粉煤灰，是從煤燃燒後的煙氣中收捕下來的細灰，粉煤灰是燃煤電廠排出的主要固體廢物。我國火電廠粉煤灰的主要氧化物組成為：SiO2、Al2O3、FeO、Fe2O3、CaO、TiO2等。隨著電力工業的發展，燃煤電廠的粉煤灰排放量逐年增加，成為我國當前排量較大的工業廢渣之一。大量的粉煤灰不加處理，就會產生揚塵，污染大氣；若排入水系會造成河流淤塞，而其中的有毒化學物質還會對人體和生物造成危害。但粉煤灰可資源化利用，如作為混凝土的摻合料等。
基本介紹
- 中文名：粉煤灰
- 外文名：FlyAsh
- 獲取：煤燃燒後的煙氣中收捕
- 產生：燃煤電廠排出的主要固體廢物
- 主要氧化物：SiO2、Al2O3、FeO、Fe2O3
- 弊端：對人體和生物造成危害
- 孔隙率：50%—80%
外觀特性,現狀,主要來源,組成與性質,用途,
外觀特性
粉煤灰外觀類似水泥，顏色在乳白色到灰黑色之間變化。粉煤灰的顏色是一項重要的質量指標，可以反映含碳量的多少和差異。在一定程度上也可以反映粉煤灰的細度，顏色越深粉煤灰粒度越細，含碳量越高。粉煤灰就有低鈣粉煤灰和高鈣粉煤灰之分。通常高鈣粉煤灰的顏色偏黃,低鈣粉煤灰的顏色偏灰。粉煤灰顆粒呈多孔型蜂窩狀組織，比表面積較大，具有較高的吸附活性，顆粒的粒徑範圍為0.5~300μm。並且珠壁具有多孔結構，孔隙率高達50%—80%，有很強的吸水性。
粉煤灰
粉煤灰現狀
我國是個產煤大國，以煤炭為電力生產基本燃料。我國的能源工業穩步發展，發電能力年增長率為7.3%，電力工業的迅速發展，帶來了粉煤灰排放量的急劇增加，燃煤熱電廠每年所排放的粉煤灰總量逐年增加，1995年粉煤灰排放量達1.25億噸，2000年約為1.5億噸，到2010年將達到3億噸，給我國的國民經濟建設及生態環境造成巨大的壓力。另一方面，我國又是一個人均占有資源儲量有限的國家，粉煤灰的綜合利用，變廢為寶、變害為利，已成為我國經濟建設中一項重要的技術經濟政策，是解決我國電力生產環境污染，資源缺乏之間矛盾的重要手段，也是電力生產所面臨解決的任務之一。經過開發，粉煤灰在建工、建材、水利等各部門得到廣泛的套用。
20世紀70年代，世界性能源危機，環境污染以及礦物資源的枯竭等強烈地激發了粉煤灰利用的研究和開發，多次召開國際性粉煤灰會議，研究工作日趨深入，套用方面也有了長足的進步。粉煤灰成為國際市場上引人注目的資源豐富、價格低廉，興利除害的新興建材原料和化工產品的原料，受到人們的青睞。對粉煤灰的研究工作大都由理論研究轉向套用研究，特別是著重要資源化研究和開發利用。利用粉煤灰生產的產品在不斷增加，技術在不斷更新。國內外粉煤灰綜合利用工作與過去相比較，發生了重大的變化，主要表現為：粉煤灰治理的指導思想已從過去的單純環境角度轉變為綜合治理、資源化利用；粉煤灰綜合利用的途徑已從過去的路基、填方、混凝土摻和料、土壤改造等方面的套用外，發展到在水泥原料、水泥混合材、大型水利樞紐工程、泵送混凝土、大體積混凝土製品、高級填料等高級化利用途徑。
主要來源
粉煤灰的主要來源是以煤粉為燃料的火電廠和城市集中供熱鍋爐，其中90%以上為濕排灰，活性較乾灰低，且費水費電，污染環境，也不利於綜合利用。為了更好地保護環境並有利於粉煤灰的綜合利用，考慮到除塵和乾灰輸送技術的成熟，乾灰收集已成為今後粉煤灰收集的發展趨勢。
