粉煤灰的性质及其资源化利用

粉煤灰的性质及其资源化利用粉煤灰的定义及产生(GB／T1596－2005)《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》中定义：电厂煤粉炉烟道气中收集的粉末称为粉煤灰。粉煤灰主要产生于燃煤电厂。煤粉在炉膛中呈悬浮状态燃烧，燃煤中的绝大部分可燃物都能在炉内烧尽，而不燃物(主要为灰分)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，同时由于其表面张力的作用，形成大量细小的球形颗粒，在锅炉尾部引风机的抽气作用下，含有大量灰分的烟气流向炉尾，随着从高温到温度急剧下降的过程中形成了大量表面光滑的球状玻璃体,其颗粒比水泥细,比表面积很大,因此具有很强的活性。在引风机将烟气排入大气之前，上述这些细小的球形颗粒，经过除尘器被分离、收集，即形成粉煤灰。制粉锅炉煤仓输煤卸煤进煤高压加热器除氧器低压加热器凝结水泵凝汽器汽轮机化学水处理升压变压器发电机变压器锅炉除尘器冷却塔蒸汽循环水泵烟囱综合利用出灰灰浆泵送风排烟补充水去电网去灰场新蒸汽进水1燃煤电厂发电流程2粉煤灰对环境的影响2010年9月15日,世界绿色和平组织发布调研报告称“火力发电产生的粉煤灰排放，已经成为中国工业固体废物的最大单一污染源，但这种对环境和公众健康损害巨大的污染物却长期被忽视。2009年，中国粉煤灰产量达到了3.75亿吨，相当于当年中国城市生活垃圾总量的两倍多，其体积可达到4.24亿立方米。2粉煤灰对环境的影响和危害2.1污染水源目前,国内对粉煤灰的大批量处理主要是回填,而回填带来的主要问题是粉煤灰潜在的毒性对环境的长期影响,从而对地下水、土壤造成污染。粉煤灰浸出的一些微量重金属元素也会对环境造成影响。同时由于浸出的元素的环境迁移性,会对环境造成潜在的长期影响。2粉煤灰对环境的影响和危害2.2污染大气一般来讲,对于粉煤灰的处理主要是回填和储灰池存储。电厂粉煤灰属于固体废物中细粒,粉尘随风飞扬,污染大气。一些城区SO2、NOX能达到国家空气质量二级标准,但总悬浮物和降尘这两项污染物均超标,尤其是降尘污染较重。2粉煤灰对环境的影响和危害2.3占用土地、污染土壤粉煤灰的贮放方式可分为湿法贮灰与干法贮灰两种。湿法贮灰运行简单、费用低,无噪声污染,输送过程的扬灰污染较易解决。但贮灰场的一次投资较高,解决渗漏与水质污染问题比较困难,灰场贮满后场地的利用较困难,存在着灰浆漏失或溃坝的危险。我国粉煤灰的存储量大,其堆放占用大量土地,而且遇水容易使粉煤灰中的元素渗透到土壤,污染环境。3国内外粉煤灰综合利用概述3.1国外粉煤灰利用情况•国外20世纪30年代就用粉煤灰配置混凝土•英国粉煤灰利用率为46.2%,德国65%,法国75%。•美国把粉煤灰列入矿物资源的第七位，排在矿渣石灰与石膏之前。美国20世纪30、40年代就用粉煤灰建造水坝•日本也从20世纪50年代起用粉煤灰建造水坝3.2国内粉煤灰利用情况•我国粉煤灰的综合利用技术有近200项，其中得到实施应用的近70项。但是相对来说我国粉煤灰的利用率还是较低产生的附加值并不是很高。所以我们必须加紧对粉煤灰在高新技术领域应用的研究。•据资料统计，中国的粉煤灰堆积量已达到120亿t，且每年以1.6亿t速度增加，用这些粉煤灰堆成4m宽、4m高的城墙，长达80，000km，比万里长城长16倍多，可以绕地球两圈以上•目前我国粉煤灰利用率约为45％左右4粉煤灰基本性质物理性质•粉煤灰外观类似水泥，颜色在乳白色到灰黑色之间变化。粉煤灰的颜色是一项重要的质量指标，可以反映含碳量的多少和差异。在一定程度上也可以反映粉煤灰的细度，颜色越深，粉煤灰粒度越细，含碳量越高。•粉煤灰就有低钙粉煤灰和高钙粉煤灰之分。通常高钙粉煤灰的颜色偏黄,低钙粉煤灰的颜色偏灰。•粉煤灰颗粒呈多孔型蜂窝状组织，比表面积较大，具有较高的吸附活性，颗粒的粒径范围为0.5～300μm。并且珠壁具有多孔结构，孔隙率高达50%—80%，有很强的吸水性。