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1第八章粉煤灰综合利用技术第一节粉煤灰及其组成一、粉煤灰的组成与形态粉煤灰的严格定义是指煤粉炉燃烧粉煤时，从烟道气体中收集到的灰烬。由于它是一种燃煤的灰烬，因此粉煤灰的化学成分与煤的成分密切相关。70年代末，上海建科所(院)曾对我国各地31个主要电厂的35种粉煤灰的灰样作了全面的化学成分及物理性能的测试。其测试结果列于表8-1，表8-2，和表8-3。从表8-1中可以看到，粉煤灰中的主要化学成分是SiO2，A1203和Fe203，其总量一般超过70%。按照美国ASTM的标准，又将粉煤灰中CaO含量的多少分为F级粉煤灰和C级粉煤灰。所谓F级灰，我国称它为低钙灰或普通粉煤灰，其CaO的含量小于等于10%，我国大多数的粉煤灰均属于此种灰。而C级灰，即我国称其为高钙灰，其CaO的含量大于10%。如我国西北地区的神木煤的粉煤灰则属于高钙灰。表8-135种粉煤灰样的化学成分均值及范围成分平均值（%）范围（%）SiO250.633.9～59.7Al2O327.116.5～35.4Fe2O37.11.5～19.7CaO2.80.8～10.4MgO1.20.7～1.9Na2O0.50.2～1.1K2O1.30.6～2.9SO30.30～1.1I.L.(1000℃)8.21.2～23.6可溶性SiO21.50.8～2.1可溶性Al2O33.41.3～11.7F级粉煤灰的矿物组成列于表8-2。2表8-235种粉煤灰样的矿物组成均值及范围组成均值（%）范围（%）低温型石英6.41.1～15.9莫来石20.411.3～29.2高铁玻珠5.20～21.1低铁玻璃体59.842.2～70.1含碳量（700℃）8.21.0～23.5玻璃态SiO238.527.3～45.7玻璃态Al2O312.44.8～21.5无论是粉煤灰的化学成分或者矿物组成，除了煤的组成影DN外，锅炉的燃烧温度是一个非常重要的因素。粉煤灰的矿物组成中的50%～70%属玻璃体。但与国外相比，我国粉煤灰的玻璃体含量较低。F级粉煤灰的物理性能列于表8-3。表8-335种粉煤灰样的物理性能均值及范围性能均值范围比重容重（kg/m3）密实度2.087350.351.77～2.43516～10730.26～0.44细度（%）﹥88μm颗粒含量48～88μm颗粒含量﹤48μm颗粒含量22.927.949.20～58.99.1～48.610.7～90.9氮吸附比表面积（m2/g）标准稠度需水量（%）4.356.00.8～22.624.3～78.0用光学显微镜看到，粉煤灰中除了不透明碳粒和少量玻璃碎屑、石英外，主要是颜色深浅不一的玻璃珠和形状不规则的半透明颗粒即多孔玻璃体。这种玻璃和多孔体又分成低铁玻珠、低铁多孔玻璃体、高铁玻珠等。二、粉煤灰的颗粒组成3粉煤灰毕竟是一种燃煤的副产品，所以不仅其化学成分有较大的起伏，而且是由各种颗粒粒径混合而成一个连续粒径分布的群体。按粉煤灰的颗粒大小，形貌等特性又可将其分成下列几类：(一)实心微珠：这是粉煤灰中占玻珠最多的微珠，其成分为高钙低铁，故又称低铁微珠。(二)高铁玻珠：其成分主要是氧化铁，所以视比重较大，有磁性，成均匀球状体。(三)多孔玻璃体：也是主要成分之一，其形貌类似海绵，粒径的差异较大。因其为空心海绵体，所以视比重很小，而比表面则很大。(四)漂珠：系球状壁薄的空心微珠，实质即薄壁珠球。其视比重1，可浮于水而称漂珠。这是粉煤灰利用中经济价值最高的一种颗粒体。可做高性能的轻质保温绝热材料，但其在粉煤灰中的含量仅0.5%～1.5%。(五)沉珠：是一种厚壁空心球珠。主要成分是SiO2和A1203。因其视比重21而沉于水中。在粉煤灰中含量可达50%～70%。(六)碳粒：实际上是含有机质较高的粉煤灰。由碳成分本身未及燃烬而成，有机物已随燃烧而溢出，故所剩碳粒气化发泡，形成连通孔。