浅谈粉煤灰的综合利用

刘 彬 宋 萌 田 野

摘要:粉煤灰既是工业废料,同时也是一种宝贵的资源,合理有效地利用粉煤灰得到了社会各界的关注。文章综合介绍了粉煤灰的各种性能和研究方向,阐述了粉煤灰在各个领域中的应用,为粉煤灰综合利用和发展提供相应资料。

关键词:粉煤灰;工业废料;分子筛;粉煤灰砌块

中图分类号:X703文献标识码:A文章编号:1009-2374(2009)10-0126-02

粉煤灰是煤灰燃烧后,由烟气从锅炉中带出来的粉状残留物,是一种人工火山灰质材料,其自身具有微弱的胶凝值(或不具有胶凝值),但当它以粉状及有水存在时能在常温下与氢氧化钙反应形成胶凝性化合物。

作为排放量最大的一种工业废料之一,粉煤灰在所有燃煤副产品中占有很大的比例。中国是煤炭资源的消耗大国,70%的煤炭用于火力发电,不可避免地产生大量粉煤灰,如果不加以处理,它将污染江河、大气,吞没良田,造成严重的危害,由此,粉煤灰的有效利用越来越受到各国的重视。

一、粉煤灰的基本性能和应用

粉煤灰的性能具有很大的波动性,它不仅与煤种、煤源有关,而且也取决于锅炉的类型、运行条件、吸尘以及排灰的方式,因此,不同电厂的粉煤灰的性质也不同。

(一)粉煤灰的基本性能

1.粉煤灰的物理性质。粉煤灰外观为球形或微珠的集合体,颗粒直径1?滋m-100?滋m不等,外观颜色从乳白色到灰黑色深浅不一,具有较大的比表面积、多孔。根据经验,统计我国68个火力发电厂的粉煤灰基本的物理性质见表1:

表1 粉煤灰的物理性质

2.粉煤灰的化学组成。粉煤灰的化学组成很大程度上取决于原煤的无机物组成和燃烧条件,无机物经燃烧后成为粉煤灰,其中氧化硅、氧化铝和氧化铁的含量一般达到70%以上,其余的为少量钙、镁、钛、硫、钠和磷等的氧化物。此外,粉煤灰中的另一种重要的化学成分——未燃尽碳也属于粉煤灰的化学组成,这是粉煤灰中的有害成分,主要表现在吸水性大、强度低,易风化等方面,所以应尽量保证煤的充分燃烧。

3.粉煤灰的矿物成分。粉煤灰是晶体矿物和非晶体矿物的混合物,晶体矿物一般为石英、莫来石、磁铁矿、氧化镁、生石灰和无水石膏等,非晶体矿物微玻璃体、无定型碳等,非晶体中又以玻璃体为主。

实验表明,粉煤灰中晶体矿物的含量与其冷却速度有关,冷却速度较快时,玻璃体含量较多;反之,晶体矿物较多。

(二)粉煤灰的综合利用状况

我国对粉煤灰研究开发利用始于20世纪50年代,主要集中在水泥和混凝土应用开发试验研究上,直到60年代,逐渐将粉煤灰的利用重点转向了墙体材料,研制了各种砌块、墙板和粉煤灰烧结砖等。我国近年来粉煤灰的排放与利用情况见表2:

表2粉煤灰的利用情况

从表2中分析得知,我国粉煤灰的平均利用率正在稳步的提高。然而,与粉煤灰高利用地区相比还是有一定的距离,我国上海的粉煤灰利用率近几年几乎达到了100%。对于我国其它地区来说,如何提高粉煤灰的综合利用率是一个值得深入探讨的问题。

二、粉煤灰的研究及综合利用

目前在我国发达城市粉煤灰的综合利用涉及到了多个方面,如建筑工程、化学工业、农业等各个领域,由此可见,粉煤灰科学技术是一项综合性的科学技术,其技术的可持续性发展依赖于其它领域的最新进展。

(一)粉煤灰在建筑领域中的应用

我国对粉煤灰的开发利用是从建筑领域开始的,积累了不少粉煤灰多方向利用的经验,在建筑领域中的利用达到了较高水平。据统计,我国粉煤灰只在建筑材料中的应用就达到了全部利用总量的35%以上。

水泥原料:粉煤灰的成分与粘土相似,可以替代粘土生产水泥,其未燃尽碳在煅烧水泥时还可以节约燃料,经验表明,采用粉煤灰代替粘土做原料可降低16%～17%的燃料消耗。按国家标准粉煤灰水泥可掺入20%～40%的粉煤灰,得到的粉煤灰水泥有凝结时间延缓、早期强度较低、后期强度增长快、干缩性小、耐硫酸盐性好、水化热低、泌水性降低等优点。

粉煤灰砖:粉煤灰砖是以粉煤灰和粘土为主要原料,辅以其他工业废渣,经配料、混合、成型、干燥和焙烧等工序而形成的一种新型墙体材料,目前我国的粉煤灰烧结砖主要是普通空心砖、大块空心砖、普通空心砖等。

粉煤灰砖相比普通粘土砖有许多优点:保护环境,节约耕地,每万块砖可减少粘土用量的8m左右;减轻建筑荷重,降低劳动强度,每块粉煤灰砖比普通粘土砖轻0.5kg左右;粉煤灰砖的质量较好,尤其是压制成型的烧结粉煤灰砖尺寸准确,棱角整齐,外观漂亮,耐久性好,保温隔热性能优于普通粘土砖,表观密度比普通粘土砖要小。