4粉煤灰基本性质化学性质•粉煤灰是一种人工火山灰质混合材料，它本身略有或没有水硬胶凝性能，但当以粉状及有水存在时，能在常温特别是在水热处理(蒸汽养护)条件下，与氢氧化钙或其它碱土金属氢氧化物发生化学反应，生成具有水硬胶凝性能的化合物，成为一种增加强度和耐久性的材料。这也正是粉煤灰能够用来生产各种建筑材料的原因所在。粉煤灰化学成分的变化范围及典型粉煤灰的学成分4粉煤灰基本性质物相•粉煤灰是晶体矿物和非晶体矿物的混合物。•一般矿物含有石英、莫来石、磁铁矿、方镁石、生石灰及无水石膏等。•非晶体矿物包括玻璃体、无定型碳和次生褐铁矿等,其中玻璃体含量一般在50%左右。4粉煤灰基本性质形态粉煤灰中主要有5类特征颗粒:不规则玻璃质颗粒未燃尽炭粒复珠富铁微珠富硅铝玻璃微珠不规则玻璃质颗粒粉煤灰中普遍含有数量不等的形态不规则、结构疏松、粒径较粗的多孔玻璃质颗粒。这类多孔玻璃质颗粒活性差,多孔结构需水量大,干燥时易使制品开裂,因此对于生产硅酸盐烧结制品是不利的。4.4粉煤灰形态未燃尽炭粒粉煤灰中的炭粒一般是形状不规则的多孔体。炭粒内部多孔、结构疏松、易碾碎、孔腔吸水性高。粉煤灰中炭粒粒径较大,一般大于粉煤灰的平均粒径,小颗粒以片状居多,含有少量角粒状。粉煤灰中的炭粒对粉煤灰的综合利用会产生负面影响,其高温烧结烧失量大,是制备烧结砖的有害成分。4.4粉煤灰形态复珠在粉煤灰中,有些微珠里面包含大量细小玻璃微珠的颗粒,或是柱状颗粒相互粘连成形状不规则颗粒,密度往往较大,置于水中能够下沉,表面发育有气孔,这些称为复珠或沉珠。前者通常称为子母珠,后者称为珠连体。一些研究证明,含有复珠是粉煤灰品质较好的一个标志。4.4粉煤灰形态富铁微珠富铁微珠是沉珠的一种,其中铁含量较高，铁质主要构成颗粒的壳壁,外观颜色较深。圆形居多,球体发育较好,有少量含铁量较低的呈多孔不定形状,其中包含有很多小微珠或外层包裹一层莫来石或石英结晶体。富铁微珠主要存在于粗灰中。4.4粉煤灰形态富硅铝玻璃微珠粉煤灰的主要化学成分为SiO2和Al2O3,两者含量占60%以上,铝硅元素以玻璃体形式存在,玻璃体中以圆球居多，表面较光滑,球形度好。粉煤灰的火山灰活性与硅铝玻璃体的含量有关,能够参与化学反应的硅铝酸盐玻璃体数量越多,粉煤灰的活性就越好。4.4粉煤灰形态4粉煤灰基本性能4.5水化活性粉煤灰最主要的三大效应。形态效应在显微镜下显示，粉煤灰中含有70％以上的玻璃微珠，粒形完整，表面光滑，质地致密。这种形态对混凝土而言，无疑能起到减水作用、致密作用和匀质作用，促进初期水泥水化的解絮作用，改变拌和物的流变性质、初始结构以及硬化后的多种功能，尤其对泵送混凝土，能起到良好的润滑作用。活性效应粉煤灰的“活性效应”因粉煤灰系人工火山灰质材料，所以又称之为“火山灰效应”。这一效应能对混凝土起到增强作用和堵塞混凝土中的毛细组织，提高混凝土的抗腐蚀能力。微集料效应粉煤灰中粒径很小的微珠和碎屑，在水泥中可以相当于未水化的水泥颗粒，极细小的微珠相当于活泼的纳米材料，能明显地改善和增强混凝土及制品的结构强度，提高匀质性和致密性。这三种效应相互关联，互为补充。粉煤灰的品质越高，效应越大5粉煤灰的资源化利用我国燃煤电厂基本上是燃用烟煤，粉煤灰中CaO含量偏低，属于低钙灰，但Al2O3含量一般比较高，烧失量也比较高，这是其特点。此外，我国少数电厂用褐煤发电或为了脱硫而喷烧石灰石、白云石产生的灰，CaO含量都在30%以上。目前开发中的神木煤就是优质褐煤，烧成的灰就是高钙灰。我国自20世纪50年代起开展对粉煤灰的研究,已在许多领域大规模应用。根据利用量与技术水平,可将粉煤灰综合利用的项目分为以下3类:•高容量低技术利用,如粉煤灰回填、筑堤、灌浆等;•中容量中等技术利用,主要是在建筑材料方面的利用,如用作水泥原料、混合材等;•低容量高技术利用,主要指具有较高经济效益的高新技术,如金属与矿物的分选等。目前,就国内外粉煤灰综合利用的情况来看,粉煤灰在建材、建筑、道路、填筑和农业中的应用技术比较成熟。