电力工业(煤系)煤矸石现状与回收利用

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,电力工业（煤系） 固体废物处理工程,粉煤灰,小组成员：陈默 唐珍妮 黄宗其 刘意立,粉煤灰是燃煤电厂排出的固体废弃物,主要成分有,SiO,2,、,Al,2,O,3,、,CaO,、,Fe,2,O,3,等。粉煤灰是一种高分散度的固相集合体,含有大量的非晶质的空心微珠。矿物组分主要为未燃尽的碳粒、,-,石英、方解石、钙长石、赤铁矿、磁铁矿和残留的煤矸石等。粉煤灰具有较好的活性,是人工火山灰质材料,常被利用于城镇建设之中。对粉煤灰中空心微珠、碳粒、铁粉、氧化铝的分选和利用,既能提高粉煤灰的综合利用率,又有较高的经济价值,是保护环境、变废为宝的有效途径。,粉煤灰的成分,粉煤灰,(,电厂飞灰,),是以煤为燃料,从烟道气体中收捕下来的细灰,其含量约占燃煤总量的,5%,20%,为燃煤电厂排出的主要固体废弃物。,目前,世界上粉煤灰年排放量约,5,亿,t,我国年排放量,1000,万,t,以上。随着电力工业的发展,粉煤灰年排放量日益增加,这些粉煤灰被大量堆放在储灰场，既浪费了资源，有污染了环境。为了保护环境，变废为宝，,20,世纪,70,年代以来粉煤灰的综合利用已被全世界所关注。成为当今世界瞩目的废物资源化的首批对象。但由于经济条件和技术条件的不同，各国的利用方式和利用率有较大差异。中国的粉煤灰主要作为建筑工业材料在城镇建设中使用，利用率较低，利用方式相对较落后。,粉煤灰的一些组分中具有较大内表面积，将这些特殊组分分选出来，作为轻质、绝缘、隔热材料及吸附材料，有更高层次的利用前景。,粉煤灰的排放,粉煤灰的基本性质,1.,化学性质,在,12001500,的炉膛中煤灰成悬浮状态燃烧时，燃煤中绝大部分可燃物都能在炉内燃尽。而不燃物主要以灰分的形式混杂在高温烟气中，这些不燃物因受高温作用而部分熔融，同时由于表面张力的作用，形成大量球形细小颗粒。随着其体温度的降低，部分熔融的细粒受到冷却，呈玻璃体状态，在煤气排入大气之前被分离收集，由湿排或干排的方式，经管道输送排出。,粉煤灰是一种火山灰质混合材料，其化学成分与燃煤的性质有密切关系。但主要是氧化物（见表一）及少量未燃尽的碳和其他微量元素，还有一些有害元素,表一,粉煤灰的化学成分,样品,SiO,2,Al,2,O,3,CaO,MgO,Fe,2,O,3,SO,3,K,2,O,NaO,烧矢量,中国,46.74,25.01,5.58,1.28,8.46,0.53,1.80,0.67,10.37,日本,57.96,25.86,3.98,1.58,4.31,0.34,2.15,1.49,0.73,美国,44.11,20.81,4.75,1.12,17.49,1.19,1.97,0.73,7.83,英国,46.61,26.99,3.06,1.96,10.44,1.53,3.36,0.90,3.86,德国,41.13,24.39,5.06,1.85,13.93,0.77,9.65,法国,50.00,30.00,3.00,2.00,7.00,0.60,3.50,0.70,捷克,51.30,27.20,4.30,0.63,7.40,0.59,1.86,0.32,4.63,2.,粉煤灰的矿物成分,研究表明，粉煤灰是一种高分散度的固相集合体，其颗粒形态主要为非晶质相的空心微珠、无定形的碳粒、不规则的玻璃体及其他矿物碎屑。