基于穩(wěn)態(tài)流體的粉煤灰水力分級及礦物學(xué)特征研究*

祁 超，張曉民，李亞航，陳天星，王 欣

(1.西安建筑科技大學(xué) 資源工程學(xué)院，陜西 西安 710055；2.甘肅酒鋼集團(tuán)宏興鋼鐵股份有限公司，甘肅 嘉峪關(guān) 735100)

0 引言

粉煤灰又稱飛灰，是燃煤電廠煤粉經(jīng)高溫燃燒后從煙道氣體中經(jīng)收塵裝置收集的一種類似火山灰質(zhì)的細(xì)灰，是一種復(fù)雜的細(xì)分散相固體廢棄物[1]。粉煤灰外觀呈灰白色，由空心微珠、磁珠、碳顆粒和不規(guī)則鋁硅酸鹽等顆粒構(gòu)成。粉煤灰中各種顆粒密度差異較大，范圍在0.4～4.0 g/cm3；粒徑主要分布在0.5～300 μm，平均粒徑10～30 μm[2-3]。粉煤灰主要化學(xué)成分為Al2O3、SiO2、CaO、Fe2O3等，并含有未燃盡的碳和其他微量元素[4]。

目前，粉煤灰的分級有干法分級和濕法分級，采用的設(shè)備有：根據(jù)顆粒尺寸分級的機(jī)械振動(dòng)篩[5]，根據(jù)重力沉降分級的流幕式氣力分級機(jī)、返流分級機(jī)和微米分離器[6-7]，根據(jù)推力和重力共同作用分級的搖床[8]，根據(jù)離心力分級的渦輪分級機(jī)[9]、水力旋流器等[10]。例如：單雪媛[5]采用機(jī)械振動(dòng)篩將粉煤灰篩分成+200、-200+240、-240+260、-260目等粒級；周曉君等[6]采用流幕式氣力分級機(jī)對粉煤灰分級，將粉煤灰分成50～70、70～100、100～150、150～250、250 μm以上等粒級；張玉龍等[10]采用水力旋流器對粉煤灰分級，溢流中分離粒徑d50為43.9 μm，溢流中小于45 μm粉煤灰的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到90.58%。但是由于粉煤灰顆粒細(xì)、密度小，粒徑分布范圍廣、界限模糊，導(dǎo)致重力分級效果不佳；同時(shí)分級機(jī)內(nèi)物料濃度對分級過程中顆粒間的干擾性強(qiáng)，粗顆粒夾帶細(xì)顆粒，大量的細(xì)顆?；烊氪诸w粒中，分級效率下降；此外，由于微細(xì)粒級顆粒物對流體有良好的跟隨性，常規(guī)分級設(shè)備內(nèi)部流場的不均勻性對顆粒分級擾動(dòng)大，等移和等降等混級現(xiàn)象明顯，導(dǎo)致分級精度下降[11-12]。

本研究通過濕式篩分探究不同粒級粉煤灰的顆粒物組成及微觀形貌，采用穩(wěn)態(tài)水力分級裝置實(shí)現(xiàn)粉煤灰在粒徑和密度上的精細(xì)化分級，可為粉煤灰資源綜合利用提供參考。

1 試驗(yàn)和方法

1.1 材料

對四川某燃煤發(fā)電廠粉煤灰進(jìn)行了XRD、XRF檢測，結(jié)果見圖1和表1。

圖1 粉煤灰的XRD圖譜

表1 粉煤灰的化學(xué)成分 單位：%

由圖1可知，粉煤灰含莫來石、石英、硅線石和氧化鋁等，0°～30°內(nèi)存在寬化的駝峰，表明存在非晶相，非晶相為硅鋁氧化物玻璃體。由表1可知，該粉煤灰的主要化學(xué)成分是Al2O3、SiO2、Na2O和Fe2O3，此外還有少量的SO3、K2O、CaO、TiO2以及微量元素。粉煤灰的CaO質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于10%，表明該粉煤灰為低鈣灰。

采用掃描電子顯微鏡(SEM)表征粉煤灰及其特征顆粒物的外觀形貌，結(jié)果見圖2。由圖2可知，粉煤灰中含有空心微珠、磁珠、碳顆粒、實(shí)心微珠和形狀不規(guī)則的鋁硅酸鹽顆粒，且粒徑分布范圍廣。

