粉煤灰特性及應(yīng)用

1、粉煤灰的特性及應(yīng)用摘要:中國(guó)是以煤炭為主要能源的國(guó)家,電力產(chǎn)量的76%是由煤炭產(chǎn)生的,每年用煤超過(guò)4億噸,占全國(guó)原煤產(chǎn)量的三分之一。1997年全國(guó)排放的粉煤灰已達(dá)到1.6億t,成為世界最大的排灰國(guó)。但是,目前我國(guó)的粉煤灰利用率僅為30%左右,主要用于筑路基和回填,每年仍有1億t未能利用的粉煤灰,儲(chǔ)存于灰場(chǎng)中。每年需征地3 333 hm2用于儲(chǔ)灰,建灰場(chǎng)費(fèi)用和運(yùn)行費(fèi)用都很高;另外,粉煤灰用于筑路或回填會(huì)受地區(qū)、時(shí)間的限制,存在使用不均衡、不連續(xù)的問(wèn)題。因此,應(yīng)該大力拓展粉煤灰在其他領(lǐng)域的應(yīng)用。關(guān)鍵詞:粉煤灰特性綜合利用1.粉煤灰特性1.1化學(xué)特性燃料煤由有機(jī)物及無(wú)機(jī)物組成,有機(jī)物燃燒后生成碳、氫

2、、氧,無(wú)機(jī)物燃燒后即生成粉煤灰。粉煤灰的化學(xué)成分與煤種、產(chǎn)地、燃燒爐型等有關(guān)。我國(guó)低鈣灰的成分比較接近,其化學(xué)組成見(jiàn)表1。由表1可見(jiàn),粉煤灰的主要成分為氧化硅、氧化鋁及氧化鐵,其總量約占粉煤灰的85%左右。低鈣煤中氧化鈣含量較低,基本無(wú)自硬性;但是,目前我國(guó)高鈣灰的排放量有明顯增長(zhǎng)的趨勢(shì),而高鈣灰含有一定的自硬性礦物,有利于增進(jìn)粉煤灰的強(qiáng)度貢獻(xiàn)。另外,近年來(lái)隨著鍋爐容量的不斷提高,爐內(nèi)煤粉燃燒趨于完全,代表影響材料長(zhǎng)期穩(wěn)定性的燒失量也逐漸降低,因此可以說(shuō),經(jīng)過(guò)高溫燃燒后的粉煤灰是相當(dāng)純凈的建材原料。粉煤灰的化學(xué)組成成分SiO2 A12O3 Fe2O3 CaO MgO SO3 Na2O K2O

3、燒失量含量50.6 27.2 7.0 2.8 1.2 0.3 0.5 1.3 8.21.2物理特性煤粉在鍋爐中燃燒時(shí),其無(wú)機(jī)物經(jīng)歷了分解、燒結(jié)、熔融及冷卻等過(guò)程,冷卻后的粉煤灰顆粒主要由硅鋁玻璃體和少量碳粒組成,玻璃體又以單珠、連珠體和海綿狀不規(guī)則多孔體組成。粉煤灰的品質(zhì)主要取決于這些粒徑、形貌不一的各種顆粒成分的組合比例。其中,粉煤灰的活化能力主要靠硅鋁玻璃體,而在常溫下硅鋁玻璃體以多聚物組成為主,活化能力較低。因此,常溫下粉煤灰是一種性質(zhì)穩(wěn)定的材料。1.3粉煤灰的放射性和浸出物毒性在人類日常的生活環(huán)境中,到處都存在著微量天然的放射性物質(zhì),主要為238 U、232 Th、226 Ra和40

4、K等4種放射性元素,只要其含量不超過(guò)一定的標(biāo)準(zhǔn),對(duì)人類健康就不會(huì)帶來(lái)負(fù)面影響。GB 676386中規(guī)定,建筑材料用工業(yè)廢渣中放射性物質(zhì)的含量應(yīng)滿足下列要求: ARa/330+An/260+AK/38001 (1ARa/2001 (2根據(jù)楊欽元4等測(cè)得的粉煤灰天然放射性元素的比活度,按上述兩個(gè)公式233計(jì)算的結(jié)果分別為o.93和o.73,均未超出國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),說(shuō)明粉煤灰產(chǎn)品的放射性對(duì)人體是安全的。粉煤灰中除了主要元素外,尚有一定量的鎬、砷、鉻、鉛、汞、銅、鋅、鎳等對(duì)人體健康可能不利的微量元素。這些微量元素對(duì)環(huán)境的影響主要通過(guò)浸出作用體現(xiàn)。吳賢中53等人的研究結(jié)果證明,粉煤灰中有害元素在水體中的浸出極