矿物组合中除了一部分未燃尽的细小碳粒外大部分是,SiO2,和,Al2O3,的固熔体，另有石英、方解石、钙长石、赤铁矿、磁铁矿及莫来石,还有一些残留的煤矸石等。这些矿物一般不以单体矿物状态存在，通常以多相集合体形式出现。,3.,粉煤灰的物理性质,粉煤灰是灰白色的粉状物，含水量大的粉煤灰呈黑色。其物理性质取决于燃煤的种类、煤分的细度、燃煤的方式及温度，以及电厂收尘效率、排灰方式等。,4.,粉煤灰的活性,一些,SiO2,质或,SiO2-AlO3,质材料，其本身没有或略有水硬凝胶性能。但被磨细后，一定水分存在的情况下能与,Ca(OH)2,或其他氢氧化物发生化学反应，生成具有水硬凝胶性能的化合物，这种材料称火山灰质材料，其功能呈火山灰效应。,粉煤灰具有火山灰效应。研究表明，粉煤灰的活性不仅取决于化学成分，而且与其物象和结构特征有密切关系。通过高温熔融并且经过聚冷的粉煤灰，产生了大量的玻璃体，而玻璃体含有较高的内能，是粉煤灰具有活性的主要矿物相。玻璃体中包含的硅酸根和铝酸根含量越多，活性越高。,粉煤灰的分类,1.,按不同火力发电厂锅炉排渣形式和粉煤灰形成过程不同分类,按不同火力发电厂锅炉排渣形式和粉煤灰形成过程不同分类，将粉煤灰分成固态排渣普通煤粉锅炉粉煤灰、液态排渣锅炉粉煤灰和循环流化床锅炉粉煤灰三种类型。,利用,SEM,、,EDXA,、,XRD,和,DTA,等测试工具，分析三类粉煤灰的化学成分、矿物组成、颗粒分布与结构的特点。研究结果表明，液态排渣锅炉粉煤灰活性最高；固态排渣普通煤粉锅炉粉煤灰活性次之：循环流化床锅炉粉煤灰活性最差。,2.,根据粉煤灰性质和脱硫工艺分类,根据性质和脱硫工艺,粉煤灰可被分为硅铝灰和钙硫灰。,硅铝灰,硅铝灰主要是燃烧普通煤 黑煤或气煤 时产生的粉煤灰。该灰,SiO2,和,Al2O3,的含量很高,二者之和的质量分数为,80%,。干灰的非堆积质量密度为,0. 5,0. 8KgL,堆积后在运输过程中的质量密度为,0. 8,0. 9KgL,。,钙硫灰,钙硫灰是燃烧褐煤时产生的粉煤灰。该灰,SiO2,和,Al2O3,的含量较低,二者之和的质量分数小于,40,.,但,CaO,的质量分数则高达,44%, SO3,的质量分数也达,6%,7%,。干灰非堆积质量密度为,1. 1,1.3KgL,堆积后的质量密度为,1.31.5KgL,高钙粉煤灰,高钙粉煤灰是燃烧褐煤产生的粉煤灰,其特征是,Al2O3,较高、,SiO2,较低,外观偏淡黄,浅灰色。,表二 高钙粉煤灰的化学成分,低钙粉煤灰是燃烧普通煤产生的,目前大多数电厂产生的粉煤灰为此类。主要特征是高硅铝、低钙,外观浅灰,灰黑色。,质量分数,SiO2,Fe2O3,Al2O3,CaO,MgO,SiO3,F-,CaO,烧矢量,平均值,2225,912,1015,3545,35,24,710,25,最大值,32,12,17,55,6,5.5,17.8,7,最小值,18,7,8,28,2,1,5,0.5,此外,还可以根据粉煤灰的颗粒结构、外形因子、颗粒形态系数及电厂的排灰方式等分类。,粉煤灰的分选和利用,目前,我国粉煤灰利用在生产建筑材料方面约占,31%,用在筑路方面约占,14%,用在回填方面约占,34%,只有约,5%,粉煤灰用作资源回收,总体利用价值极低。粉煤灰分选是粉煤灰资源回收的较好途径之一,是利用其物理化学性质,将粉煤灰中的有用组分分离开来,使其更有利于资源化,提高资源综合利用的价值。目前,从粉煤灰中分选利用的有用组分主要有,:,空心微珠、碳、铁、铝等。,1.,空心微珠的分选和利用,20,世纪中叶,一些发达国家已经将粉煤灰作为一项新的资源开发利用。