組成與性質
組成
粉煤灰的化學組成
我國火電廠粉煤灰的主要氧化物組成為：SiO2、Al2O3、FeO、Fe2O3、CaO、TiO2、MgO、K2O、Na2O、SO3、MnO2等，此外還有P2O5等。其中氧化矽、氧化鈦來自黏土，岩頁；氧化鐵主要來自黃鐵礦；氧化鎂和氧化鈣來自與其相應的碳酸鹽和硫酸鹽。
粉煤灰的元素組成(質量分數)為：O47.83%，Si11.48%～31.14%，Al6.40%～22.91%，Fe1.90%～18.51%，Ca0.30%～25.10%，K0.22%～3.10%，Mg0.05%～1.92%，Ti0.40%～1.80%，S0.03%～4.75%，Na0.05%～1.40%，P0.00%～0.90%，Cl0.00%～0.12%，其他0.50%～29.12%。
由於煤的灰量變化範圍很廣，而且這一變化不僅發生在來自世界各地或同一地區不同煤層的煤中，甚至也發生在同一煤礦不同的部分的煤中。因此，構成粉煤灰的具體化學成分含量，也就因煤的產地、煤的燃燒方式和程度等不同而有所不同。GQ-3B粉煤灰分析儀主要檢測粉煤灰中二氧化矽、三氧化二鋁、三氧化二鐵、氧化鈣、氧化鐵、二氧化鈦等元素。粉煤灰的主要化學組成見下表。
我國電廠粉煤灰化學組成%相關信息
成分 | SiO2 | Al2O3 | Fe2O3 | CaO | MgO | SO3 | Na2O | K2O | 燒失量 |
範圍 | 1.30~65.76 | 1.59~40.12 | 1.50~6.22 | 1.44~16.80 | 1.20~3.72 | 1.00~6.00 | 1.10~4.23 | 1.02~2.14 | 1.63~29.97 |
均值 | 1.8 | 1.1 | 1.2 | 1.7 | 1.2 | 1.8 | 1.2 | 1.6 | 1.9 |
粉煤灰的活性主要來自活性SiO2(玻璃體SiO2)和活性Al2O3(玻璃體Al2O3)在一定鹼性條件下的水化作用。因此，粉煤灰中活性SiO2、活性Al2O3和f-CaO(游離氧化鈣)都是活性的有利成分，硫在粉煤灰中一部分以可溶性石膏(CaSO4)的形式存在，它對粉煤灰早期強度的發揮有一定作用，因此粉煤灰中的硫對粉煤灰活性也是有利組成。粉煤灰中的鈣含量在3%左右，它對膠凝體的形成是有利的。國外把CaO含量超過10%的粉煤灰稱為C類灰，而低於10%的粉煤灰稱為F類灰。C類灰其本身具有一定的水硬性，可作水泥混合材，F類灰常作混凝土摻和料，它比C類灰使用時的水化熱要低。
粉煤灰中少量的MgO、Na2O、K2O等生成較多玻璃體，在水化反應中會促進鹼矽反應。但MgO含量過高時，對安定性帶來不利影響。
粉煤灰中的未燃炭粒疏鬆多孔，是一種惰性物質不僅對粉煤灰的活性有害，而且對粉煤灰的壓實也不利。過量的Fe2O3對粉煤灰的活性也不利。
粉煤灰的礦物組成
