电厂粉煤灰分选玻璃微珠的试验研究

孙加亮，周玉生，周明吉，刘 珊，刘建辉

(亿利资源集团有限公司，北京市100031)

现代火力发电厂锅炉都采用磨细煤粉作为燃料。当煤粉喷入炉膛中，就以细颗粒或团的形式进行燃烧，充分释放热能。燃烧后的灰渣根据原煤灰分含量不同，一般占原煤质量15% ～40%。灰渣包括粉煤灰或飞灰(约占总灰渣70% ～80%)和炉底灰或灰渣(约占总渣的15%～30%)。粉煤灰是自然界不存在的由人工过程产生的粉状矿物质资源。其中含有硅、铝、铁、钙，还有少量的镁、钛、硫、钾、钠和磷，还有砷、镉、汞、铅和锌等多种微量元素。

粉煤灰中的玻璃微珠是一种宝贵的多功能颗粒材料，它是燃煤电厂排出的一种细小、轻质、表面光滑、中空的球型颗粒，其主要化学成分是硅、铝、铁的氧化物，占粉煤灰总量的30%～50%，是粉煤灰高级利用的重要产品。它具有质轻、粒径小、耐磨性强、抗压强度高、分散流动性好、反光、无毒等优良性能，可代替造价较高的人造空心微珠，广泛应用于建材、橡胶、塑料、化工、电子、航天等领域，具有良好的经济效益和社会效益。

1 玻璃微珠的分选

从粉煤灰中分选微珠是实现粉煤灰及其微珠综合利用，变废为宝的前提和基础，由于各电厂燃用的煤种、煤质和锅炉的炉型、运行状态、排灰方式等差异，形成的粉煤灰的形态结构，物理和化学性质及形成各种珠体的数量和粒度等也有所差异，所需采用的分选工艺也有所区别。分选工艺分干法分选和湿法分选，湿法是以液态为介质，利用空心微珠的比重不同进行分选，从分选的效果来看，湿法比干法好，得到的漂珠和沉珠特别纯，质量特别高，可代替许多金属材料用于许多领域[1]。

亿利能源化工循环经济园区内形成了“煤－煤矸石发电－离子膜烧碱－PVC－PVC深加工－”工业废渣制水泥"的一体化循环产业链，并建有自备电厂供PVC生产，有大量的粉煤灰生产能力，为粉煤灰综合利用提供了有利条件。本文以自备电厂粉煤灰为原料，以水为介质，采用简易磁选，分选漂珠、沉珠和磁珠，并检测其性质。

1.1 试验原料

试验所用灰样取自亿利化学公司自备电厂，化学成分见表1。

表1 粉煤灰化学组成 /%

1.2 粉煤灰筛分

取粉煤灰500g，用标准检验筛进行筛分，选取筛子分别为100目、150目、200目、250目、300目、325目、400目，筛分结果见图1。从图1可知，粉煤灰粒径从50目至400目均有分布，250目粒径的占比最大，大部分落入200～325目之间。

图1 粉煤灰粒径分布图

1.3 玻璃微珠分选

粉煤灰玻璃微珠通常包含3种形态，即漂珠、沉珠和磁珠，漂珠是密度小于1g/cm3的微珠，沉珠是密度大于1g/cm3的微珠，磁珠是含铁量较高、能够被磁吸附的空心微珠。根据各组分的特性可进行单独分选或组合分选。

粉煤灰中漂珠密度小于1g/cm3，其它成分密度大于1g/cm3，因此漂珠漂浮于水面上，可利用水为介质分选。称取1000g粉煤灰，将之盛放于大烧杯中，从底部注入自来水，搅拌、沉降，捞取上层漂珠;继续进行搅拌，沉降，捞漂珠的操作，重复进行5次，将不再有漂浮物。将捞取的漂珠进行抽滤，除水，放于干燥箱中烘干，得到1.4g漂珠。粉煤灰中漂珠含量只有0.14%，非常少。

粉煤灰中磁珠富含 Fe、Fe2O3、Fe3O4，具有铁磁性，可通过磁选方法进行分选。试验采用永磁体，将粉煤灰中含铁磁珠选出来，直到不再有含磁物质，然后进行干燥，称量得到磁珠 252g，粉煤灰中磁珠含量25.2%。

将提取完漂珠、磁珠的粉煤灰，只剩下沉珠、少量炭粒和杂质等，进行抽滤，干燥后获得沉珠。

2 试验结果及分析

2.1 提取物元素分析

粉煤灰的化学成分与燃用煤种有关，按照美国(ASTMC618－80)的划分标准，燃用无烟煤和烟煤的粉煤灰划为F类，其CaO＜10%;而燃用褐煤及次烟煤者为 C类，其 CaO＞10%[2]。粉煤灰中不同颗粒类型，其化学成分有明显的差异。漂珠中SiO2与Al2O3大于沉珠，而 Fe2O3，CaO，K2O，MgO 等金属氧化物低于沉珠;磁珠以Fe2O3为主，且CaO与MgO含量稍高。粉煤灰各种珠体元素分析见表2。