,20,世纪,70,年代末期,英国、美国学者相继在水池中发现球形玻璃微珠。它具有多种功能,用途广泛,已经引起人们的普遍关注。,粉磨得很细的燃煤颗粒在高温下烧去碳质产生热能,剩余的粉煤灰在足够高的温度下,表面融化成散离的空心体,表面张力作用使得这些不规则的颗粒趋向球形。同时,在这些含碳少、低熔点的矿物质颗粒的内部发生燃烧和气化,所产生的气体,以不同的速度向外排出,使颗粒发生急剧膨胀,或以稳定的速度膨胀。接着快速冷却使这一部分气体被包于其中,形成大小不等、壁厚各异的空心微珠。其中包括,:,漂珠、沉珠和破壁珠。,空心微珠的颗粒一般,100,300,微米，有时可达,400,微米，容重,0.250.42KgL,，熔点,14001500,，比电阻,10121013,在室温条件下导热系数为,0. 298,0. 399KJms,在室温条件下导温系数,0. 001 07,0. 001 4m3h,流体静压强度为,700,1 400kg2 ,硬度,(,莫氏,)6,7,比表面积,3 200,3 600g,反射率,16,38,折射率,1.,5,1. 54,。,由于空心微珠的相对体积质量较小,可以采用重力分选的方法,很容易将其从粉煤灰中分选出来。目前,世界上采用机械分选微珠的方法已初具规模,分选出不同粒级的微珠质量分数大,占,70%,95%,分选方式有干法分选和湿法分选。,根据空心微珠特有的物理性能,将其作为轻质、绝缘、隔热、隔音及耐磨材料,有其较好的利用前景。,2.,碳粒的分选和利用,由于煤质和燃煤技术的影响,可燃物质在炉膛中不能全部燃烧,而保留在粉煤灰中,因而粉煤灰中碳的质量分数仍在,5%,25%,之间。根据有关资料,全国每年从电厂粉煤灰中流失有数百万吨的纯碳,既造成煤炭资源的白白流失浪费,又增加了粉煤灰的排放量,污染了环境。另外,由于粉煤灰中含有未燃尽的碳,造成粉煤灰综合利用的困难 。从粉煤灰中回收这些碳粉,有较高的经济价值,是保护环境、提高粉煤灰的利用率和发展经济的一条有益的途径。从粉煤灰中选碳的常用方法有浮选法、电选法等。从粉煤灰中分选出来的碳粒是高温下的产物,空隙度大,颗粒均匀,经过加工后,具有一定的强度,可作为制作活性碳的原材料。,3.,铁粉的分选和利用,粉煤灰中,Fe2O3,的质量分数一般为,8%,29%,最高可达,43%,是一种可观的矿物资源。另外,由于电厂锅炉的高温焚烧,加上碳和一氧化碳的还原作用,粉煤灰中的铁化合物部分已还原成磁性氧化铁（四氧化三铁）和铁粉。因此,可以直接利用磁选法回收铁粉。从粉煤灰中磁选铁的方法有湿选和干选。工艺简单,成本较低。粉煤灰经过二次磁选后,可使铁精矿的品位达,50%,65%,。可见,从粉煤灰中磁选铁粉是一种经济有效的方法。从粉煤灰中磁选出来的铁矿粉,可以作为制作铁红、铁黄等染料的原材料。,4.,氧化铝的提取,三氧化二铝是粉煤灰的主要成分之一,其质量分数一般为,15%,40%,最高可达,58%,。从粉煤灰中将其宝贵的资源加以回收利用是十分必要的 。,从粉煤灰中提取氧化铝,可利用石灰石烧结工艺,其流程主要包括,:,熟料烧成,熟料自粉化,熔出,脱硅,碳分,煅烧工艺,最终得到氧化铝。,我国粉煤灰综合利用现状,我国粉煤灰综合利用工作，长期以来一直受到国家的重视。