由於煤粉各顆粒間的化學成分並不完全一致，因此燃燒過程中形成的粉煤灰在排出的冷卻過程中，形成了不同的物相。比如：氧化矽及氧化鋁含量較高的玻璃珠，另外，粉煤灰中晶體礦物的含量與粉煤灰冷卻速度有關。一般來說，冷卻速度較快時，玻璃體含量較多：反之，玻璃體容易析晶。可見，從物相上講，粉煤灰是晶體礦物和非晶體礦物的混合物。其礦物組成的波動範圍較大。一般晶體礦物為石英、莫來石、氧化鐵、氧化鎂、生石灰及無水石膏等，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。
在顯微鏡下觀察，粉煤灰是晶體、玻璃體及少量未燃炭組成的一個複合結構的混合體。混合體中這三者的比例隨著煤燃燒所選用的技術及操作手法不同而不同。其中結晶體包括石英、莫來石、磁鐵礦等；玻璃體包括光滑的球體形玻璃體粒子、形狀不規則孔隙少的小顆粒、疏鬆多孔且形狀不規則的玻璃體球等；未燃炭多呈疏鬆多孔形式。
性質
物理性質
粉煤灰的物理性質包括密度、堆積密度、細度、比表面積、需水量等，這些性質是化學成分及礦物組成的巨觀反映。由於粉煤灰的組成波動範圍很大，這就決定了其物理性質的差異也很大。
粉煤灰的基本物理性質
粉煤灰的基本物理特性 | 項目範圍均值 |
密度/（g/cm） | 1.9～2.9 |
堆積密度/（g/cm） | 0.531～1.261 |
比表面積（cm/g） | 氮吸附法800～19500 |
透氣法 | 1180～6530 |
原灰標準稠度/% | 27.3～66.7 |
吸水量/% | 89～130 |
28d抗壓強度比/% | 37～85 |
粉煤灰的物理性質中，細度和粒度是比較重要的項目。它直接影響著粉煤灰的其他性質，粉煤灰越細，細粉占的比重越大，其活性也越大。粉煤灰的細度影響早期水化反應，而化學成分影響後期的反應。
化學性質
粉煤灰是一種人工火山灰質混合材料，它本身略有或沒有水硬膠凝性能，但當以粉狀及水存在時，能在常溫，特別是在水熱處理(蒸汽養護)條件下，與氫氧化鈣或其他鹼土金屬氫氧化物發生化學反應，生成具有水硬膠凝性能的化合物，成為一種增加強度和耐久性的材料。
用途
在混凝土中摻加粉煤灰節約了大量的水泥和細骨料；減少了用水量；改善了混凝土拌和物的和易性；增強混凝土的可泵性；減少了混凝土的徐變；減少水化熱、熱能膨脹性；提高混凝土抗滲能力；增加混凝土的修飾性。
國標一級混凝土：採用優質粉煤灰和高效減水劑複合技術生產高標號混凝土的現代混凝土新技術正在全國迅速發展。
國標二級混凝土：優質粉煤灰特別適用於配製泵送混凝土、大體積混凝土、抗滲結構混凝土、抗硫酸鹽混凝土和抗軟水侵蝕混凝土及地下、水下工程混凝土、壓漿混凝土和碾壓混凝土。
國標三級混凝土：粉煤灰混凝土具有和易性好、可泵性強、終飾性改善、抗衝擊能力提高、抗凍性增強等優點。
粉煤灰是煤粉經高溫燃燒後形成的一種似火山灰質混合材料。它是燃燒煤的發電廠將煤磨成100微米以下的煤粉，用預熱空氣噴入爐膛成懸浮狀態燃燒，產生混雜有大量不燃物的高溫煙氣，經集塵裝置捕集就得到了粉煤灰。粉煤灰的化學組成與粘土質相似，主要用來生產粉煤灰水泥、粉煤灰磚、粉煤灰矽酸鹽砌塊、粉煤灰加氣混凝土及其他建築材料，還可用作農業肥料和土壤改良劑，回收工業原料和作環境材料。