圖2 粉煤灰中顆粒物的SEM圖

1.2 篩分試驗(yàn)

采用LK-MVS數(shù)字控制篩分系統(tǒng)，將粉煤灰樣品篩分成+100、-100+230、-230+300、-300+400、-400+600、-600目等粒級產(chǎn)物。為保證篩分效果，將配制的粉煤灰礦漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)定為3%。

1.3 穩(wěn)態(tài)水力分級試驗(yàn)及裝置

圖3為穩(wěn)態(tài)水力分級裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。穩(wěn)態(tài)水力分級裝置主體由5根管徑依次增大的玻璃管串聯(lián)組成，每根管的上端有一個(gè)進(jìn)氣管，下端有一個(gè)排料管，第一根管的下部有一個(gè)磁珠回收區(qū)域。顆粒在穩(wěn)態(tài)水流中運(yùn)動(dòng)，當(dāng)其受到的向下的重力與向上的阻力相等時(shí)會(huì)達(dá)到沉降末速度，此時(shí)顆粒的加速度為零。若顆粒的沉降末速度小于管中向上水流的速度，顆粒則跟隨水流運(yùn)動(dòng)到下一個(gè)分級管；若顆粒的沉降末速度大于管中向上水流的速度，顆粒則下沉至當(dāng)前分級管的底部。

顆粒的沉降末速度由雷諾數(shù)(Re)決定。當(dāng)體系的Re<1時(shí)，沉降末速度為

(1)

當(dāng)1

(2)

式中：g為重力加速度，m/s2；Dp為顆粒的平均直徑，m；μ為流體的黏度，Pa·s；ρp為顆粒的密度，kg/m3；ρ為流體的密度，kg/m3。

圖3 穩(wěn)態(tài)水力分級裝置示意圖

采用穩(wěn)態(tài)水力分級裝置對-400+600目的粉煤灰樣品進(jìn)行水力分級試驗(yàn)，所用樣品質(zhì)量為60 g，配制的礦漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%，水流流速為10 L/h，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間為8 h。

1.4 空心微珠質(zhì)量分?jǐn)?shù)的統(tǒng)計(jì)方法

將水力分級得到的產(chǎn)物制備成樹脂薄片，用裝有快速自動(dòng)計(jì)數(shù)儀的透射光學(xué)顯微鏡分析其中的空心微珠，將中心為亮色區(qū)域的球形顆粒確定為空心微珠，計(jì)算空心微珠總數(shù)與被檢測顆粒總數(shù)的比值，并將其作為空心微珠的質(zhì)量分?jǐn)?shù)[13]。

1.5 穩(wěn)態(tài)水力分級產(chǎn)物的表征

采用LS-800型激光粒度儀測定穩(wěn)態(tài)水力分級產(chǎn)物的粒徑分布，采用全自動(dòng)真密度儀測定穩(wěn)態(tài)水力分級產(chǎn)物的密度，采用X射線熒光光譜儀表征穩(wěn)態(tài)水力分級產(chǎn)物的元素分布特征。

2 結(jié)果與討論

2.1 篩分試驗(yàn)分析

為揭示不同粒級粉煤灰中顆粒物的分布規(guī)律，對篩分后的物料進(jìn)行SEM檢測，分析不同粒級顆粒物的組成，并采用點(diǎn)計(jì)數(shù)法統(tǒng)計(jì)不同篩分物料中空心微珠的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，結(jié)果見圖4和圖5。

圖4 各粒級粉煤灰的SEM圖

由圖4可知：-100+300目篩分產(chǎn)物的顆粒物組成成分主要為碳顆粒、不規(guī)則的硅酸鹽顆粒和少量表面粗糙的球形顆粒；隨著粒徑的減小，-300+400目篩分產(chǎn)物中的碳顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)有所降低，且硅酸鹽顆粒的形狀趨近球形，并存在少量表面光滑的球形顆粒；當(dāng)顆粒粒級為-400+600目和-600目時(shí)，其顆粒物成分主要為表面光滑的球形顆粒。

