濕排粉煤灰的建材資源化利用與分選

羅暉，陳偉，李林濤，李志坤，劉軍

（1重慶市建筑科學(xué)研究院，重慶 400020；2重慶大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400045）

引言

我國能源結(jié)構(gòu)決定了發(fā)電量以燃煤電廠為主，每發(fā)1kw·h的電，需標(biāo)準(zhǔn)煤約300g，排粉煤灰約100g。電力工業(yè)的迅速發(fā)展，帶來了粉煤灰排放量的急速增加。隨著國家環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的提高，大多數(shù)電廠采用了除塵效率更高的靜電收塵器干排灰系統(tǒng)，提高了粉煤灰的工程使用價值，促進(jìn)了其綜合利用的開展。但由于實際情況和粉煤灰的特性，目前在我國濕排粉煤灰仍占有相當(dāng)大的比例。另外，過去的幾十年中，我國的粉煤灰主要是以儲為主，燃煤電廠最早一般采用機(jī)械收塵器和布袋收塵器，利用水力除灰，大量以往的濕排粉煤灰仍存積在貯灰池中。

國內(nèi)外對干排粉煤灰的應(yīng)用研究比較深入、系統(tǒng)，且成果顯著，使干排粉煤灰的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，利用率與利用水平不斷提高。有些地方的干排灰利用率幾乎達(dá)100%。而濕排粉煤灰的利用形勢則不容樂觀。由于濕排灰是與水、爐底灰等一起混排，雜質(zhì)較多，勻質(zhì)性差，利用極不方便，另外，對濕排灰的應(yīng)用研究也較少，這都使得濕排粉煤灰的利用率極低。長年堆放的濕排粉煤灰不僅占用土地資源，而且污染了土壤、地下水和大氣，破壞了周圍的環(huán)境，威脅著人們的健康。

1 濕排粉煤灰的建材資源化利用分析

1.1 濕排粉煤灰的建材資源化利用現(xiàn)狀

濕排粉煤灰的資源化利用形勢不容樂觀。目前少部分濕排灰被用于道路路基及回填工程，這種治理途徑不僅數(shù)量有限，沒有充分利用粉煤灰的潛在活性，而且在一段時間以后，還可能具有滲濾的危害性。更少量的濕排粉煤灰被用作建筑砌塊填充料，但由于未作任何處理，相反卻可能會引起砌塊的性能不穩(wěn)定，而且也只是當(dāng)填充料使用。

另一方面，作為輔助膠凝材料的礦物摻合料已成為配制商品混凝土不可或缺的組分之一，常用的礦物摻合料主要是干排粉煤灰、礦渣、硅灰等。以重慶市為例，強(qiáng)度等級C30到C50的混凝土，干排粉煤灰和礦渣用量占到膠凝材料30%左右。市場上硅灰價格較高，干排粉煤灰和礦渣雖然價格便宜，但是由于需求量大，部分城市甚至出現(xiàn)供不應(yīng)求的局面，因此，建設(shè)工程中迫切需要開發(fā)應(yīng)用多品種且價格合適的摻合料產(chǎn)品[1]。

1.2 濕排粉煤灰的火山灰活性

粉煤灰的價值主要體現(xiàn)在其火山灰活性，濕排粉煤灰與干排粉煤灰的礦物組成、形成過程都相似，同樣具有潛在的火山灰活性。要提高濕排粉煤灰的利用率與利用水平，關(guān)鍵在如何充分發(fā)揮濕排粉煤灰的活性。就礦相而言，粉煤灰是晶體礦物和非晶體礦物的混合物，一般晶體礦物為石英、莫來石、磁鐵礦等，非晶體礦物為玻璃體、無定形碳和次生褐鐵礦，其中玻璃體含量占50%以上[2]。粉煤灰中玻璃體是活性物質(zhì)，主要化學(xué)成分是氧化硅和氧化鋁，還有一些氧化鐵、氧化鈣和氧化鎂。粉煤灰做火山灰用的價值大小決定于它的玻璃體含量，也和它的細(xì)度和組成有關(guān)，SiO2或SiO2+Al2O3含量增多，對其火山灰性能有好的影響。

1.3 濕排粉煤灰的化學(xué)組成

粉煤灰的礦物組成與性質(zhì)受原煤、燃燒程度等因素的影響，因此，各個電廠所產(chǎn)生的粉煤灰其使用價值有所不同。筆者在重慶某電廠濕排粉煤灰貯灰池中的不同部位進(jìn)行了多點(diǎn)取樣分析化學(xué)成分及燒失量。