粉煤灰在水泥工業和混凝土工程中的套用：粉煤灰代替粘土原料生產水泥，水泥工業採用粉煤灰配料可利用其中的未燃盡炭；粉煤灰作水泥混合材；粉煤灰生產低溫合成水泥，生產原理是將配合料先蒸汽養護生成水化物，然後經脫水和低溫固相反應形成水泥礦物；粉煤灰製作無熟料水泥，包括石灰粉煤灰水泥和純粉煤灰水泥，石灰粉煤灰水泥是將乾燥的粉煤灰摻入10%—30%的生石灰或消石灰和少量石膏混合粉磨，或分別磨細後再混合均勻製成的水硬性膠凝材料；粉煤灰作砂漿或混凝土的摻和料，在混凝土中摻加粉煤灰代替部分水泥或細骨料，不僅能降低成本，而且能提高混凝土的和易性、提高不透水、氣性、抗硫酸鹽性能和耐化學侵蝕性能、降低水化熱、改善混凝土的耐高溫性能、減輕顆粒分離和析水現象、減少混凝土的收縮和開裂以及抑制雜散電流對混凝土中鋼筋的腐蝕。
粉煤灰在建築製品中的套用：蒸製粉煤灰磚，以電廠粉煤灰和生石灰或其他鹼性激發劑為主要原料，也可摻入適量的石膏，並加入一定量的煤渣或水淬礦渣等骨料，經過加工、攪拌、消化、輪碾、壓製成型、常壓或高壓蒸汽養護後而形成的一種牆體材料；燒結粉煤灰磚，以粉煤灰、粘土及其他工業廢料為原料，經原料加工、攪拌、成型、乾燥、培燒製成磚；蒸壓生產泡沫粉煤灰保溫磚，以粉煤灰為主要原料，加入一定量的石灰和泡沫劑，經過配料、攪拌、燒注成型和蒸壓而成的一種新型保溫磚；粉煤灰矽酸鹽砌塊，以粉煤灰、石灰、石膏為膠凝材料，煤渣、高爐礦渣等為骨料，加水攪拌、振動成型、蒸汽養護而成的牆體材料；粉煤灰加氣混凝土，以粉煤灰為原料，適量加入生石灰、水泥、石膏及鋁粉，加水攪拌呈漿，注入模具蒸養而成的一種多孔輕質建築材料；粉煤灰陶粒，以粉煤灰為主要原料，摻入少量粘結劑和固體燃料，經混合、成球、高溫培燒而制的一種人造輕質骨料；粉煤灰輕質耐熱保溫磚，是用粉煤灰、燒石、軟質土及木屑進行配料而成，具有保溫效率高，耐火度高，熱導率小，能減輕爐牆厚度、縮短燒成時間、降低燃料消耗、提高熱效率、降低成本。
粉煤灰作農業肥料和土壤改良劑：粉煤灰具有良好的物理化學性質，能廣泛套用於改造重粘土、生土、酸性土和鹽鹼土，彌補其酸瘦板粘的缺陷，粉煤灰中含有大量水溶性矽鈣鎂磷等農作物所必需的營養元素，故可作農業肥料用。
從粉煤灰中回收工業原料：回收煤炭資源，利用浮選法在含煤炭粉煤灰的灰漿水中加入浮選藥劑，然後採用氣浮技術，使煤粒粘附於氣泡上浮與灰渣分離；回收金屬物質粉煤灰中含有Fe2O3、Al2O3、和大量稀有金屬；分選空心微珠，空心微珠具有質量小、高強度、耐高溫和絕緣性好，可以用於塑膠的理想填料，用於輕質耐火材料和高效保溫材料，用於石油化學工業，用於軍工領域，坦克剎車。
粉煤灰作環保材料：利用粉煤灰可製造分子篩、絮凝劑和吸附材料等環保材料；粉煤灰還可用於處理含氟廢水、電鍍廢水與含重金屬例子廢水和含油廢水，粉煤灰中含有的Al2O3、CaO等活性組分，能與氟生產配合物或生產對氟有絮凝作用的膠體離子，還含有沸石、莫來石、炭粒和矽膠等，具有無機離子交換特性和吸附脫色作用。
粉煤灰可用作生產原料：粉煤灰是無機防火保溫板保溫板生產原料的一種，綠能無機防火保溫板的原料為70%的普通水泥,30%的粉煤灰
粉煤灰可做造紙原料：在國外，一些研究將粉煤灰作為一種新的造紙原料，並通過電子顯微鏡分析粉煤灰提高紙張抗拉強度和內部粘結強度的原理。