粉煤灰砌块:粉煤灰砌块是以粉煤灰、石灰、石膏和骨料等为原料,经加水搅拌、振动,成型、蒸汽养护而制成的墙体材料。由于我国传统的墙体材料是红砖,用土量大,烧制一百万块要用掉一亩土地,粉煤灰砌块的发展,将有利于促进墙体材料的改革,限制和停止红砖的生产,符合我国的用地紧张的情况。

粉煤灰砂浆:粉煤灰砂浆是利用粉煤灰取代部分(或全部)传统建筑砂浆中的水泥、石灰膏和砂等组分配制而成的。粉煤灰砂浆中的粉煤灰掺量较大,平均1m加入的粉煤灰少则几十公斤,多则二三百公斤,甚至更多,有利于提高粉煤灰的利用量;粉煤灰砂浆性能也比较好,强度比较稳定,有利于保证工程质量;经济效益和社会效益都很显著,一般可以节约水泥20%～30%,节约砂10%～50%,节约砂浆材料费5～10元/m3。

其它方面:粉煤灰还可用于屋面保温材料,防水材料等, 施工用量省,造价较低,具有很好的保温、隔热、防水等性能。

(二)粉煤灰在化学工业中的应用

根据粉煤灰的化学成分和矿物组成成分可以推断:粉煤灰具有很好的化学应用前景。它不但可以用于制作新型材料,也可以用来提取部分化合物。

制作分子筛:利用粉煤灰和纯碱为主要原料,配适当的氢氧化纳制作分子筛,节约了制造成本,分子筛具有很强的吸附性,用于将大小不同的分子进行筛分,广泛用于各种气体和液体的脱水、干燥,气体的分离、净化,液体的分离纯化及其它石化工业。用粉煤灰制取分子筛,有节约原料、工艺简单和质量好等优点。

制作拒水粉:以粉煤灰为主要原料,加入一定量的添加剂及化学助剂,在一定温度和压力下经化学物理变化制作一种粉状杂化型新材料——拒水粉——一种建筑防水、防泄漏材料,这种材料耐水、耐酸、耐碱、耐高低温和耐老化。制得的拒水粉可以用在屋面及平顶楼房的防水、地面防潮、地下铁道工程、隧道等以及酸、碱、盐水池等方面。

其它方面:从粉煤灰中还可以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。

(三)粉煤灰在农林牧业中的应用

我国是一个农业大国,是粉煤灰利用极具前景的一个国家,农业领域对粉煤灰质量要求相对较低,据统计,粉煤灰在农业领域方面的应用占到了粉煤灰总用量的15%有余。

粉煤灰在农林牧业中的应用是通过改良土壤、覆土改造等手段,促进种植业的发展,从而达到提高农作物产量、绿化生态环境等目的。我国目前粉煤灰在农业领域在中的应用主要是改良土壤和提高肥料价值。

改良土壤:粉煤灰能输送土壤、改善粘土质地、增加土壤的通透性,从而改善粘土土壤的保水、供水性能,为各种作物营造良好的土壤环境条件,有关试验表明,粘土施加粉煤灰在35000kg/亩以内,粉煤灰亩施加量每增加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调节酸性土壤的pH值;在碱性土壤中能起到抑盐压碱的作用;粉煤灰富含Si、Ca、Fe、Mg,还含有一定的N、P、K以及相当数量的微量元素,能在一定程度上增加土壤的养分元素。

肥料价值:粉煤灰中的硅成分主要是玻璃体与铝元素结合的柱状晶体,这些晶体不能被农作物直接吸收,但是SiO、Mg(OH)和K(OH)在9000C的高温下可以烧结形成化合物,烧结得到的化合物中的Si、Mg、K等元素易被农作物吸收,同时粉煤灰中的钾、钙、镁等化学离子也有利于植物的生长,所以粉煤灰通过技术加工可以制成肥料。

用粉煤灰制作的复合肥,可以大大提高氮、磷、钾肥的利用率,使其流失率减少。另外,粉煤灰磁化肥具有明显的增产作用,它是以粉煤灰为载体,加上有效养分,具有独特磁化作用,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。

(四)粉煤灰在废水处理中的应用

粉煤灰在废水中的应用主要是通过粉煤灰的吸附性完成的,其吸附作用主要有物理吸附和化学吸附两种:物理吸附是粉煤灰与吸附质间通过分子吸引力产生吸附,由粉煤灰的多孔性及比表面积决定,比表面积越大,其吸附性能越强;化学吸附是粉煤灰中存在的大量Al、Fe、Si等活性点能与吸附质通过化学键发生结合,达到吸附作用。通常情况下物理吸附和化学吸附同时存在,只是在不同条件下体现出不同的优势,从而显示出不同的吸附原理。

但是粉煤灰直接用来处理废水的效率并不高,需要通过对其进行改性处理才能达到理想的废水处理效率,通常的改性处理方法主要有酸性处理、碱性处理和盐性处理三种方法。

三、发展前景综述

粉煤灰科学技术是一项综合性、边缘性的科学技术,其技术的可持续性、创新性地发展依赖于周围学科的综合发展,若能合理利用,既能够用来化解粉煤灰所带来的环境问题,又能将其作为一个新兴的资源以发展多种实用性产品,在建筑领域、化学工业、农业、污水处理方面必将有光明的前景。

参考文献

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作者简介:刘彬(1986-),男,四川自贡人,中国矿业大学建筑工程学院06级土木工程专业学生,研究方向:矿山建设与地下工程;宋萌(1988-),女,北京人,中国矿业大学建筑工程学院06级土木工程专业学生,研究方向:工业与民用建筑;田野(1988-),男,内蒙古鄂伦春旗人,中国矿业大学材料科学与工程学院学生,研究方向:金属材料。