5、微,基本不會(huì)影響環(huán)境水質(zhì),浸出后的水質(zhì)尚符合國(guó)家地表水水質(zhì)二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。1.4其它特性(1形態(tài)效應(yīng)。泛指粉煤灰顆粒形貌、粗細(xì)、表面粗糙度、級(jí)配、內(nèi)外結(jié)構(gòu)等幾何特征及色度、密度等特征在混凝土中產(chǎn)生的效應(yīng)。粉煤灰的形態(tài)效應(yīng)可以在混凝土材料中起到減水、引水、保水、釋水、潤(rùn)滑、減阻、解絮、塑化、增漿、濃化、粘聚、增密、減氣、堵孔、調(diào)凝、促硬等作用。(2活性效應(yīng)。指低鈣粉煤灰的玻璃體中活性氧化鈣、氧化鋁與氫氧化鈣發(fā)生化學(xué)反應(yīng),生成膠凝性的水化鋁硅酸鈣,和高鈣粉煤灰的自硬膠凝性的性能。(3微集料效應(yīng)。指粉煤灰的微細(xì)顆粒均勻分布于水泥漿體的基相中,就象微細(xì)的集料,能夠增強(qiáng)混凝土的強(qiáng)度。粉煤灰微集料在混凝土中的效

6、應(yīng)比未水化的水泥顆粒的微集料效應(yīng)還略勝一籌。2.粉煤灰的綜合利用國(guó)外早在19世紀(jì)20年代就開(kāi)始粉煤灰綜合利用的工作。目前在一些工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家中,利用粉煤灰生產(chǎn)建材已逐步形成產(chǎn)業(yè)化,如法國(guó)生產(chǎn)的粉煤灰水泥已占其水泥總量的60%以上,英國(guó)的粉煤灰陶粒已居各種人造骨料產(chǎn)量首位,美國(guó)、德國(guó)、日本等也都把粉煤灰再利用作為一項(xiàng)國(guó)策,除了對(duì)現(xiàn)有的利用途徑深入研究外,還力圖開(kāi)發(fā)一些新途徑,以進(jìn)一步提高粉煤灰利用率。我國(guó)建筑行業(yè)對(duì)粉煤灰的利用研究,早在20世紀(jì)50年代就已開(kāi)始,經(jīng)過(guò)幾十年的實(shí)踐,摸索出不少經(jīng)驗(yàn),現(xiàn)已成為粉煤灰的利用大戶。正在建設(shè)中的三峽工程預(yù)計(jì)用粉煤灰量達(dá)133.8萬(wàn)t,在修建滬寧、京深及京冀等高

7、等級(jí)公路時(shí)也大量使用了粉煤灰。2.1粉煤灰混凝土粉煤灰混凝土制作的工藝流程與普通混凝土基本相同,只是在攪拌前摻入粉煤灰。摻有粉煤灰的混凝土,能有效改善普通混凝土的性能,并降低水泥、砂子的用量。粉煤灰混凝土應(yīng)用面極廣,在土木工程、水利工程、建筑工程等方面都可廣泛使用。我國(guó)上海等城市建設(shè)的混凝土工程,如地鐵、隧道、污水管道、排水管道、大型基礎(chǔ)、地道式立交橋、市郊水利工程等均采用了粉煤灰混凝土。多年的應(yīng)用實(shí)踐證明,粉煤灰混凝土在以下方面的應(yīng)用更能充分顯示其優(yōu)越性:1大體積混凝土,如建造水壩、油井平臺(tái)、大型基礎(chǔ)等;2泵送混凝土;3預(yù)拌混凝土;4振動(dòng)碾壓混凝土。另外,粉煤灰還可生產(chǎn)加氣混凝土,即以粉煤灰

8、為基本原料,配以生石灰、水泥、石膏及鋁粉等添加劑制成的一種輕質(zhì)建材。加氣混凝土中,粉煤灰的摻量可達(dá)70%,值得推廣應(yīng)用。2.2生產(chǎn)水泥和砂漿粉煤灰生產(chǎn)水泥即將粉煤灰、水泥熟料和其它材料等磨細(xì)并摻和而形成的水泥產(chǎn)品。包括用粉煤灰代替粘土配料做原料和做混合材。粉煤灰的成分與粘土相似,可以替代粘土配料生產(chǎn)水泥,還可利用其殘余碳,在煅燒水泥熟料時(shí)節(jié)約燃料。做混合材時(shí)根據(jù)粉煤灰摻量不同分為普通硅酸鹽水泥和礦渣硅酸鹽水泥二種。普通硅酸鹽水泥是由硅酸鹽水泥熟料、粉煤灰和適量石膏磨細(xì)而成的產(chǎn)品;礦渣硅酸鹽水泥是由硅酸鹽水泥熟料、粉煤灰和礦渣共同磨細(xì)而成的產(chǎn)品。用粉煤灰生產(chǎn)水泥可以達(dá)到改善混凝土性能和節(jié)約水泥的

