粉煤灰提鋁殘渣特性及制備輕質(zhì)保溫板的研究

金彪 ，汪瀟 ，楊留栓 ，2

（1.河南城建學院 材料與化工學院，河南 平頂山 467036；2.河南科技大學 材料科學與工程學院，河南 洛陽 471003）

0 引言

隨著我國環(huán)保力度的加大，燃煤電廠大多采用煙氣脫硫技術來達到排放標準，隨之產(chǎn)生的大量脫硫石膏的處理成為一個難題。同時，燃煤電廠產(chǎn)生的粉煤灰也越來越多，相關文獻顯示，到2020年，我國粉煤灰的累積堆存量預計將達到30億t[1-2]，為了降低粉煤灰堆放對環(huán)境的污染和緩解鋁土礦資源短缺的壓力，粉煤灰提取氧化鋁技術受到廣泛關注[3-7]。目前粉煤灰提鋁技術中，堿石灰石燒結(jié)法應用最廣，但是每處理1 t粉煤灰將排放3.2 t粉煤灰提鋁殘渣[8-9]。發(fā)展以粉煤灰提鋁殘渣、脫硫石膏等工業(yè)固體廢棄物為原材料，利用粉煤灰提鋁殘渣比表面積大、顆粒細小、疏松多孔等特點以及和脫硫石膏的協(xié)同作用制備輕質(zhì)保溫板，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)固體廢棄物的二次利用，達到保護環(huán)境和節(jié)約能源的目的，而且對于我國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略有著重要的意義。

本文對粉煤灰提鋁殘渣的化學成分、礦物組成、顆粒形貌及粒度分布等基本特性進行分析，然后以提鋁殘渣、脫硫石膏為主要原料采用壓制成型制備輕質(zhì)保溫板，固體廢棄物得到二次利用，實現(xiàn)了社會、環(huán)境與經(jīng)濟效益的和諧統(tǒng)一。研究了提鋁殘渣的摻量對輕質(zhì)保溫板抗折強度、抗壓強度、密度及保溫隔熱等性能的影響，得到生產(chǎn)輕質(zhì)保溫板的最佳工藝配方。

1 試驗

1.1 原材料

1.1.1 粉煤灰提鋁殘渣

試驗所用殘渣是高鋁粉煤灰通過堿石灰石燒結(jié)法提取Al2O3后的尾渣。原渣是一種淺黃色粉狀固體顆粒，含水率為30%～50%，長期放置的提鋁殘渣容易板結(jié)成塊狀固體，干燥后接近白色。

（1）化學成分

利用X射線熒光光譜儀（日本理學，PrimusⅡ）對干燥后的粉煤灰提鋁殘渣的化學組成進行分析，結(jié)果見表1。

表1 提鋁殘渣的化學成分 %

由表1可見，粉煤灰提取Al2O3后的尾渣主要含有Ca、Si元素。Ca來源于粉煤灰本身和堿石灰石燒結(jié)法提鋁工藝，由于堿法提鋁技術無法將鋁完全提取，因此殘渣中仍含有少量Al元素，F(xiàn)e、Mg等元素則是原粉煤灰中固有的。

（2）粒度分布

采用激光粒度分析儀（歐美克，LS-900）對提鋁殘渣的粒度分布進行測試分析，結(jié)果如圖1所示，d10=6.71 μm，d50=17 μm，d90=30.74 μm。錐形球磨機球磨1 h粒度為d10=1.72 μm，d50=6.05 μm，d90=13.59 μm；球磨 2 h粒度為 d10=1.65 μm，d50=2.2 μm，d90=9.72 μm?？梢酝ㄟ^球磨對提鋁殘渣進行活化處理。

圖1 提鋁殘渣的粒度分布

（3）物相組成

采用X射線衍射儀（荷蘭帕納科，X Pert PRO MPD，管電壓為40 kV，電流為40 mA，掃描步長為0.02°，Cu靶）對粉煤灰提鋁殘渣進行物相分析，結(jié)果如圖2所示。

圖2 提鋁粉煤灰殘渣的XRD圖譜

由圖 2 可見，提鋁殘渣主晶相為 C2S、CaCO3、Ca（OH）2等，另有少量其他礦物相。

（4）酸堿性測試

稱取1 g粉煤灰提鋁殘渣放入500 ml的燒杯中，加入200 ml蒸餾水，超聲波分散5 min，攪拌5 min，靜置30 min取上層清液，用pH計（上海儀電科學儀器股份有限公司，PHS-3C）測得pH值為10.61，呈堿性。

（5）顯微形貌

采用掃面電子顯微鏡（荷蘭FEI，QUANTA 450，電壓0.5～30 kV）對提鋁殘渣表面進行觀察，結(jié)果如圖3所示。

圖3 提鋁殘渣的SEM照片

由圖3可見，堿法提取Al2O3過程對粉煤灰顆粒表面造成了嚴重腐蝕，顆粒大小不均、表面粗糙不平，玻璃微珠結(jié)構(gòu)遭到破壞，呈疏松多孔狀。表面疏松多孔有利于提高殘渣的活性。

