粉煤灰课件

工业固体废物综合利用Re-UtilizationofIndustrialSolidWastes主讲教师：倪文粉煤灰的综合利用发展现状与未来规划粉煤灰是粉尘状的燃煤固体废弃物。我国是世界上少数几个以煤为主要能源的国家之一，煤在能源构成中占75%以上，2009年全国煤炭消耗量己超过30亿吨，燃煤所造成的大气污染、水污染、及粉煤灰的大量产生都严重地威胁着生态环境。近十多年来，在我国电力工业迅速发展，燃煤发电机组已占装机总容量的75％以上，燃煤发电机组容量、燃煤消耗量及灰渣产生量均居世界第一。2005-2009年粉煤灰产生与利用情况年份燃煤机组装机容量（万千瓦）燃煤机组耗煤量（亿吨）供电煤耗（克标煤/千瓦时）粉煤灰产生量（亿吨）综合利用量（亿吨）利用率（%）20053931711.273743.021.996620064838213.143673.522.326620075560714.373563.882.606720086028614.643453.952.656720096520515.363424.22.8367目前，我国粉煤灰综合利用途径主要包括以下几个方面：粉煤灰用于生产建材（水泥、砖瓦、砌块、陶粒、混凝土、砂浆），筑路（路堤、路面基层、路面），回填（结构回填、建筑回填、填低洼地和荒地、充填矿井、煤矿塌陷区、建材厂取土坑、海涂等），农业（改良土壤、生产复合肥料、造地），粉煤灰充填料，从粉煤灰中回收有用物质及其制品等。道路工程20%农业15%填筑材料15%提取物5%建材产品45%我国粉煤灰主要利用途径比例2010和2020年粉煤灰排放量预测年份根据装机容量预测粉煤灰排放量根据发电量预测粉煤灰排放量根据GDP预测粉煤灰排放量总装机容量（万千瓦）粉煤灰排放量（万吨）总发电量（亿千瓦时）粉煤灰排放量（万吨）GDP(亿元)预测火力发电量（亿千瓦时）粉煤灰排放量(万吨)2005517182327324747239551823212262927381201084000378003630035138261000320704005720201250005625056400545953576164366454550大力推进西部粉煤灰集中产区的粉煤灰大宗利用项目，如粉煤灰路基工程应用项目、粉煤灰回填矿井项目。重点推进高铝粉煤灰提铝关键技术及产业的发展。因地制宜推广大掺量粉煤灰混凝土技术和少熟料粉煤灰胶凝材料技术。推广粉煤灰改性升级技术。重点发展粉煤灰低成本高效分离和梯级利用关键技术，特别是玻璃微珠高值利用技术，超细碳粉高值利用技术等。2008年12月，财政部、国家税务总局联合发布《关于资源综合利用及其他产品增值税政策的通知》，对自产自销掺兑采矿选矿废渣、冶炼废渣、化工废渣、和粉煤灰、江河（湖、海、渠）道淤泥、淤沙、建筑垃圾、城镇污水处理厂处理污水产生的污泥等其他废渣不少于30%的特定建材产品，如砖（不含烧结普通砖）、砌块、陶粒、墙板、管材、混凝土、砂浆、道路井盖、道路护栏、防火材料、耐火材料、保温材料、矿（岩）棉等，实行增值税全免的优惠政策。粉煤灰的产生与分类粉煤灰的化学成分（％）1－200.1－1.50.5－2.50.5－2.52.5－74－1020－4030－60含量烧失量SO3Na2O和K2OMgOCaOFe2O3Al2O3SiO2成分煤粉炉炉膛内气流场示意图粉煤灰电镜照片放大1000倍粉煤灰电镜照片放大5000倍几种主要的粉煤灰类型1400～1500℃700～900℃增钙煤粉炉旋风炉以玻璃微珠为主的粉煤灰普通灰增钙灰循环流化床锅炉以蜂窝体和烧粘土为主的粉煤灰，残碳和CaO含量高对于残碳含量高的粉煤灰对于含碳低的粉煤灰选碳直接用于废水处理利用残碳的发热潜能生产烧结制品水泥、混凝土、路基材料化工原料典型煤粉炉粉煤灰精细分选多孔碳微粒漂珠超细微珠磁珠载体、吸附剂、水处理保温材料填料保温材料磁载体水处理尾灰水泥混合材、混凝土掺合料、加气混凝土、砌块、路基材料PozzolanicReaction(火山活性反应)nSiO2+mCa(OH)2+qH2O=nSiO2mCaO(m+q)H2O(C-S-H凝胶)比较水泥的水化反应：C3S+H2OCa(OH)2+C-S-HC2S+H2OCa(OH)2+C-S-H应用例1粉煤灰作为水泥混合材或混凝土掺合料原理：1、大量的急冷玻璃体富含SiO2火山灰活性反应2、滚珠轴承效应增强混凝土流动性3、微集料效应增加原始最紧密堆积，减少用水量，增加流动性如何强化上述效果1.