劉 彬 宋 萌 田 野

摘要:粉煤灰既是工業(yè)廢料,同時也是一種寶貴的資源,合理有效地利用粉煤灰得到了社會各界的關(guān)注。文章綜合介紹了粉煤灰的各種性能和研究方向,闡述了粉煤灰在各個領(lǐng)域中的應(yīng)用,為粉煤灰綜合利用和發(fā)展提供相應(yīng)資料。

關(guān)鍵詞:粉煤灰;工業(yè)廢料;分子篩;粉煤灰砌塊

中圖分類號:X703文獻標(biāo)識碼:A文章編號:1009-2374(2009)10-0126-02

粉煤灰是煤灰燃燒后,由煙氣從鍋爐中帶出來的粉狀殘留物,是一種人工火山灰質(zhì)材料,其自身具有微弱的膠凝值(或不具有膠凝值),但當(dāng)它以粉狀及有水存在時能在常溫下與氫氧化鈣反應(yīng)形成膠凝性化合物。

作為排放量最大的一種工業(yè)廢料之一,粉煤灰在所有燃煤副產(chǎn)品中占有很大的比例。中國是煤炭資源的消耗大國,70%的煤炭用于火力發(fā)電,不可避免地產(chǎn)生大量粉煤灰,如果不加以處理,它將污染江河、大氣,吞沒良田,造成嚴(yán)重的危害,由此,粉煤灰的有效利用越來越受到各國的重視。

一、粉煤灰的基本性能和應(yīng)用

粉煤灰的性能具有很大的波動性,它不僅與煤種、煤源有關(guān),而且也取決于鍋爐的類型、運行條件、吸塵以及排灰的方式,因此,不同電廠的粉煤灰的性質(zhì)也不同。

(一)粉煤灰的基本性能

1.粉煤灰的物理性質(zhì)。粉煤灰外觀為球形或微珠的集合體,顆粒直徑1?滋m-100?滋m不等,外觀顏色從乳白色到灰黑色深淺不一,具有較大的比表面積、多孔。根據(jù)經(jīng)驗,統(tǒng)計我國68個火力發(fā)電廠的粉煤灰基本的物理性質(zhì)見表1:

表1 粉煤灰的物理性質(zhì)

2.粉煤灰的化學(xué)組成。粉煤灰的化學(xué)組成很大程度上取決于原煤的無機物組成和燃燒條件,無機物經(jīng)燃燒后成為粉煤灰,其中氧化硅、氧化鋁和氧化鐵的含量一般達到70%以上,其余的為少量鈣、鎂、鈦、硫、鈉和磷等的氧化物。此外,粉煤灰中的另一種重要的化學(xué)成分——未燃盡碳也屬于粉煤灰的化學(xué)組成,這是粉煤灰中的有害成分,主要表現(xiàn)在吸水性大、強度低,易風(fēng)化等方面,所以應(yīng)盡量保證煤的充分燃燒。

3.粉煤灰的礦物成分。粉煤灰是晶體礦物和非晶體礦物的混合物,晶體礦物一般為石英、莫來石、磁鐵礦、氧化鎂、生石灰和無水石膏等,非晶體礦物微玻璃體、無定型碳等,非晶體中又以玻璃體為主。

實驗表明,粉煤灰中晶體礦物的含量與其冷卻速度有關(guān),冷卻速度較快時,玻璃體含量較多;反之,晶體礦物較多。

(二)粉煤灰的綜合利用狀況

我國對粉煤灰研究開發(fā)利用始于20世紀(jì)50年代,主要集中在水泥和混凝土應(yīng)用開發(fā)試驗研究上,直到60年代,逐漸將粉煤灰的利用重點轉(zhuǎn)向了墻體材料,研制了各種砌塊、墻板和粉煤灰燒結(jié)磚等。我國近年來粉煤灰的排放與利用情況見表2:

表2粉煤灰的利用情況

從表2中分析得知,我國粉煤灰的平均利用率正在穩(wěn)步的提高。然而,與粉煤灰高利用地區(qū)相比還是有一定的距離,我國上海的粉煤灰利用率近幾年幾乎達到了100%。對于我國其它地區(qū)來說,如何提高粉煤灰的綜合利用率是一個值得深入探討的問題。

二、粉煤灰的研究及綜合利用

目前在我國發(fā)達城市粉煤灰的綜合利用涉及到了多個方面,如建筑工程、化學(xué)工業(yè)、農(nóng)業(yè)等各個領(lǐng)域,由此可見,粉煤灰科學(xué)技術(shù)是一項綜合性的科學(xué)技術(shù),其技術(shù)的可持續(xù)性發(fā)展依賴于其它領(lǐng)域的最新進展。