表8-4粉煤灰中部分主要颗粒的特征颗粒名称粒径（μm）视密度（g/cm3）容重（kg/cm3）表面积（m2/g）化学组成特点粉煤灰中含量（%）漂珠20～200壁厚3～100.5～0.75250～400-硅、铝较高约0.5～1.5实心微珠大部分﹤45以1～30居多2.5～3.0-1500-1.70低铁、高钙最高可达85高铁玻珠约几十微米3.5～4.5-20000.25高铁、氧化铁可高达60%最高可达15海绵状多孔体30～2001.5～1.6600～70010～13高硅、铝不包括复珠和碎屑粘连体，含量可达40～50多孔碳45～120300～40012～38高碳，可达70%～80%最高可达30左右第二节粉煤灰利用状况及历史一、粉煤灰利用的沿革从表8-1中我们可以看到，粉煤灰是与火山灰质材料相似的人造火山灰。(天然火山灰中SiO24的含量为70%左右，而A1203则为10%左右)。因此美国科学工作者于本世纪30年代，将粉煤灰掺到混凝土填体中，以减少水化热，这就开始了人类利用粉煤灰的历史。1933年美国加州理工学院的R.E.Davis就开始了粉煤灰在混凝土水泥中作为掺合料的性能研究。我国的粉煤灰是在30年代的上海扬树浦发电厂首先产生。而将粉煤灰与水泥一起制成多孔混凝土砌块，也是在30年代用于上海的汉密尔顿大楼(现福州大楼)。不过这是从国外进口而来的。我国真正的开始研究粉煤灰的应用在50年代的上海。1953年上海开始了它将粉煤灰掺入水泥中作掺合料的研究。1956年中国科学院将粉煤灰在建筑和建筑材料中的应用列入重点科技研究十年规划之中。中科院土建研究所专门列出课题，对其作为墙体材料作了研究。并于1958年在哈尔滨的一幢住宅楼中作了示范性应用。在50年代，东北的一些重点工程中将粉煤灰作为掺合料，掺到干硬性混凝土中应用，以减少水泥的用量。60年代，在上海市政府和中央建工部的支持下，上海建成了我国第一座工业化生产的蒸养粉煤灰硅酸盐砌块厂，其设计能力为20万m3/年的密实砌块。到80年代末该厂转产为止，大约生产了供1500万m2住宅用的砌块。上海砌块厂的建成和投产。标志着我国粉煤灰的利用走向正规化和经常化。文化大革命结束后，国家又定出以煤发电为主的能源政策。随着经济建设的飞速发展，能源需要量的迅猛增加，粉煤灰的排放量也随之剧增，另一方面国家建设需要的水泥，短缺很大。从基础设施到高层建筑，所缺的不只是以前的墙体，更主要的是水泥本身，为此，粉煤灰直接掺于混凝土中的利用技术，又提到议事日程。由于开放政策，使我们可以跳出老框框，借鉴一些西方的经验，于是上海建科所(院)等几个单位，在大量研究工作的基础上，发展了磨细粉煤灰直接掺于混凝土中的应用，并且在此基础上于1987年制定了建设部的部标粉煤灰在混凝土和砂浆中应用技术规程(JGJ28-86)。到1991年水科院和其它五个单位，又在此基础上制定成国家规范“混凝土应用技术规程(GBJ-146-90)1991年国家又颁布了GBl596-91“用于水泥和混凝土中的粉煤灰”。由于有了这些规范和规定等法律性文件，使粉煤灰在混凝土中的直接应用有了长足的发展。以上海为例，1995年生产的790万m3的商品混凝土，全部掺粉煤灰。而仅1995年，上海用于混凝土、砂浆中的粉煤灰达46万吨。在粉煤灰用于墙体和混凝土中的同时，粉煤灰在筑路面层方面的应用也迅猛发展，尽管60年代已经有所开始。但是70年代末起，石灰、粉煤灰和碎石作底基层面层的“三渣路面”，在上海、江苏、北京及其它省市都得到大量应用。为使粉煤灰的利用更进一步的提高，1983年起，以上海建科所(院)为主的几个单位，执行了一个得到联合国UNDP/UNIDO资助的研究项目“粉煤灰利用技术的研究和开发”。该项目共为二期，第一期为1983～1986年，该期的主要内容为粉煤灰墙体和掺粉煤灰混凝土。第二期是1987～1991年，5该期内主要目标是将以前的成果推广应用和提高我国粉煤灰的利用率。为此“大用量”粉煤灰利用技术被列为重点之一。但是第二期期间也对特种粉煤灰混凝土进行了一系列研究，如泵送高强混凝土，高抗渗混凝土，耐海水混凝土等，所有这些都利用粉煤灰进行改性。