选择低含碳量的粉煤灰或进行除碳处理2.进一步进行磨细处理3.掺入水淬高炉矿渣一起磨细4.对粉煤灰进行预激发并进一步磨细胶凝材料粒级与活性的双重协同优化原理粉煤灰活性最低，平均粒径5微米，并含较多亚微米及纳米颗粒；矿渣活性中等，平均粒径20微米，并含较多10微米以下的颗粒；水泥熟料活性最高，平均粒径60微米，很少10微米以下的颗粒。nSiO2mAl2O3qCaO+rCa(OH)2＋sH2O=（粉煤灰）nSiO2mAl2O3q(q+r)CaO(s+r)H2O(含铝C-S-H凝胶）nSiO2mAl2O3qCaO+rCa(OH)2＋sH2O+3mCaSO42H2O=(粉煤灰）（石膏）nSiO2(q+r-3m)CaO(s+r-27m)H2O+m(3CaOAl2O33CaSO431H2O)(C-S-H凝胶）(钙矾石）粉煤灰的PozzolanicReaction(火山活性反应)粒级与活性双重协同优化大球：水泥熟料，活性最高中球：矿渣微粉活性中等中球加入大球中中球加入大球中小球：粉煤灰活性最低小球加入中球和大球中形成粒级和活性的双重协同优化粉煤灰的分级及品质标准序号指标级别ⅠⅡⅢ1细度（0.045nm方孔筛筛余）（%）≤12≤20≤452需水量比（%）≤95≤105≤1153烧失量（%）≤5≤8≤154含水量（%）≤1≤1不规定5三氧化硫（%）≤3≤3≤3大掺量粉煤灰碾压混凝土碾压混凝土又称RCC。在三峡大坝建设中占混凝土总量的28%，仅纵向围堰就使用RCC187万m3三峡工程的RCC设计90天强度等级为C15－C20,粉煤灰代替水泥40－60%,每立方米混凝土胶凝材料总用量为160－180kg/m3，粉煤灰主要采用Ⅰ级粉煤灰。大掺量粉煤灰碾压混凝土的优势1.大量节省水泥用量，是常态混凝土1/2。2.大幅度减少水化热引起的坝体裂缝3.缩短工期、加快施工进度，单坝体施工速度达到35万m3/月，比起常态混凝土浇注可提高一倍。粉煤灰路基材料目前全国高等级公路和高等级城市道路几乎都采用粉煤灰作为长期强度增长核心的路基材料。单立方米路基材料的基本配比为：石子：1300－1400kg，砂：200－300kg，粉煤灰：500－800kg，水泥：20－50kg，石灰：50－100kg应用例2粉煤灰路基材料以使用低等级粉煤灰或等外灰为主，在最低气温在-8℃以上的南方地区可以使用残碳量较高的等外灰，而在北方容易发生冻融的地区残碳含量应控制在8%以下。粉煤灰路基材料的强度在20年以内均处于缓慢增长趋势。粉煤灰生产加气混凝土对粉煤灰的要求：1.可以使用湿灰或干灰2.可以使用等外灰3.残碳含量≤8%基本配比：粉煤灰70~80%，水泥5~10%，石灰15~25%，外加0.1%左右的金属铝粉。应用例3加气混凝土生产工艺湿法磨机石灰混料水泥铝粉浇模发泡切割蒸压养护净养原状粉煤灰修边成品粉煤灰陶粒的生产传统陶粒的生产传统的陶粒是用粘土或粘土页岩烧成的。粘土的主要成分是SiO2和Al2O3，大部分天然粘土还富含CaO、MgO、Fe2O3、K2O、Na2O等成分，能使粘土在加热到900℃－1300℃的时候就出现比较多的液相。将这样的粘土与含碳物质的粉末一起混匀，并预制成结实的球状颗粒。应用例4将上述含有碳粉的球状粘土颗粒在1200~1300℃进行煅烧，在出现大量粘稠液相的同时还会发生如下反应：C+Fe2O3=CO+2FeOCO+Fe2O3=CO2+2FeO所产生的气体在粘稠的液相中产生大量的气泡，这些高温球状粘土颗粒冷却后就在其内部形成类似泡沫玻璃的结构，而外壳则较为致密。