燒失量試驗結(jié)果見圖1。

圖1 燒失量分布圖

樣品的燒失量變化反映出貯灰池中的濕排粉煤灰經(jīng)過長時間堆積而成，勻質(zhì)性差。從燒失量試驗結(jié)果看，不僅貯灰池不同深度取的樣，其燒失量差別較大，在表面不同部位取的樣，燒失量差別也較大。說明不僅間隔較長時期排放的粉煤灰含炭量有較大差別，而且在相近時期內(nèi)排放的粉煤灰，含炭量差別也較大。

化學(xué)成分平均值見表1。

表1 化學(xué)成分平均值

樣品的化學(xué)成分分析結(jié)果反映出濕排灰燒失量及Fe2O3含量都較高，將直接影響濕排粉煤灰的火山灰活性，尤其燒失量是影響粉煤灰性能的主要因素，也是評定粉煤灰等級的技術(shù)指標(biāo)之一。燒失量可反映粉煤灰中的炭含量，燒失量大代表粉煤灰中的含炭量多，未燃炭粒為非活性物質(zhì)，特征是疏松多孔、吸水率大，粉煤灰含炭量越高，不僅降低粉煤灰活性成分的比例，而且增加了水泥混凝土的需水量，降低混凝土或砂漿的密實度和強(qiáng)度，在有外加劑存在時還影響外加劑的使用效果，因此絕大部分國家都規(guī)定了粉煤灰用于水泥混凝土?xí)r的最高含炭量。粉煤灰中的鐵通常以尖晶石等晶態(tài)礦物形式存在，顯然將富鐵相的粉煤灰顆粒分離后，非磁性粉煤灰顆粒的玻璃體含量將升高，其火山灰活性也可提高。

2 濕排粉煤灰的分選

根據(jù)以上分析，在挖掘濕排粉煤灰火山灰活性之前，有必要對其進(jìn)行分選，以去除對活性不利的礦物相。對已有的研究和應(yīng)用資料進(jìn)行分析，濕排粉煤灰可采取的分選方式有篩選、浮選、磁選。

2.1 篩選

篩選可以改變粉煤灰的燒失量。一般來說，不同粒徑粉煤灰顆粒中含炭量不一樣，因此通過篩分除去含炭量較大的粉煤灰顆粒是降低粉煤灰含炭量的可能途徑。T.C.Sheu[3]，張長森[4]等對粉煤灰篩分的試驗結(jié)果顯示，粉煤灰顆粒粒徑越小其燒失量越小。但也有研究者得出的規(guī)律不盡一致。錢覺時[5]的分析結(jié)果是不同情況下粉煤灰特征顆粒的分布規(guī)律可能不同；但對于同一電廠的粉煤灰在原煤來源比較穩(wěn)定的情況下，其特征顆粒分布規(guī)律變化較小。

在目前濕排粉煤灰利用率不高的情況下，篩選也是提高濕排粉煤灰品質(zhì)的較為有效的方法。研究中分別采用了干法篩分（將濕排粉煤灰烘干后篩分）與濕法篩分對濕排粉煤灰進(jìn)行粒度分級，測定各粒級粉煤灰的燒失量，對比分析原濕排粉煤灰與各級篩余濕排粉煤灰的燒失量。篩分結(jié)果顯示，無論是干法篩分還是濕法篩分，樣品濕排粉煤灰的粒徑絕大部分小于0.15mm，粒徑0.075mm以下的灰占到50%以上，且不同粒徑范圍的濕排粉煤灰燒失量是不同的，因此，通過選擇不同粒徑范圍的濕排粉煤灰，可以調(diào)整濕排粉煤灰的燒失量。由于干法篩分是在未進(jìn)行分選之前就對所有的濕排灰進(jìn)行烘干，相對于濕法篩分只是將分選出的濕排灰烘干，干法會帶來更大的能耗，因此，濕法篩分更適合于濕排粉煤灰的分選。

2.2 浮選

浮選屬于濕法分選技術(shù)，較適合于濕排粉煤灰。根據(jù)目的不同，可采用的浮選方式也不同，如以選中空粉煤灰為目的，可用水為介質(zhì)根據(jù)容重分離原理，浮選出顆粒容重小于1的中空粉煤灰。針對含炭量比較高的濕排粉煤灰，以脫炭降燒失量為目的通常采用泡沫浮選方式。

