粉煤灰提铝残渣特性及制备轻质保温板的研究

金彪 ，汪潇 ，杨留栓 ，2

（1.河南城建学院 材料与化工学院，河南 平顶山 467036；2.河南科技大学 材料科学与工程学院，河南 洛阳 471003）

0 引言

随着我国环保力度的加大，燃煤电厂大多采用烟气脱硫技术来达到排放标准，随之产生的大量脱硫石膏的处理成为一个难题。同时，燃煤电厂产生的粉煤灰也越来越多，相关文献显示，到2020年，我国粉煤灰的累积堆存量预计将达到30亿t[1-2]，为了降低粉煤灰堆放对环境的污染和缓解铝土矿资源短缺的压力，粉煤灰提取氧化铝技术受到广泛关注[3-7]。目前粉煤灰提铝技术中，碱石灰石烧结法应用最广，但是每处理1 t粉煤灰将排放3.2 t粉煤灰提铝残渣[8-9]。发展以粉煤灰提铝残渣、脱硫石膏等工业固体废弃物为原材料，利用粉煤灰提铝残渣比表面积大、颗粒细小、疏松多孔等特点以及和脱硫石膏的协同作用制备轻质保温板，不仅能够实现固体废弃物的二次利用，达到保护环境和节约能源的目的，而且对于我国可持续发展战略有着重要的意义。

本文对粉煤灰提铝残渣的化学成分、矿物组成、颗粒形貌及粒度分布等基本特性进行分析，然后以提铝残渣、脱硫石膏为主要原料采用压制成型制备轻质保温板，固体废弃物得到二次利用，实现了社会、环境与经济效益的和谐统一。研究了提铝残渣的掺量对轻质保温板抗折强度、抗压强度、密度及保温隔热等性能的影响，得到生产轻质保温板的最佳工艺配方。

1 试验

1.1 原材料

1.1.1 粉煤灰提铝残渣

试验所用残渣是高铝粉煤灰通过碱石灰石烧结法提取Al2O3后的尾渣。原渣是一种浅黄色粉状固体颗粒，含水率为30%～50%，长期放置的提铝残渣容易板结成块状固体，干燥后接近白色。

（1）化学成分

利用X射线荧光光谱仪（日本理学，PrimusⅡ）对干燥后的粉煤灰提铝残渣的化学组成进行分析，结果见表1。

表1 提铝残渣的化学成分 %

由表1可见，粉煤灰提取Al2O3后的尾渣主要含有Ca、Si元素。Ca来源于粉煤灰本身和碱石灰石烧结法提铝工艺，由于碱法提铝技术无法将铝完全提取，因此残渣中仍含有少量Al元素，Fe、Mg等元素则是原粉煤灰中固有的。

（2）粒度分布

采用激光粒度分析仪（欧美克，LS-900）对提铝残渣的粒度分布进行测试分析，结果如图1所示，d10=6.71 μm，d50=17 μm，d90=30.74 μm。锥形球磨机球磨1 h粒度为d10=1.72 μm，d50=6.05 μm，d90=13.59 μm；球磨 2 h粒度为 d10=1.65 μm，d50=2.2 μm，d90=9.72 μm。可以通过球磨对提铝残渣进行活化处理。

图1 提铝残渣的粒度分布

（3）物相组成

采用X射线衍射仪（荷兰帕纳科，X Pert PRO MPD，管电压为40 kV，电流为40 mA，扫描步长为0.02°，Cu靶）对粉煤灰提铝残渣进行物相分析，结果如图2所示。

图2 提铝粉煤灰残渣的XRD图谱

由图 2 可见，提铝残渣主晶相为 C2S、CaCO3、Ca（OH）2等，另有少量其他矿物相。

（4）酸碱性测试

称取1 g粉煤灰提铝残渣放入500 ml的烧杯中，加入200 ml蒸馏水，超声波分散5 min，搅拌5 min，静置30 min取上层清液，用pH计（上海仪电科学仪器股份有限公司，PHS-3C）测得pH值为10.61，呈碱性。

（5）显微形貌

采用扫面电子显微镜（荷兰FEI，QUANTA 450，电压0.5～30 kV）对提铝残渣表面进行观察，结果如图3所示。

图3 提铝残渣的SEM照片

由图3可见，碱法提取Al2O3过程对粉煤灰颗粒表面造成了严重腐蚀，颗粒大小不均、表面粗糙不平，玻璃微珠结构遭到破坏，呈疏松多孔状。表面疏松多孔有利于提高残渣的活性。

