粉煤灰的綜合應(yīng)用研究

郭晨夫

（1.山西奇色環(huán)?？萍脊煞萦邢薰?，山西 太原 030100；2.山西滬金新材料有限公司，山西 太原 030006）

引言

近年來，我國火力發(fā)電機組的容量得到了極大提升，粉煤灰的排放量也不斷增加。對粉煤灰處理不當，不僅需要占用一定面積的土地上進行堆置，而且在堆置過程中還會對周圍地下水、地表以及空氣等造成污染。在當前大力倡導(dǎo)保護環(huán)境的大背景下，實現(xiàn)對粉煤灰的資源化利用，是當前對粉煤灰處理的主要手段[1]。本文將重點開展關(guān)于粉煤灰的綜合應(yīng)用研究。

1 粉煤灰概述

所謂粉煤灰，是指煤粉在高溫燃燒后所形成的火山灰質(zhì)混合材料。其中，煤粉是將煤炭研磨至直徑小于100 μm 的顆粒，燃燒的溫度為1 300～1 500 ℃，粉煤灰是在上述燃燒反應(yīng)后所收集的直徑為1～50 μm 范圍之內(nèi)的灰白色或黑色的顆粒。粉煤灰的形成過程如圖1 所示。

對我國燃煤電廠所排放的粉煤灰進行檢測，其主要成分包括有SiO2、Fe2O3、Al2O3以及CaO 等。除此之外，還包括有少量的氧化物[2]?？傻贸鲆话惴勖夯业奈锢硇再|(zhì)，如表1 所示。

表1 常態(tài)粉煤灰物理性質(zhì)參數(shù)

目前，粉煤灰的排放主要分為干法排灰和濕法排灰兩種方式。為進一步規(guī)范粉煤灰的資源化利用，避免隨意排放粉煤灰對環(huán)境造成污染的問題，我國制定并頒發(fā)了一系列關(guān)于粉煤灰資源化利用的標準和規(guī)范。目前，粉煤灰主要在建筑工程、墻材生產(chǎn)以及燒結(jié)陶粒工程等方面應(yīng)用。本文將重點研究基于粉煤灰提取Si、制備Al（OH）3等方面的應(yīng)用展開研究。

2 粉煤灰提取硅的應(yīng)用研究

鑒于粉煤灰中含有大量的SiO2，而Si 元素為制備水玻璃的主要成分。因此，可通過對粉煤灰中的Si元素進行提煉，并完成對制備水玻璃的工藝[3]。具體思路為：SO2在高溫環(huán)境下與NaOH 溶液反應(yīng)可實現(xiàn)對粉煤灰中Si 元素的提煉。為保證在提煉過程中實現(xiàn)對溫度的可控，采用高壓反應(yīng)釜并為其配套相應(yīng)的溫度傳感器。工藝總流程如圖2 所示。

圖2 中，粉煤灰與NaOH 的反應(yīng)溫度為150 ℃，在高壓反應(yīng)釜中反應(yīng)2 h 后停止并降溫100 ℃之后，對反應(yīng)的產(chǎn)物進行過濾處理。其中，濾液即為所需的水玻璃。濾渣烘干后為低硅粉煤灰，其可作為后續(xù)資源化利用的產(chǎn)物。

上述制備水玻璃的工藝流程中，影響最終SiO2溶出率的因素包括有液固比（粉煤灰與NaOH 溶液的質(zhì)量比）、NaOH 的濃度、溫度以及堿浸時間等。

以溫度對SiO2溶出率的影響為例。設(shè)定液固比為2，NaOH 溶液的濃度為25%，堿浸時間為2 h。在此基礎(chǔ)上，分別對反應(yīng)溫度為130 ℃、140 ℃、150 ℃、160 ℃以及170 ℃下對應(yīng)的SiO2的溶出率進行對比，分析所得數(shù)據(jù)，得出如下頁圖3 所示的結(jié)論。