泡沫浮選的可行性取決于不同礦物之間粘附氣泡的能力差異。一般假定粉煤灰中的炭類似于氧化的煤，因此泡沫劑應(yīng)選用適合于清除被氧化煤的物質(zhì)。研究顯示，粉煤灰中炭粒的表面潤濕性和可浮性與煤炭類似，其接觸角在60°左右，而其他顆粒的接觸角只有10°左右。在浮選過程中，粉煤灰中的炭?？赡苷掣接跉馀荼砻娓〕龌覞{液面，而其他顆粒仍然留在灰漿中，在浮選藥劑的作用下，炭粒之間的這種潤濕性差別可以增大，從而實現(xiàn)炭粒與其他顆粒有效地分離[4]。

對于濕排粉煤灰而言，其中未燃炭經(jīng)水突然冷卻，其表面性質(zhì)已變得比較復(fù)雜，再加上長期在水中浸泡，其表面已嚴(yán)重氧化，浮選活性要比煤炭低。因此，采用泡沫浮選濕排粉煤灰中的炭粒時，必須結(jié)合所分選灰及其炭粒的具體物理化學(xué)性質(zhì)，通過試驗確定不同的浮選工藝和藥劑。

浮選藥劑不同，藥劑用量和浮選時間等浮選參數(shù)的選擇有所區(qū)別。根據(jù)相關(guān)研究結(jié)果[6-7]，在捕收劑的選擇上柴油較好，且價格低，起泡劑中仲辛醇的起泡效果較好。李京芳等[6]對粉煤灰的粗選研究中合適的浮選參數(shù)是:柴油用量不超過600g/t，仲辛醇用量200～600g/t，浮選時間4min。

2.3 磁選

煤粉中含有一定量的含鐵礦物，如黃鐵礦、赤鐵礦、褐鐵礦、菱鐵礦等。當(dāng)煤粉燃燒時，其中的氧化鐵經(jīng)高溫焙燒后，部分被還原成尖晶石結(jié)構(gòu)的磁鐵礦和粒鐵，因此，可通過磁選直接回收這部分磁性物質(zhì)。研究顯示用磁選后的非磁性粉煤灰顆粒配制的混凝土流動性更好，火山灰活性也有提高[5]。

粉煤灰中一般含F(xiàn)e2O38%～29%，最高達(dá)43%，當(dāng)Fe2O3含量大于5%時，即可采用干式磁選或濕式磁選進(jìn)行磁選分離，濕式磁選適用于處理濕排粉煤灰[2]。根據(jù)表1的分析數(shù)據(jù)，濕排粉煤灰中含有比較高的鐵，因此可以用磁選的方式將含鐵比較高的粉煤灰顆粒分離出來。

實驗室采用濕式磁選的方法對濕排粉煤灰進(jìn)行磁選，將含鐵量較高的灰粒分離出去后，對選剩下的灰進(jìn)行化學(xué)分析。結(jié)果顯示，與原濕排粉煤灰相比，磁選后的濕排粉煤灰中氧化鐵含量降低幅度達(dá)到25%。

3 結(jié)論

（1）雖然干排粉煤灰得到廣泛和有效的利用，但濕排粉煤灰的治理與合理利用在我國仍是需要面對的問題。

（2）濕排粉煤灰的資源化利用前提是提高其火山灰反應(yīng)活性，去除有不利影響的成分。

（3）篩選和浮選是降低濕排粉煤灰燒失量的有效方式；磁選可以降低含鐵量，從而提高玻璃體含量；這三種分選方式是提高濕排粉煤灰火山灰活性的有效途徑。

[1]羅暉，曾德云，李丹，等.外加劑對公路高性能混凝土變形性能的影響[J].重慶建筑，2010，9(1)，43-45.

[2]張一敏.固體物料分選理論與工藝[M].北京:冶金工業(yè)出版社，2007.

[3]T.C.Sheu，L.W.Quo，S.T.Kuo.Class Ffineash[C].MATERIALSRESEARCHSOCIETYSYMPOSIAPROCEEDINGS，1990，178，159-166.

[4]張長森，陳曉偉，徐風(fēng)廣.粉煤灰分選、脫炭及生產(chǎn)工藝研究[J].粉煤灰綜合利用，2008(增)，56-60.

[5]錢覺時，施惠生.粉煤灰的分選技術(shù)[J].粉煤灰綜合利用，2004(2)，29-33.

[6]李京芳，朱申紅，陳國棟，等.浮選粉煤灰脫碳試驗的研究[J].墻材革新與建筑節(jié)能，2008(5)，32-34.

[7]王立剛，謝華，彭蘇萍.粉煤灰除炭技術(shù)研究[J].選煤技術(shù)，2003(2)，18-20.