1.1.2 脱硫石膏

本课题所用脱硫石膏为平顶山市某燃煤电厂湿法烟气脱硫技术所产生的工业副产石膏，化学成分见表2。使用时经105℃干燥12 h进行脱水处理。

表2 脱硫石膏的化学成分 %

1.1.3 保温浆料

实验所用保温浆料为河南省内乡县生产的JZ-C（无机活性）保温浆料。

1.2 轻质保温板的制备

将原料干燥处理，按表3进行配料，在强制式搅拌机中搅拌混合5 min，加入外加剂和水之后再搅拌2 min，外加剂为水玻璃，添加量为5%。将原料混合均匀倒入模具中在压力机上压制成型，成型压力为20 MPa，成型尺寸为240 mm×120 mm×25 mm，保压1 min。成型之后的轻质保温板在自然条件下养护14 d后检测相关性能指标。

表3 轻质保温板的配方

2 试验结果分析

2.1 粉煤灰提铝残渣掺量对轻质保温板体积密度的影响（见图4）

图4 提铝残渣掺量对轻质保温板密度的影响

由图4可见，随着提铝残渣用量的增加，轻质保温板的体积密度呈降低趋势，由0.9 g/cm3降低至0.82 g/cm3。当残渣掺量由30%增加到35%时，密度大幅度降低，由0.88 g/cm3降至0.84 g/cm3。这是因为提铝残渣比表面积大、颗粒细小、疏松多孔等特点，导致其需水量较大，水的加入量由25%增加至30%，系统的固体物质降低，且残渣的活性较低，加入的水有一部分以自由水的状态存在，自然养护过程中水分蒸发，导致气孔率增加，最终使得板的密度急剧降低。

2.2 粉煤灰提铝残渣掺量对轻质保温板强度的影响（见图5）

图5 提铝残渣掺量对轻质保温板强度的影响

由图5可见，随着提铝残渣掺量的增加，轻质保温板的强度整体呈降低趋势，提铝残渣掺量从25%增加到45%时，抗折强度由2.3 MPa降至1.5 MPa，抗压强度由12.8 MPa降至10.5 MPa。提铝残渣的活性要小于脱硫石膏，随着提铝残渣掺量的增加，胶凝作用物质相对减少；同时，提铝残渣比表面积大、多孔疏松，吸水量大，会相对减少脱硫石膏水化时的可用水量，不利于轻质保温板强度的发展。当掺量由30%增加到35%时，轻质保温板的强度有所提高，这可能只因为此时配方中水的用量增加，脱硫石膏得以充分水化，提高了强度。

2.3 提铝残渣掺量对轻质保温板导热系数的影响

采用DRH-Ⅲ型（护热平板法）导热系数测试仪测试不同掺量提铝残渣所制轻质保温板的导热系数，结果见图6。

图6 提铝残渣掺量对轻质保温板导热系数的影响

由图6可见，随着提铝残渣掺量的增加，轻质保温板的导热系数呈减小趋势，当提铝残渣掺量从25%增加到45%，其导热系数由0.21 W/（m·K）减小至0.13 W/（m·K）。固体物质的导热系数要大于空气，多孔材料一般保温隔热较好，密度对导热系数影响很大。当提铝残渣掺量由30%增加到35%时，导热系数没有变化，这可能是因为增加的用水量和脱硫石膏反应生成的固体物质填充了由于水分蒸发导致的气孔，虽然提铝残渣掺量由30%增加到35%时，用水量由20%增加到25%，但气孔率并没有明显变化。

3 结论

（1）粉煤灰提取Al2O3后的尾渣呈碱性，主要含Ca、Si元素，另有少量的Al、Fe、Mg等元素；残渣的粒度分布为d10=6.71 μm，d50=17 μm，d90=30.74 μm；主晶相为 C2S、CaCO3、Ca（OH）2；提铝过程对粉煤灰颗粒表面造成了严重腐蚀，玻璃微珠结构遭到破坏，呈疏松多孔状。

（2）以提铝残渣、脱硫石膏为主要原料制备轻质保温板，随着提铝残渣掺量的增加，保温板的密度先减小后增大、导热系数减小，强度降低。最佳配方为：提铝残渣35%、脱硫石膏20%、保温浆料15%、水30%。制备的轻质保温板密度为0.84 g/cm3，抗折强度为2.1 MPa，抗压强度为12.6 MPa，导热系数为0.18 W/（m·K）。

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