在130～150 ℃的范圍之內(nèi)，隨著溫度的升高，SiO2的溶出率提升明顯。當反應(yīng)溫度大于150 ℃之后，隨著溫度的升高，SiO2的溶出率幾乎趨于平緩的趨勢。因此，應(yīng)將基于粉煤灰制備水玻璃的最佳反應(yīng)溫度設(shè)定為150 ℃[4]。

同理，得出基于粉煤灰制備水玻璃的最佳液固質(zhì)量比為2，最佳NaOH 溶液的濃度（質(zhì)量分數(shù)）為20%，最佳堿浸時間為2 h。而且，在上述最佳反應(yīng)條件下，對應(yīng)的SiO2的溶出率最大可以達到92.43%，對應(yīng)得到的水玻璃的模數(shù)為1.08。

3 粉煤灰制備Al2O3 的應(yīng)用

粉煤灰中含有大量的Al2O3，在眾多理論分析的基礎(chǔ)上得出可采用（NH4）2SO4法對粉煤灰進行處理，從而實現(xiàn)對粉煤灰中Al2O3的處理。根據(jù)工藝流程可知，基于粉煤灰制備Al2O3需在不同階段加入不同的化學(xué)試劑，包括（NH4）2SO4、H2SO4、NaOH 溶液等。其中，在整個反應(yīng)的工藝流程中影響最終Al2O3提取率的參數(shù)包括有原料配比：（NH4）2SO4與粉煤灰的比值、燒結(jié)時間、燒結(jié)溫度、水浴溫度等。本節(jié)同樣采用單因素法對上述不同參數(shù)下對應(yīng)Al2O3的提取率進行對比，得出最佳的工藝參數(shù)組合。

以燒結(jié)時間對Al2O3提取率的影響為例，設(shè)定粉煤灰提取Al2O3的其他關(guān)鍵參數(shù)為：原料配比為2∶1、燒結(jié)溫度為400 ℃、水浴溫度為60 ℃、對燒結(jié)時間為0.5 h、1 h、1.5 h、2 h 以及2.5 h 對應(yīng)的Al2O3的提取率進行實驗研究，實驗結(jié)果如圖4 所示。

如圖4 所示，隨著燒結(jié)時間的增加對應(yīng)Al2O3的在整體上呈現(xiàn)上升的趨勢，但是當燒結(jié)時間大于2 h后，某種程度上Al2O3的提取率呈現(xiàn)下降的趨勢。綜上所述，粉煤灰提取Al2O3對應(yīng)的最佳燒結(jié)時間為2 h[5]。

同理，得出基于粉煤灰提取Al2O3的最佳工藝參數(shù)為：原料的最佳配比為2.5∶1，對應(yīng)的最佳焙燒溫度為450 ℃，最佳反應(yīng)溫度為70 ℃。在上述最佳反應(yīng)的工藝參數(shù)下得出Al2O3的最高提取率為89.37%。

4 結(jié)語

粉煤灰是火電廠在實際發(fā)電過程中，煤粉在高溫反應(yīng)下所形成的直徑小于50 μm 的白色或者黑色的顆粒，粉煤灰直接排放會對周圍所在區(qū)域的地下水、地表水以及空氣造成污染。因此，實現(xiàn)對粉煤灰的資源化利用，不僅可實現(xiàn)廢物再用，而且還能夠保護環(huán)境。為實現(xiàn)粉煤灰的綜合應(yīng)用，本文基于粉煤灰探討了其提取Al2O3和Si 的工藝，并總結(jié)如下：

1）基于粉煤灰制備水玻璃的最佳液固質(zhì)量比為2，最佳NaOH 溶液的濃度（質(zhì)量分數(shù)）為20%，最佳堿浸時間為2 h。而且，在上述最佳反應(yīng)條件下，對應(yīng)的SiO2的溶出率最大可以達到92.43%，對應(yīng)得到的水玻璃的模數(shù)為1.08。

2）基于粉煤灰提取Al2O3的最佳工藝參數(shù)為：原料的最佳配比為2.5∶1，對應(yīng)的最佳焙燒溫度為450 ℃，最佳反應(yīng)溫度為70 ℃。在上述最佳反應(yīng)的工藝參數(shù)下得出Al2O3的最高提取率為89.37%。