9、目的。每立方米混凝土可用灰50100 kg,節(jié)約水泥50100 kg。摻粉煤灰的水泥凝結(jié)較緩慢,和易性好,可泵性好,有利于長(zhǎng)距離運(yùn)輸和泵送施工。但要求粉煤灰有較高的質(zhì)量,如細(xì)度大、活性高、含碳量低等。粉煤灰做砂漿材料即以粉煤灰代替部分水泥、石灰或砂而制成的砂漿。砂漿在建筑工程中用量大,而用于砂漿中的粉煤灰質(zhì)量要求不高,粗灰、細(xì)灰均可應(yīng)用,因此可利用大量粉煤灰。2.3筑路和回填用粉煤灰、石灰和碎石按一定比例混合攪拌可制作路面基層材料。粉煤灰摻量最高可達(dá)70%,而且對(duì)粉煤灰的質(zhì)量要求不高。粉煤灰代替粘土筑路堤有全灰和間隔灰兩類,施工步驟與粘土路堤相同。另外,工程回填、圍海造田和礦井回填等都可大量使

10、用粉煤灰,對(duì)環(huán)境和水質(zhì)也不會(huì)造成危害。因此,筑路和回填也可利用大量粉煤灰。2.4生產(chǎn)陶質(zhì)材料由粘土或主要含粘土的混合物(長(zhǎng)石、石英等經(jīng)成型、干燥、燒制而成的制品通稱為陶瓷制品。粉煤灰陶質(zhì)材料包括粉煤灰粘土燒結(jié)磚、粉煤灰陶粒、粉煤灰墻地磚等。其中,粉煤灰粘土燒結(jié)磚是以粉煤灰和粘土為原料,經(jīng)攪拌、成型、干燥、燒制而成的磚,其粉煤灰摻量30%70%。用于燒制粉煤灰燒結(jié)磚的粉煤灰,要求Si02的含量不宜高于70%,否則,混合料的塑性和抗折、抗壓強(qiáng)度均會(huì)降低,另外,從強(qiáng)度和燒成溫度范圍考慮,A1。03含量宜為15%25%,Fez 03含量宜為5%10%,MgO和硫化物含量越小越好。粉煤灰陶粒是以粉煤灰為

11、原料,加人一定量的膠結(jié)料和水,經(jīng)成球、燒結(jié)而成的輕骨料。它是一種性能較好的人造輕骨料,用灰量大,還可充分利用粉煤灰中的熱值,其粉煤灰摻量可達(dá)80%。粉煤灰墻地磚的生產(chǎn)目前普遍采用半干壓成法,一般粉煤灰摻量約在30%50%,產(chǎn)品規(guī)格都比較小,大于300 mm300 mm的磚較少。用粉煤灰代替部分粘土生產(chǎn)陶質(zhì)材料,不僅可以達(dá)到節(jié)能節(jié)土的目的,其制品性能也近似或優(yōu)于純粘土原料的產(chǎn)品,因此,有廣泛的發(fā)展前景。2.5粉煤灰在農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用粉煤灰具有吸持水分的能力,其持水特性與紫砂土、砂壤土或輕壤土相近,與土壤水分相比,粉煤灰水分更易被植物利用。土壤中摻人粉煤灰,可以改良土壤質(zhì)地,使其容重、比重、孔隙度、

12、通氣性、滲透率、pH等理化性質(zhì)得到改善,可起到增產(chǎn)效果。用粉煤灰改良粘性土、酸性土效果明顯,每畝摻灰量在1.53萬(wàn)kg左右,可使糧食作物增產(chǎn)10%20%。另外,為了減少灰場(chǎng)的二次揚(yáng)塵,增加綠化面積,可在灰場(chǎng)上直接種植喬灌木,如柳樹(shù)、荊條、刺槐、紫穗槐等。2.6粉煤灰的精細(xì)利用粉煤灰是包含多種元素的重要資源可以通過(guò)一定的化學(xué)或物理方法從中分選或提取出有用的物質(zhì)。如:粉煤灰漂珠的分選利用;粉煤灰中碳粒的分選利用;粉煤灰中富鐵玻璃微珠的分選利用;粉煤灰中鋁的提取等。漂珠是粉煤灰中微態(tài)輕質(zhì)、中空、表面光滑,能漂在灰水面上的珠狀顆粒。從濕排灰中分選漂珠,可直接在灰場(chǎng)中人工撈取或用溢流法選取,干排灰則可采