由于粉煤灰的化学成分与粘土非常相近，且粉煤灰中常含有大量的玻璃体，比常规的粘土煅烧时更容易产生粘稠的液相，同时粉煤灰中常含有能够在煅烧过程中产生CO和CO2的碳粉，因此大部分粉煤灰都适合代替粘土来烧制陶粒。陶粒是生产陶粒承重砌块、陶粒隔墙砌块、陶粒隔墙板、和轻骨料现浇混凝土的原料。这些建材产品都具有良好的隔热隔音功能，是建造节能建筑的主要原料。陶粒还在废水处理工艺中被作为优良的生物滤池的滤料。粉煤灰陶粒按生产工艺和产品性能不同可分为烧胀型粉煤灰陶粒和烧结型粉煤灰陶粒。粘土粉煤灰磨细混料机水其他粘结剂成球机回转窑破团、筛分烧胀型陶粒烧胀型粉煤灰陶粒的生产工艺烧胀型粉煤灰陶粒的颗粒密度一般在1000kg/m3以下。适于生产对保温性能要求较高的非承重墙体材料。其缺点是比烧结型陶粒的生产能耗高40－50%。烧结型粉煤灰陶粒的颗粒密度为1000~1500kg/m3，适于生产承重陶粒砌块。烧结型粉煤灰陶粒的生产工艺：粘土粉煤灰磨细混料机水其他粘土剂成球机烧结机筛分烧结型陶粒破团适于生产陶粒的粉煤灰1、在粉煤灰可以用于水泥的混合材或混凝土掺合料市场较好的地区，应尽量选用等外灰和残碳含量比较高的粉煤灰。2、当细度在0.88mm筛余大于40%时应进行磨细处理。在粘土资源紧缺的地区应将全部粉煤灰或部分粉煤灰进一步磨细以便减少粘土作为粘结剂的用量。粉煤灰制备地质聚合物材料地质聚合物材料又称矿物聚合材料，是近年来新发展起来的一类新型无机非金属材料，它是以铝硅酸盐矿物或工业固体废弃物为主要原料，以轻烧高岭土做配料，硅酸钠做结构模板，氢氧化钠做激发剂，在20～120℃的较低温度条件下成型硬化制成的，是一类由非晶态铝硅酸盐成分以化学键合的形式胶结的材料。应用例5地质聚合物材料取得强度的原理是：高活性的硅铝基物料（如轻烧高岭土）在强碱溶液的激发下和在低聚合度硅酸根离子的参与下发生溶解再聚合，最后形成由硅氧四面体和铝氧四面体连接的三位空间网络体，具有非晶态的特征。原始硅铝物基物料中未溶解的部分则作为细集料保存下来，并与新形成的硅铝网络体形成没有截然边界的整体，而溶液中的阳离子则以平衡电价的方式进入网络体被固定下来。硅的四配位同构化效应示意图Xu等以粉煤灰为主要原料制备的地质聚合物材料，7d抗压强度达58.6MPa，并认为粉煤灰较高的CaO含量和超细颗粒的存在对制品强度的提高具有积极意义。李刚等将粉煤灰与煅烧高岭土按3：1的质量混合制备的地质聚合物材料，3d抗压强度达39.3MPa,将粉煤灰与提钾废液和煅烧高岭土混合制备的材料，7d抗压强度达到40-50MPa，耐酸碱性良好。苏玉柱等将粉煤灰与富钾板岩提钾后的硅铝质滤渣混合，所制备的制品的7d和28d饱水抗压强度分别达到78.5Mpa和89.0MPa。胡明玉等以粉煤灰为主要原料（添加质量分数为10%~15%的沸石和膨润土）制备的矿物聚合材料，28d抗压、抗折分别大于26MPa和8Mpa。应用例6粉煤灰中提取Al2O3和SiO2以马鸿文教授为主的课题组，系统开展了由粉煤灰制取氧化铝和氧化硅的研究，取得了一系列的创新性成果：粉煤灰与无水碳酸钠混合，经800~900℃烧结反应，使粉煤灰中的莫来石转变为易酸溶的霞石相（NaAlSiO4）和偏硅酸钠（Na2SiO3)，再经过酸浸（稀盐酸）和酸化（CO2)使烧结产物溶解并实现硅铝分离，得到氢氧化铝，性能指标达到GB/T4294-1997规定的三级标准，氢氧化铝经过煅烧，得到γ-Al2O3。硅铝分离后得到硅酸凝胶，再以聚乙烯醇为造孔剂，硝酸为催化剂，制备成多孔氧化硅，比表面积（12.03m2/kg）和大孔径（1~2μm)与硅藻土助滤剂相近，或将硅胶洗涤后在105℃干燥，得到比表面积达775.12m2/g，平均孔径为2.36nm的SiO2制品。西南科技大学采用石灰烧结自粉化法由粉煤灰制备超细氧化铝、氢氧化铝的研究具有明显特色滤渣（Ca2－nSi