(一)粉煤灰在建筑領(lǐng)域中的應(yīng)用

我國對粉煤灰的開發(fā)利用是從建筑領(lǐng)域開始的,積累了不少粉煤灰多方向利用的經(jīng)驗,在建筑領(lǐng)域中的利用達到了較高水平。據(jù)統(tǒng)計,我國粉煤灰只在建筑材料中的應(yīng)用就達到了全部利用總量的35%以上。

水泥原料:粉煤灰的成分與粘土相似,可以替代粘土生產(chǎn)水泥,其未燃盡碳在煅燒水泥時還可以節(jié)約燃料,經(jīng)驗表明,采用粉煤灰代替粘土做原料可降低16%～17%的燃料消耗。按國家標(biāo)準(zhǔn)粉煤灰水泥可摻入20%～40%的粉煤灰,得到的粉煤灰水泥有凝結(jié)時間延緩、早期強度較低、后期強度增長快、干縮性小、耐硫酸鹽性好、水化熱低、泌水性降低等優(yōu)點。

粉煤灰磚:粉煤灰磚是以粉煤灰和粘土為主要原料,輔以其他工業(yè)廢渣,經(jīng)配料、混合、成型、干燥和焙燒等工序而形成的一種新型墻體材料,目前我國的粉煤灰燒結(jié)磚主要是普通空心磚、大塊空心磚、普通空心磚等。

粉煤灰磚相比普通粘土磚有許多優(yōu)點:保護環(huán)境,節(jié)約耕地,每萬塊磚可減少粘土用量的8m左右;減輕建筑荷重,降低勞動強度,每塊粉煤灰磚比普通粘土磚輕0.5kg左右;粉煤灰磚的質(zhì)量較好,尤其是壓制成型的燒結(jié)粉煤灰磚尺寸準(zhǔn)確,棱角整齊,外觀漂亮,耐久性好,保溫隔熱性能優(yōu)于普通粘土磚,表觀密度比普通粘土磚要小。

粉煤灰砌塊:粉煤灰砌塊是以粉煤灰、石灰、石膏和骨料等為原料,經(jīng)加水?dāng)嚢?、振?成型、蒸汽養(yǎng)護而制成的墻體材料。由于我國傳統(tǒng)的墻體材料是紅磚,用土量大,燒制一百萬塊要用掉一畝土地,粉煤灰砌塊的發(fā)展,將有利于促進墻體材料的改革,限制和停止紅磚的生產(chǎn),符合我國的用地緊張的情況。

粉煤灰砂漿:粉煤灰砂漿是利用粉煤灰取代部分(或全部)傳統(tǒng)建筑砂漿中的水泥、石灰膏和砂等組分配制而成的。粉煤灰砂漿中的粉煤灰摻量較大,平均1m加入的粉煤灰少則幾十公斤,多則二三百公斤,甚至更多,有利于提高粉煤灰的利用量;粉煤灰砂漿性能也比較好,強度比較穩(wěn)定,有利于保證工程質(zhì)量;經(jīng)濟效益和社會效益都很顯著,一般可以節(jié)約水泥20%～30%,節(jié)約砂10%～50%,節(jié)約砂漿材料費5～10元/m3。

其它方面:粉煤灰還可用于屋面保溫材料,防水材料等, 施工用量省,造價較低,具有很好的保溫、隔熱、防水等性能。

(二)粉煤灰在化學(xué)工業(yè)中的應(yīng)用

根據(jù)粉煤灰的化學(xué)成分和礦物組成成分可以推斷:粉煤灰具有很好的化學(xué)應(yīng)用前景。它不但可以用于制作新型材料,也可以用來提取部分化合物。

制作分子篩:利用粉煤灰和純堿為主要原料,配適當(dāng)?shù)臍溲趸{制作分子篩,節(jié)約了制造成本,分子篩具有很強的吸附性,用于將大小不同的分子進行篩分,廣泛用于各種氣體和液體的脫水、干燥,氣體的分離、凈化,液體的分離純化及其它石化工業(yè)。用粉煤灰制取分子篩,有節(jié)約原料、工藝簡單和質(zhì)量好等優(yōu)點。

制作拒水粉:以粉煤灰為主要原料,加入一定量的添加劑及化學(xué)助劑,在一定溫度和壓力下經(jīng)化學(xué)物理變化制作一種粉狀雜化型新材料——拒水粉——一種建筑防水、防泄漏材料,這種材料耐水、耐酸、耐堿、耐高低溫和耐老化。制得的拒水粉可以用在屋面及平頂樓房的防水、地面防潮、地下鐵道工程、隧道等以及酸、堿、鹽水池等方面。