早在,50,年代已开始在建筑工程中作混凝土、砂浆的掺和料，在建筑工业中用来生产砖，在道路工程中作路面基层材料等，尤其在水电建设大坝工程中使用最多,60,年代开始粉煤灰利用重点转向墙体材料，研制生产粉煤灰密实砌块、墙板、粉煤灰烧结陶粒和粉煤灰粘土烧结砖等,70,年代，国家为建材工业利用粉煤灰投资不少，而利用问题没有解决好到,80,年代，国家把资源综合利用作为经济建设的一项重大经济技术政策，使粉煤灰综合利用得到了蓬勃的发展,1990,年粉煤灰排放量为,6700,万,t,，利用量为,1900,万,t,，利用率为,28.3,1995,年排放量为,9936,万,t,，利用量为,4145,万,t,，利用率已达,42,2000,年排放量为,1.2,亿万,t,，利用量为,7000,万,t,，利用率为,58,。粉煤灰的排放量、利用率呈同步增长，尤其上海近几年来粉煤灰利用率,100,，为全国之首。,1.,在建筑材料工业中的应用,我国粉煤灰综合利用始于建材领域，至今己有,50,多年的历史，积累了一系列生产、利用和管理方面的经验。就全国而言，生产建筑材料利用粉煤灰的量最大，约占利用总量的,35% ,而且利用途径和方式也最多。粉煤灰生产的建筑材料主要有,:,粉煤灰水泥、代替粘上做水泥原料、普通水泥、硅酸盐水泥、硅酸三钙水泥、硫酸铝酸钙水泥、低体积质量油田水泥、早强水泥等，有的粉煤灰掺量达,75,硅酸盐承重砌块和小型空心砌块、加气混凝上砌块及板、烧结陶粒、烧结砖、蒸压砖、蒸养砖、高强度双免浸泡砖、双免砖、钙硅板等。 粉煤灰建筑制品可分为非烧制和烧制型，非烧制粉煤灰建筑制品的诸多产品中，最先得到开发的是蒸养制品，这类产品的特点是利用粉煤灰具有的火山灰活性，与含钙物质配合，在一定温、湿度条件下与之发生反应，生成水化产物而获得一定强度和其他性能。这类制品生产工艺要求严格，设备比较复杂，其中每一种产品又各具特色。它们各自的工艺条件不同，对粉煤灰的品质要求及用量也不同， 而且，不同产品的应用技术要求也各有特点。,2,在建设工程方面中的利用,此类用灰量约占总用灰量的,10%,主要有,:,粉煤灰用于大体积混凝上，泵送混凝上，高低标号混凝上，灌浆材料等。粉煤灰混凝上应用面极广，在土木工程了、水利工程、建筑工程以及预制混凝上制品和构件等方都面可广泛使用。只有开发粉煤灰产品和选用符合质量要求的原状灰，且在混凝上中合理使用，才能符合各种类别和不同等级的混凝上的质量要求。,3.,粉煤灰在化工领域的应用,从粉煤灰中提取高纯明矾用以合成矾土、粉煤灰制备,SiC,粉末及粉煤灰制取玻璃陶瓷等。,4.,在水利、道路工程的应用,这部分用灰量，占总用灰量的,20% ,主要有,:,粉煤灰、石灰石砂稳定路面基层，粉煤灰沥青混凝土，粉煤灰用于护坡、护堤工程和用粉煤灰修筑水库大坝等。,5.,在农业领域的应用,这部分粉煤灰的用量，占总用灰量的,15% ,主要用于,:,改良土壤，制作磁化肥，微生物复合肥，农药等。粉煤灰的农用具有投资少、用量大、需求平稳、潜力大等特点，是适合我国国情的重要综合利用途径。,目前，我国粉煤灰的农业应用研究主要是粉煤灰的改土效果和肥料价值。虽然粉煤灰中的硅成分主要是玻璃体部分与铝元素结合呈柱状晶体，不能直接被农作物吸收，但,SiO2,与,Mg,（,OH,）,2,和,K(OH),在,9000oC,的高温下可以烧结形成化合物。这种化合物中的硅、镁、钾等元素易被农作物吸收，所以粉煤灰通过技术加工可以制成肥料。另外，粉煤灰磁化肥具有明显的增产作用，粉煤灰磁化肥是以粉煤灰为载体，加上有效养分，具有独特磁作用的肥料。其营养丰富，磁化肥便于形成易为作物吸收的营养单元，不仅可以提高化肥的利用率，而且可以大量利用粉煤灰。,6.,在环境保护方面的应用,主要为粉煤灰在废气、废水处理中的应用：粉煤灰比表面积大、多孔，具有很好的吸附性和沉降作用。