80年代中起，由于粉煤灰排放量越来越多，而粉煤灰的直接利用的技术，日趋完善，为此国家有关部委以至国家领导人都对粉煤灰的利用极度重视。1987年在安徽芜湖的会议上，国家经委的领导同志提出“要把粉煤灰的利用作为综合利用的突破口”。1988年国家经委、计委、财政部和建设部联合发文，提出对粉煤灰的“指导思想要以目前的堆存为主，逐步过渡到利用为主”。接着电力部又提出“储用结合，积极利用”，1990年国家计委又提出新建电厂的粉煤灰利用的设施要与电厂建设同时设计，同时施工，同时投产的所谓“三同时”。这样“大用量”利用引起了领导部门的重视。1985年沪加高速公路作了1.3公里的粉煤灰高路堤试验段，用灰量达10万吨/公里，为我国“大用量”利用粉煤灰开辟了新路。接着青北，沪宁，沪杭、高深以及其它公路的路堤均部分或全部采用粉煤灰筑路堤。粉煤灰作高速公路路堤的利用技术正在我国不断推广。差不多与上述铺路“大用量”技术的同时，上海的关港，外高桥和罗泾港，也利用粉煤灰造地作码头。一次粉煤灰的利用量达数十万吨甚至上百万吨。由于以上的种种努力，使我国从1979年的排放量为2700万吨，而利用率仅为10.5%，利用量为279万吨，到1995年的排放量为9930万吨，而利用率达41.7%，利用量为4145万吨。利用量为世界之冠。与此同时，我国的粉煤灰混凝土技术也有长足的进步，最突出的是泵送粉煤灰混凝土。如上海的东方明珠，扬浦、南浦大桥、广州的国际大厦等泵送高度均超过150m，而全部利用粉煤灰加助泵剂和高强混凝土的外掺剂。此外上海合流污水工程的高抗渗粉煤灰混凝土和强度超过C-60的高强泵送粉煤灰混凝土，故已用于工程之中。近年来还大力推广大体积混凝土中掺加粉煤灰以降低水化热。一个典型的例子是上海一工程的一万m3的高层建筑底板，因为掺了粉煤灰而不设施工缝，一次浇成。所有这些使我国粉煤灰的利用步入世界先进水平的行列，而上海建科院所执行联合国资助的粉煤灰利用项目，曾多次被UNDP/UNIDO评为最成功的项目。二、我过粉煤会排放和利用量的统计表8-5中国粉煤灰排放和利用情况统计Unit:1000t项目/年份19881989199019911992199319941995总排放量5549462154677907483079820860009114099360总利用量142061600019750232102544702993037000414506建材和制品661072368921104271080012440建筑工程124020172294338629704150道路工程23303214556674341047012920回填工程505074844851462380408450农业和其他应用27702897384740594720349利用率%25.625.629.131.031.934.840.041.7三、各主要国家粉煤灰排放量与利用率表8-6粉煤灰排放和利用单位：（1000t）a.西欧经济合作开发组织的国家国家粉煤灰粗灰总灰量利用量利用率年份澳大利亚705085079008001990奥地利37525400100251989比利时9301601090795731990加拿大3280110043801290291989丹麦840140980880901990芬兰64070710180251988法兰西229042027101550571989德国20460109103137017870571989意大利125013013801270921989日本348044539251920491989荷兰81585900940﹥1001991西班牙7865153093951570171991瑞典300190490100201988英国99502590125406120491989美国51300193507065021800311991数据包括硬煤和褐煤的灰。芬兰和瑞典的数据还包括泥炭灰。7b.其它国家国家粉煤灰粗灰总灰量利用量利用率年份