其它方面:從粉煤灰中還可以提取高純明礬用以合成礬土、粉煤灰制備SiC 粉末及粉煤灰制取玻璃陶瓷等。

(三)粉煤灰在農(nóng)林牧業(yè)中的應(yīng)用

我國是一個農(nóng)業(yè)大國,是粉煤灰利用極具前景的一個國家,農(nóng)業(yè)領(lǐng)域?qū)Ψ勖夯屹|(zhì)量要求相對較低,據(jù)統(tǒng)計,粉煤灰在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域方面的應(yīng)用占到了粉煤灰總用量的15%有余。

粉煤灰在農(nóng)林牧業(yè)中的應(yīng)用是通過改良土壤、覆土改造等手段,促進種植業(yè)的發(fā)展,從而達到提高農(nóng)作物產(chǎn)量、綠化生態(tài)環(huán)境等目的。我國目前粉煤灰在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域在中的應(yīng)用主要是改良土壤和提高肥料價值。

改良土壤:粉煤灰能輸送土壤、改善粘土質(zhì)地、增加土壤的通透性,從而改善粘土土壤的保水、供水性能,為各種作物營造良好的土壤環(huán)境條件,有關(guān)試驗表明,粘土施加粉煤灰在35000kg/畝以內(nèi),粉煤灰畝施加量每增加5000kg,土壤容重下降0.11%,孔隙度增加3.53%,含水量增加1.14%。

其次,粉煤灰在酸性土壤中可以調(diào)節(jié)酸性土壤的pH值;在堿性土壤中能起到抑鹽壓堿的作用;粉煤灰富含Si、Ca、Fe、Mg,還含有一定的N、P、K以及相當(dāng)數(shù)量的微量元素,能在一定程度上增加土壤的養(yǎng)分元素。

肥料價值:粉煤灰中的硅成分主要是玻璃體與鋁元素結(jié)合的柱狀晶體,這些晶體不能被農(nóng)作物直接吸收,但是SiO、Mg(OH)和K(OH)在9000C的高溫下可以燒結(jié)形成化合物,燒結(jié)得到的化合物中的Si、Mg、K等元素易被農(nóng)作物吸收,同時粉煤灰中的鉀、鈣、鎂等化學(xué)離子也有利于植物的生長,所以粉煤灰通過技術(shù)加工可以制成肥料。

用粉煤灰制作的復(fù)合肥,可以大大提高氮、磷、鉀肥的利用率,使其流失率減少。另外,粉煤灰磁化肥具有明顯的增產(chǎn)作用,它是以粉煤灰為載體,加上有效養(yǎng)分,具有獨特磁化作用,其營養(yǎng)豐富,磁化肥便于形成易為作物吸收的營養(yǎng)單元,不僅可以提高化肥的利用率,而且可以大量利用粉煤灰。

(四)粉煤灰在廢水處理中的應(yīng)用

粉煤灰在廢水中的應(yīng)用主要是通過粉煤灰的吸附性完成的,其吸附作用主要有物理吸附和化學(xué)吸附兩種:物理吸附是粉煤灰與吸附質(zhì)間通過分子吸引力產(chǎn)生吸附,由粉煤灰的多孔性及比表面積決定,比表面積越大,其吸附性能越強;化學(xué)吸附是粉煤灰中存在的大量Al、Fe、Si等活性點能與吸附質(zhì)通過化學(xué)鍵發(fā)生結(jié)合,達到吸附作用。通常情況下物理吸附和化學(xué)吸附同時存在,只是在不同條件下體現(xiàn)出不同的優(yōu)勢,從而顯示出不同的吸附原理。

但是粉煤灰直接用來處理廢水的效率并不高,需要通過對其進行改性處理才能達到理想的廢水處理效率,通常的改性處理方法主要有酸性處理、堿性處理和鹽性處理三種方法。

三、發(fā)展前景綜述

粉煤灰科學(xué)技術(shù)是一項綜合性、邊緣性的科學(xué)技術(shù),其技術(shù)的可持續(xù)性、創(chuàng)新性地發(fā)展依賴于周圍學(xué)科的綜合發(fā)展,若能合理利用,既能夠用來化解粉煤灰所帶來的環(huán)境問題,又能將其作為一個新興的資源以發(fā)展多種實用性產(chǎn)品,在建筑領(lǐng)域、化學(xué)工業(yè)、農(nóng)業(yè)、污水處理方面必將有光明的前景。

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作者簡介:劉彬(1986-),男,四川自貢人,中國礦業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院06級土木工程專業(yè)學(xué)生,研究方向:礦山建設(shè)與地下工程;宋萌(1988-),女,北京人,中國礦業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院06級土木工程專業(yè)學(xué)生,研究方向:工業(yè)與民用建筑;田野(1988-),男,內(nèi)蒙古鄂倫春旗人,中國礦業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院學(xué)生,研究方向:金屬材料。