由圖5(a)可知，空心微珠的質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著篩分產(chǎn)物粒徑的減小而升高，且粒徑分布呈遞增趨勢。由圖5(b)可知，粉煤灰中的空心微珠為中空結(jié)構(gòu)，可透光且表觀呈亮色，而碳粒、磁珠和不規(guī)則鋁硅酸鹽等實(shí)心顆粒均不透光，表觀呈黑色。

圖5 空心微珠的表征

2.2 穩(wěn)態(tài)水力分級試驗(yàn)分析

2.2.1 分級產(chǎn)物微觀形貌分析

通過穩(wěn)態(tài)水力分級裝置對-400+600目粉煤灰進(jìn)行進(jìn)一步的精細(xì)化分級，對不同的分級產(chǎn)物進(jìn)行微觀形貌分析，結(jié)果見圖6。由圖6可知：1號(hào)分級管中產(chǎn)物主要為磁珠和少量密度較大的不規(guī)則顆粒物，且磁珠為密實(shí)的球形顆粒；3號(hào)、4號(hào)分級管和溢流中產(chǎn)物以表面粗糙的球形顆粒為主，含有少量的不規(guī)則鋁硅酸鹽顆粒、碳粒和表面光滑的球形顆粒；2號(hào)和5號(hào)分級管中產(chǎn)物以表面光滑的球形顆粒為主，只有少量的碳粒和不規(guī)則鋁硅酸鹽顆粒。

圖6 -400+600目粉煤灰水力分級產(chǎn)物的SEM圖

2.2.2 分級產(chǎn)物在粒徑與密度上的分布特征

為探明不同分級管中粉煤灰在粒徑和密度上的差異，測定了-400+600目粉煤灰水力分級產(chǎn)物的粒徑分布和密度，結(jié)果見圖7。

圖7 -400+600目水力分級產(chǎn)物粒徑分布和密度

由圖7可知：通過穩(wěn)態(tài)水力分級得到的不同粉煤灰產(chǎn)物的粒徑和密度均呈遞減趨勢，分級產(chǎn)物平均粒徑(d50)分別為57.85、56.15、52.49、46.54、39.53 μm；分級產(chǎn)物的密度分別為2.94、2.84、2.24、1.95、1.81 g/cm3；這是由于2號(hào)—5號(hào)分級管的管徑依次減小，使得管中水流流速依次增大，因而實(shí)現(xiàn)了窄粒級范圍內(nèi)粉煤灰的分級。粉煤灰顆粒物粒級細(xì)、密度小、粒徑分布范圍大，對于空氣分級設(shè)備和水力旋流分離設(shè)備而言，分離設(shè)備內(nèi)部流場的不均勻會(huì)對顆粒沉降產(chǎn)生大的干擾，而穩(wěn)態(tài)水流提供的均勻流場避免了流場不穩(wěn)定對顆粒沉降的影響，能夠?qū)崿F(xiàn)粉煤灰在粒徑和密度上的精細(xì)化分級。

2.2.3 元素分布特征

為探明同一粒級不同分級管中粉煤灰在元素分布上的差異，測定了-400+600目粉煤灰水力分級產(chǎn)物的元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)，結(jié)果見表2。

表2 -400+600目水力分級產(chǎn)物的元素分布 單位：%

由表2可知：通過穩(wěn)態(tài)水力分級得到的不同粉煤灰產(chǎn)物中，Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨粒徑減小而增大，SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨粒徑減小先增大后減小，CaO、TiO2和Fe2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)均隨粒徑減小而減小。由于Ca、Ti、Fe為重質(zhì)元素，CaO、TiO2和Fe2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化趨勢與密度變化趨勢一致。

3 結(jié)論

a.通過對篩分試驗(yàn)的結(jié)果分析可知，空心微珠主要分布在細(xì)粒級粉煤灰中，空心微珠質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨粒徑減小而增大。

b.利用穩(wěn)態(tài)水流提供的均勻流場可避免流場不穩(wěn)定對顆粒沉降的影響，能夠?qū)崿F(xiàn)粉煤灰在粒度和密度上的精細(xì)化分級。

c.通過穩(wěn)態(tài)水力分級發(fā)現(xiàn)：不同粉煤灰產(chǎn)物中Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨粒徑減小而增大，SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨粒徑減小先增大后減小，CaO、TiO2和Fe2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)均隨粒徑減小而減小。該研究成果可為粉煤灰的資源化綜合利用提供參考。