1.1.2 脫硫石膏

本課題所用脫硫石膏為平頂山市某燃煤電廠濕法煙氣脫硫技術所產(chǎn)生的工業(yè)副產(chǎn)石膏，化學成分見表2。使用時經(jīng)105℃干燥12 h進行脫水處理。

表2 脫硫石膏的化學成分 %

1.1.3 保溫漿料

實驗所用保溫漿料為河南省內(nèi)鄉(xiāng)縣生產(chǎn)的JZ-C（無機活性）保溫漿料。

1.2 輕質(zhì)保溫板的制備

將原料干燥處理，按表3進行配料，在強制式攪拌機中攪拌混合5 min，加入外加劑和水之后再攪拌2 min，外加劑為水玻璃，添加量為5%。將原料混合均勻倒入模具中在壓力機上壓制成型，成型壓力為20 MPa，成型尺寸為240 mm×120 mm×25 mm，保壓1 min。成型之后的輕質(zhì)保溫板在自然條件下養(yǎng)護14 d后檢測相關性能指標。

表3 輕質(zhì)保溫板的配方

2 試驗結(jié)果分析

2.1 粉煤灰提鋁殘渣摻量對輕質(zhì)保溫板體積密度的影響（見圖4）

圖4 提鋁殘渣摻量對輕質(zhì)保溫板密度的影響

由圖4可見，隨著提鋁殘渣用量的增加，輕質(zhì)保溫板的體積密度呈降低趨勢，由0.9 g/cm3降低至0.82 g/cm3。當殘渣摻量由30%增加到35%時，密度大幅度降低，由0.88 g/cm3降至0.84 g/cm3。這是因為提鋁殘渣比表面積大、顆粒細小、疏松多孔等特點，導致其需水量較大，水的加入量由25%增加至30%，系統(tǒng)的固體物質(zhì)降低，且殘渣的活性較低，加入的水有一部分以自由水的狀態(tài)存在，自然養(yǎng)護過程中水分蒸發(fā)，導致氣孔率增加，最終使得板的密度急劇降低。

2.2 粉煤灰提鋁殘渣摻量對輕質(zhì)保溫板強度的影響（見圖5）

圖5 提鋁殘渣摻量對輕質(zhì)保溫板強度的影響

由圖5可見，隨著提鋁殘渣摻量的增加，輕質(zhì)保溫板的強度整體呈降低趨勢，提鋁殘渣摻量從25%增加到45%時，抗折強度由2.3 MPa降至1.5 MPa，抗壓強度由12.8 MPa降至10.5 MPa。提鋁殘渣的活性要小于脫硫石膏，隨著提鋁殘渣摻量的增加，膠凝作用物質(zhì)相對減少；同時，提鋁殘渣比表面積大、多孔疏松，吸水量大，會相對減少脫硫石膏水化時的可用水量，不利于輕質(zhì)保溫板強度的發(fā)展。當摻量由30%增加到35%時，輕質(zhì)保溫板的強度有所提高，這可能只因為此時配方中水的用量增加，脫硫石膏得以充分水化，提高了強度。

2.3 提鋁殘渣摻量對輕質(zhì)保溫板導熱系數(shù)的影響

采用DRH-Ⅲ型（護熱平板法）導熱系數(shù)測試儀測試不同摻量提鋁殘渣所制輕質(zhì)保溫板的導熱系數(shù)，結(jié)果見圖6。

圖6 提鋁殘渣摻量對輕質(zhì)保溫板導熱系數(shù)的影響

由圖6可見，隨著提鋁殘渣摻量的增加，輕質(zhì)保溫板的導熱系數(shù)呈減小趨勢，當提鋁殘渣摻量從25%增加到45%，其導熱系數(shù)由0.21 W/（m·K）減小至0.13 W/（m·K）。固體物質(zhì)的導熱系數(shù)要大于空氣，多孔材料一般保溫隔熱較好，密度對導熱系數(shù)影響很大。當提鋁殘渣摻量由30%增加到35%時，導熱系數(shù)沒有變化，這可能是因為增加的用水量和脫硫石膏反應生成的固體物質(zhì)填充了由于水分蒸發(fā)導致的氣孔，雖然提鋁殘渣摻量由30%增加到35%時，用水量由20%增加到25%，但氣孔率并沒有明顯變化。

3 結(jié)論

（1）粉煤灰提取Al2O3后的尾渣呈堿性，主要含Ca、Si元素，另有少量的Al、Fe、Mg等元素；殘渣的粒度分布為d10=6.71 μm，d50=17 μm，d90=30.74 μm；主晶相為 C2S、CaCO3、Ca（OH）2；提鋁過程對粉煤灰顆粒表面造成了嚴重腐蝕，玻璃微珠結(jié)構(gòu)遭到破壞，呈疏松多孔狀。

（2）以提鋁殘渣、脫硫石膏為主要原料制備輕質(zhì)保溫板，隨著提鋁殘渣摻量的增加，保溫板的密度先減小后增大、導熱系數(shù)減小，強度降低。最佳配方為：提鋁殘渣35%、脫硫石膏20%、保溫漿料15%、水30%。制備的輕質(zhì)保溫板密度為0.84 g/cm3，抗折強度為2.1 MPa，抗壓強度為12.6 MPa，導熱系數(shù)為0.18 W/（m·K）。

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