5粉煤灰的资源化利用5.1粉煤灰在建筑材料方面的应用建筑业对我国来说是支柱性产业，在建筑工程及建筑材料生产中对粉煤灰进行综合利用，可以显著减少粉煤灰的占地，节约电厂排灰用水，充分利用资源。现在，粉煤灰在建筑领域的综合利用已经变为建筑业经济增长的一大链条。比如，水泥厂每多用1吨粉煤灰，就节省1吨矿石，减少排放1吨二氧化碳废气，至少节省50，节约占地0.1334m2。利用粉煤灰生产的建材产品有数十种,主要产品有粉煤灰水泥、烧结粉煤灰砖、粉煤灰陶粒、粉煤灰面砖等。5.1粉煤灰在建筑材料方面的应用粉煤灰水泥粉煤灰主要由活性SiO2和Al2O3组成,因而可替代黏土组分配料用于水泥生产。用粉煤灰生产水泥不仅具有经济效益,还具有社会效益。目前,国内已研制出硅酸三钙水泥、硫铝酸钙水泥、低比重油井水泥、早强型水泥等,有的水泥中粉煤灰的掺量可达75%。此外,由于粉煤灰中含有一定量的未能燃烧的碳粒,所以,用粉煤灰配料还能节省燃料。5.1粉煤灰在建筑材料方面的应用粉煤灰混凝土粉煤灰混凝土泛指掺加粉煤灰的混凝土。实践证明,在配制混凝土混合料时掺入一定数量和质量的粉煤灰,可达到改善混凝土性能、节约水泥、提高混凝土制品质量和工程质量、降低制品生产成本和工程造价的目的。我国对粉煤灰混凝土的研究开发已经过半个多世纪的历程,目前已广泛应用于土木工程、建筑工程以及预制混凝土制品和构件等方面。5.1粉煤灰在建筑材料方面的应用粉煤灰烧结砖粉煤灰砖比粘土砖轻10%~20%，可减轻建筑物自重和建筑工人劳动强度；粉煤灰可作粘土塑化剂，砖在干燥过程中裂纹少，损失率低。生产粉煤灰烧结砖工艺简单，建厂速度快，吃灰量大。粉煤灰砌块和粉煤灰蒸压加气混凝土砌块。以粉煤灰、石灰、石膏和骨料为原料、加水搅拌振动后成型。蒸汽养护而成的密实砌块可用于民用和工业建筑的墙体和基础。以粉煤灰为主要原料、水泥为胶凝材料，加白灰、石膏、发泡剂，经配料浇注、静停切割,高压蒸养制成粉煤灰加气混凝土砌块。具有质量轻,隔热保温,隔音等特性。广泛用于框架结构填充材料。5.1粉煤灰在建筑材料方面的应用粉煤灰陶粒它是以粉煤灰为原料，加入一定量的胶结料和水，经成球、烧结而成的人造轻骨料，用灰量大(粉煤灰掺量约80%)、质轻、保温、隔热、抗冲击，用其配制的轻混凝土容重可达13530~17260N/m3、抗压强度可达20~60MPa，适用于高层建筑或大跨度构件，其质量可减轻33%、保温性可提高3倍。陶粒混凝土已广泛应用于工业与民用建筑的各类型预构件和现浇混凝土工程中（如预应力和非预应力的、承重结构或围护的、隔热或抗渗的，静载或动载的）。陶粒还可应用于管道保温、炉体保温隔热、保冷隔热和隔音吸声等其他建筑材料；亦可用作农业和园林中的无土基床材料及滤水材料。5.2粉煤灰在道路工程填筑方面的应用粉煤灰可代替部分传统筑路材料广泛用于路面、基层、填筑路堤及结构回填等道路工程中。《粉煤灰综合利用管理办法》规定：凡具备粉煤灰(包括制品)综合利用条件的建筑和道路工程，其设计部门必须将充分利用粉煤灰及其制品纳入设计方案，建设、施工单位应确保使用。实践证明，粉煤灰用于道路施工，工艺简单，用灰量大，已普遍推广应用。5.2粉煤灰在道路工程填筑方面的应用粉煤灰用于水泥混凝土路面粉煤灰与水泥的主要成分相同，但其成本远低于水泥。铺筑水泥路面，用粉煤灰替代部分水泥，不但降低工程造价，且有利于降低混凝土初始坍落度,延长混凝土初凝时间，减少运输过程中的坍落度损失，降低水化热和混凝土温度，有利于减少路面收缩裂缝，提高路面的抗压强度。粉煤灰用于路面基层粉煤灰的渗透系数比粘土的渗透系数大得多，可提高路面强度和稳定性。石灰稳定粉煤灰或石灰粉煤灰稳定土在路面基层中的应用比传统材料优越。因为石灰可使混合料的最佳含水量增大，最大干密度减小，强度、钢度、稳定性提高，温度收缩系数减小，对抗低温缩裂有重要意义。粉煤灰混凝土路面砖粉煤灰混凝土路面砖以水泥和粉煤灰为混合胶结料，再配以骨料等，经计量搅拌、成型、养护制成。变更成型模具可制成方砖、连锁