再混合均勻制成的水硬性膠凝材料；粉煤灰作砂漿或混凝土的摻和料，在混凝土中摻加粉煤灰代替部分水泥或細骨料，不僅能降低成本，而且能提高混凝土的和易性、提高不透水、氣性、抗硫酸鹽性能和耐化學侵蝕性能、降低水化熱、改善混凝土的耐高溫性能、減輕顆粒分離和析水現象、減少混凝土的收縮和開裂以及抑制雜散電流對混凝土中鋼筋的腐蝕。粉煤灰在建筑制品中的應用：蒸制粉煤灰磚，以電廠粉煤灰和生石灰或其他堿性激發劑為主要原料，也可摻入適量的石膏，并加入一定量的煤渣或水淬礦渣等骨料，經過加工、攪拌、消化、輪碾、壓制成型、常壓或高壓蒸汽養護后而形成的一種墻體材料；燒結粉煤灰磚，以粉煤灰、粘土及其他工業廢料為原料，經原料加工、攪拌、成型、干燥、培燒制成磚；蒸壓生產泡沫粉煤灰保溫磚，以粉煤灰為主要原料，加入一定量的石灰和泡沫劑，經過配料、攪拌、燒注成型和蒸壓而成的一種新型保溫磚；粉煤灰硅酸鹽砌塊，以粉煤灰、石灰、石膏為膠凝材料，煤渣、高爐礦渣等為骨料，加水攪拌、振動成型、蒸汽養護而成的墻體材料；粉煤灰加氣混凝土，以粉煤灰為原料，適量加入生石灰、水泥、石膏及鋁粉，加水攪拌呈漿，注入模具蒸養而成的一種多孔輕質建筑材料；粉煤灰陶粒，以粉煤灰為主要原料，摻入少量粘結劑和固體燃料，經混合、成球、高溫培燒而制的一種人造輕質骨料；粉煤灰輕質耐熱保溫磚，是用粉煤灰、燒石、軟質土及木屑進行配料而成，具有保溫效率高，耐火度搞，熱導率小，能減輕爐墻厚度、縮短燒成時間、降低燃料消耗、提高熱效率、降低成本。粉煤灰作農業肥料和土壤改良劑：粉煤灰具有良好的物理化學性質，能廣泛應用于改造重粘土、生土、酸性土和鹽堿土，彌補其酸瘦板粘的缺陷，粉煤灰中含有大量枸溶性硅鈣鎂磷等農作物所必需的營養元素，故可作農業肥料用。回收工業原料：回收煤炭資源，利用浮選法在含煤炭粉煤灰的灰漿水中加入浮選藥劑，然后采用氣浮技術，使煤粒粘附于氣泡上浮與灰渣分離；回收金屬物質粉煤灰中含有Fe2O3、Al2O3、和大量稀有金屬；分選空心微珠，空心微珠具有質量小、高強度、耐高溫和絕緣性好，可以用于塑料的理想填料，用于輕質耐火材料和高效保溫材料，用于石油化學工業，用于領域，坦克剎車。作環保材料：利用粉煤灰可制造分子篩、絮凝劑和吸附材料等環保材料；粉煤灰還可用于處理含氟廢水、電鍍廢水與含重金屬例子廢水和含油廢水，粉煤灰中含有的Al2O3、CaO等活性組分，能與氟生產配合物或生產對氟有絮凝作用的膠體離子，還含有沸石、莫來石、炭粒和硅膠等，具有無機離子交換特性和吸附脫色作用。
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