能吸附污水中悬浮物、脱除有色物质、降低色度、吸附并除去污水中的耗氧物质。而具有较好的除氟能力。用粉煤灰制成的脱硫剂的脱硫效率要高于纯的石灰脱硫剂，这是因为气固反应中吸收剂比表面积的大小是反应速率快慢的主要决定因素。在适当的灰、石灰比和反应温度时，脱硫率可达到,90%,以上。,7.,粉煤灰在塑料、橡胶等方面的应用,粉煤灰作为塑料、橡胶工业中填料的研究也是值得重视的。采用铝酸酯活化处理风选粉煤灰微珠，可以大大增加粉煤灰微珠与酚醛树脂的相容性，从而提高微珠酚醛复合材料的力学性能，使制造成本大大降低。将粉煤灰通过磨细、焙烧、表面活性处理后，可作为橡胶的补强填充剂，从而大大降低橡胶制品的生产成本。,粉煤灰应用技术的发展方向,总的来看，粉煤灰用于砌筑、回填技术成熟，工艺简单且吃灰量大，属于大力推广应用技术粉煤灰高强混凝土仍是需要完善发展的技术粉煤灰空心烧结砖、粉煤灰混凝土空心小砌块等建筑制品方面的应用技术是今后的发展热点，也有必要在大工业化生产中继续摸索，完善其工艺技术参数。今后重点开发研究的技术课题在以下几个方面：,1.,大掺量粉煤灰制品,无论从节约能源、保护环境，还是从节约土地、降低成本来说，大掺量粉煤灰制品都将是下一步发展的趋势。,2.,重点从发展砖系列产品,制品在免烧结、免蒸养自然养护工艺中其粉煤灰掺量能达到,80%,以上，有效外加剂的使用，可使制品不仅可以采用干压成型生产，也可以采用挤出成型法来实现工业化生产，提高劳动效率，确保产品质量。,结束语,粉煤灰科学技术是一项综合性、边缘性科学技术。其技术的可持续发展，依赖于其它学科的最新进展。若能合理利用，则既能够用来化解粉煤灰所带来的环境问题，又能够将其作为一个新兴的资源以发展多种实用性产品。随着现代化工业的快速发展,资源匮乏日趋成为摆在人们面前的主要社会问题之一。,20,世纪后半叶以来,资源环境与可持续发展一直是我国政府关注的焦点问题,许多科学家把自然资源的综合利用、再生资源和环境保护问题紧密地联系在一起,取得了大量的成果 。电厂粉煤灰除了作为建筑材料被大量使用外,从粉煤中提取一些有用的组分,提高固体废弃物的综合利用率,无疑是保护环境、变废为宝的有利途径。,参考文献,1,中国环境年鉴编委会,.,中国环境年鉴,.,北京,:,中国环境年鉴出版社, 1996. 483485.,2,廉政,蔡春雷,.,粉煤灰综合利用技术发展概况及研究开发方向和重点, .,粉煤灰动态, 1998, 29 1 : 27.,3,冯乃谦,.,高性能混凝土, .,北京,:,中国建筑工程出版社, 1996. 1382,4,涂俊杰,.,我国燃煤的污染现状及治理对策, .,环境污染与防治, 1999, 21 3 : 1820.,5,刘圣勇,张全国,杨群发,.,粉煤灰资源化特征及路面工程应用技术研究, .,环境污染与防治, 2001, 23 2 : 79,6,张全国,.,粉煤灰资源化特征与路面工程技术研究, .,农业工程学报, 1999, 15 3 : 182186.,7,张全国,王学涛,杨群发,.,脱炭粉煤灰修复公路路面应用技术研究, .,环境工程, 2001, 19 1 : 4446.,8,常东胜,吴山,李红梅,.,用粉煤灰和废酸生产聚合氧化铝的研究, .,环境科学动态, 2001, 1 : 2326.,9,王玮,.,粉煤灰资源化综合利用技术, .,煤炭加工与综合利用, 1998, 4 : 4144.,11,濮洪九,.,煤炭资源综合利用战略与政策, .,中国人口、资源与环境, 1999, 9 1 : 5- 7.,