13、用風(fēng)選法選取漂珠。漂珠具有耐磨、耐高溫、導(dǎo)熱系數(shù)小、電絕緣性好、強(qiáng)度高、無(wú)毒無(wú)味的特征,可做多種產(chǎn)品如:漂珠保溫、耐火制品;耐磨制品(剎車片等;塑料、橡膠制品填充料;建筑材料、涂料等。碳粒是粉煤灰中的未燃盡碳分,含量可用燒失量衡量,一般為1%30%不等。碳?？勺龃u瓦廠的燃料、碳素制品的原料、冶金用料等,從濕排灰中分選碳?？捎酶∵x法,干排灰則可采用靜電場(chǎng)法分選碳粒。從粉煤灰中分選富鐵玻璃微珠,可以補(bǔ)充鐵礦來(lái)源,改善我國(guó)鐵礦儲(chǔ)量低、品位低的狀況,因此,分選價(jià)值較高。一般采用磁選法進(jìn)行分選,選出的富鐵玻璃微珠可作為煉鐵原料和水泥原料。粉煤灰還含有多種金屬元素,可以用堿法、酸浸法、酸堿聯(lián)合法等提取鋁、

14、釩、鎵等金屬或金屬氧化物。粉煤灰的精細(xì)利用范圍廣、價(jià)值高,值得進(jìn)一步深入開(kāi)發(fā)研究。3.粉煤灰的最新應(yīng)用情況發(fā)達(dá)國(guó)家粉煤灰的利用率為60%以上,深度開(kāi)發(fā)和綜合利用率達(dá)80%以上,而我國(guó)燃煤電廠每年有將近70%的粉煤灰只能排入儲(chǔ)灰場(chǎng),不僅大量占用土地,而且將利用價(jià)值很高的粉煤灰棄置不用也非?？上?。重視差距,迎頭趕上,在近年來(lái)廣大專業(yè)技術(shù)人員的共同努力下,我國(guó)的粉煤灰利用技術(shù)取得了巨大的成就,各種新技術(shù)、新工藝不斷推出,使粉煤灰的綜合利用整體水平有了相當(dāng)程度的飛躍。首先,電力生產(chǎn)系統(tǒng)從源頭把關(guān),大力發(fā)展30萬(wàn)kW、60萬(wàn)kW大型機(jī)組,盡可能選用洗精煤和低粉煤灰,采用先進(jìn)磨煤機(jī),提高和控制磨細(xì)度,增配

15、高效電力除塵器,對(duì)灰渣進(jìn)行分級(jí)收集,分級(jí)儲(chǔ)存、運(yùn)輸,引進(jìn)消化了粉煤灰分選技術(shù)與設(shè)備使粉煤灰品質(zhì)大大提高。采用高效濃相氣力輸送系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)距離輸送,為粉煤灰的利用提供了更為方便、有利的條件。其次,作為粉煤灰的最大用戶,建筑行業(yè)在變廢為寶的技術(shù)上也不斷推陳出新。自主成功開(kāi)發(fā)了摻量在60%以上的粉煤灰震動(dòng)碾壓混凝土施工工藝及相應(yīng)的筑壩、筑路技術(shù);粉煤灰作為原料代替粘土生產(chǎn)水泥熟料的技術(shù);粉煤灰作為單一摻合料或與高爐煉鐵水淬礦渣共同作為摻合料生產(chǎn)粉煤灰水泥、粉煤灰砌筑砂漿及高性能混凝土技術(shù);摻和量為0%60%的粉煤灰燒結(jié)磚成套技術(shù)及設(shè)備;摻和量為40%50%的蒸壓粉煤灰磚的成套技術(shù)及設(shè)備;摻和量為70%的蒸壓加氣混凝土成套技術(shù)及設(shè)備;生產(chǎn)燒結(jié)和非燒結(jié)陶粒的成套技術(shù)及設(shè)備;硅酸鹽混凝土密實(shí)砌塊和小型空心砌塊生產(chǎn)技術(shù);干粉煤灰及有用物質(zhì)分選回收技術(shù)及設(shè)備。根據(jù)一些最新的專利技術(shù),可以將粉煤灰自身進(jìn)行預(yù)硬化以代替骨料,不加粘土和水泥即可生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)磚、空心磚、空心砌塊和地面磚等,使任何只要有粉煤灰的地方都能生產(chǎn)這些建材;可以用粉煤灰和工業(yè)廢渣生產(chǎn)常溫發(fā)泡、常溫靜停、常溫脫模的輕質(zhì)實(shí)芯、空心砌塊、內(nèi)外墻預(yù)制隔墻板和代木板等。隨著粉煤灰的應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展,粉煤灰的分選技術(shù)也相應(yīng)發(fā)展起來(lái),如今全國(guó)各地陸續(xù)建起了粉煤灰分選生產(chǎn)線,新的分選工藝不斷涌現(xiàn),為提高粉煤灰的品質(zhì)和