表2 粉煤灰各种珠体的化学成分 /%

2.2 玻璃微珠SEM分析

用扫描电镜对粉煤灰，沉珠，磁珠进行了表征，见图2。从图2可以看出粉煤灰中玻璃微珠是规则的圆球型，颗粒大小不一，且在球面有杂质。磁珠是含有铁磁性的玻璃微珠，从图(b)可知，粒径主要有2种，大部分粒径比较小。沉珠为提取漂珠、磁珠后所得产物，粒径均匀，有不规则的残炭，一些大的微珠包含许多小的微珠。根据珠体形貌特性，在作为填料应用时，应对其进行筛分，选取均匀的粒径，并对表面进行包覆改性，提高PVC的机械强度和可加工性。

图2 原灰，磁珠，沉珠SEM图

3 玻璃微珠的应用

粉煤灰中的玻璃微珠是一种不可多得的工业填充剂，可广泛应用于建材、塑料、橡胶、涂料、化学、冶金、航海和航天等领域。改性后的空心微珠具有电、磁等性能，应用于微波吸收或电磁屏蔽等领域，微珠填料具有良好的发展前景。

利用粉煤灰漂珠密度小，耐压力高的特点，可制成打捞潜艇、深海油田开发等多种用途的浮力材料，使用效果良好。可以利用一定规格粉煤灰空心微珠的反光效果来替代进口材料，制成道路交通方面的路标及反光材料，其反光度可达到工程级标准[3]。

粉煤灰分离提取的微珠应用于石油、油气、地质行业钻井泥浆悬浮液、钻井泥浆、钻井解卡剂的配制。粉煤灰净化微珠可在建材行业替代滑石粉、高岭土、硅藻土、碳酸钙等用于生产防水、防火、隔声涂料，耐磨、防腐油漆、大口径玻璃钢夹砂管，高强耐磨混凝土等[4]。

粉煤灰通过磁选的方法回收富铁玻璃微珠，进行铁精矿炼铁，根据经验粉煤灰含铁量需大于5%以上时，才有分选回收价值，测试所得粉煤灰含铁11.0%，比较适合富铁玻璃微珠分选。

化学工业中，空心微珠可作为某些化学反应的催化剂，石油工艺中，沉珠可作为石油精炼过程的一种催化剂，提高汽油的产量和质量，用漂珠制成低密度水泥可用于固井[5]。

经化学改性活化的微珠，可取代目前价格较高的碳黑、白碳黑、优质高岭土等自然资源，用于橡胶、塑料、造纸行业的耐磨、耐蚀高强填充料。是化学工业良好的化学反应催化剂载体和树脂掺合料[6]。

4 粉煤灰玻璃微珠产业应用

图3 粉煤灰玻璃微珠在PVC产品中的应用流程

亿利电厂捕集的粉煤灰一直以非常低的价格出售给水泥厂，不能获得高的附加值，我们根据粉煤灰富含玻璃微珠的情况，提出了高附加值的利用方式。粉煤灰从自备电厂运输至分选车间进行分选获得玻璃微珠，将所获得玻璃微珠进一步分选出漂珠、沉珠、磁珠，其中漂珠和沉珠通过偶联剂或其它助剂进行包覆处理。处理后作为高档填料，然后添加其它加工助剂，进行PVC材料的加工改性，生产不同的PVC及其它热塑性产品。也可将所获得的漂珠、沉珠、磁珠进行外售，见图3。亿利资源集团化工循环经济园区有年产50万t PVC，煤矸石发电厂，具备原料成本优势。从粉煤灰分选玻璃微珠，可以从废弃污染物中回收新型材料，节能节地，减少污染，化害为利，变废为宝，具有极大的环保意义和社会效益，将循环经济向精细化、高附加值利用方向推进。

5 结论

粉煤灰中玻璃微珠的分选与综合利用是近十几年来兴起的一个研究课题，粉煤灰中玻璃微珠的用途十分广泛，亿利能源化工循环经济园新建PVC新材料加工厂，所提取的玻璃微珠可作为填料用于加工改性，降低塑料制品成本，实现变废为宝，废物的综合利用。粉煤灰玻璃微珠作为一种多功能的新型颗粒材料，它在发展具有更强功能的复合材料中必将占据更大的地位，将会产生巨大的经济、社会和环保效益。

[1]薛茹君，朱克义，吴杰等.平圩电厂粉煤灰微珠的分选及其性质测定[J].安徽理工大学学报:自然科学版，2005，25(1):57～61.

[2]孙俊民，韩德馨.粉煤灰的形成和特性及其应用前景[J].煤炭转化，1999，22(1):10 ～14.

[3]全北平，徐宏，古宏晨等.粉煤灰空心微珠的研究与应用进展[J].化工矿物与加工，2003，11:31～33.

[4]陈胜利，李炳炎，杨久俊等.利用粉煤灰资源分离提取微珠技术与设备的研究及应用[J].砖瓦，2004，1:40 ～43.

[5]边炳鑫，赵凤林，王振国.粉煤灰空心微珠的分选及综合利用的研究[J].中国矿业大学学报，1993，22(2):20 ～27.

[6]杨久俊，黄明，张磊.粉煤灰微珠分离提取与深加工的初步研究[J].新型建筑材料，.2003，8:14 ～16.