6 煤系固体二次资源的利用
粉煤灰是煤燃烧排放出的一种粘土类火山灰质材料。它就是指锅炉燃烧时，烟气中带出的粉状残留物，简称灰或飞灰。它还包括锅炉底部排出的炉底渣，简称炉渣。 6.1.1粉煤灰的组成和性质
6.1.1.1粉煤灰的组成
（1）化学组成
粉煤灰的化学组成与粘土质相似，其中以SiO2和Al2O3的含量占大多数，其余为少量Fe商场柜台制作2O3、CaO、MgO、Na2O、K2O及SO3等。其主要化学组成和变化范围见表6-1。
表6-1 粉煤灰的化学成分（%）
成分 | SiO2 | Al2O3 | Fe2O3 | CaO | MgO | Na2O和K2O | SO3 | 烧失量 |
含量 | 40～60 | 20～30 | 4～10 | 2.5～7 | 0.5～2.5 | 0.5～2.5 | 0.1～1.5 | 3～30 |
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根据粉煤灰中CaO含量的多少，可将粉煤灰分成高钙灰和低钙灰两类。一般，CaO含量在20%以上的称为高钙灰，其质量优于低钙灰。我国燃煤电厂大多燃用烟煤，粉煤灰中CaO含量偏低，属低钙灰，但Al2O3含量一般较高，烧失量也较高。
（2）矿物组成
粉煤灰的矿物组成主要包括无定形相和结晶相两大类。
无定形相主要为玻璃体，约占粉煤灰总量的50～80%，大多是SiO2和Al2O3形成的固熔体，且大多数形成空心微珠。此外，未燃尽的细小炭粒也属于无定形相。 粉煤灰的结晶相主要有石英砂粒、莫来石、β-硅酸二钙、钙长石、云母、长石、磁铁矿、赤铁矿和少量石灰、残留煤矸石、黄铁矿等。在粉煤灰中，单独存在的结晶相极为少见，往往被玻璃相包裹。石英有的呈单体小石英碎屑，也有附在炭粒和煤矸石上成集合体的，多为白。莫来石多分布于空心微珠的壳壁上，极少单颗粒存在，它相当于天然矿物富铝红柱石，呈针状体或毛粘状多晶集合体，分布在微珠壁壳上。 （3）颗粒组成
粉煤灰颗粒通常按其形状分为珠状颗粒和渣状颗粒两大类。其中珠状颗粒包括漂珠、空心沉珠、密实沉珠和富铁玻璃微珠等；渣状颗粒包括海绵状玻璃渣粒、碳粒、钝角颗粒、碎屑和粘聚颗粒等。其中90%的颗粒粒度为-40µm或-60µm。
6.1.1.2粉煤灰的性质
（1）物理性质
粉煤灰是灰或灰白的粉状物，表6-2所示为粉煤灰的物理性质。
表6-2 服务器平台粉煤灰的物理性质
物理性质 | 范围 | 均值 |
密度，g/cm3 | 1.9～2.9 | 2.1 |
堆积密度，kg/m3 | 531~1261 | 780 |
密实度，kg/m3 | 25.6~47.0 | 36.5 |
原灰标准稠度，% | 27.3~66.7 | 48.0 |
比表面积，cm2/g | 氧吸附法 | 800~195000 | 31000 |
透气法 | 1180~6530 | 3300 |
| 粉煤灰烧失量 需水量，% | 89~130 | 106 |
28天抗压强度比，路网密度% | 37~85 | 66 |
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（2）粉煤灰的活性
粉煤灰的活性包括物理活性和化学活性两个方面。物理活性是粉煤灰颗粒效应、微集料效应等的总和。化学活性指粉煤灰在和石灰、水混合后所显示出来的凝结硬化性能。粉煤灰的活性不仅决定于它的化学组成，而且与它的物相组成和结构特征有着密切的关系。高温熔融并经过骤冷的粉煤灰，含大量的表面光滑的玻璃微珠。这些玻璃微珠含有较高的化学内能，是粉煤灰具有活性的主要矿物相。玻璃体中含的活性SiO2和活性Al2O3含量愈多，活性愈高。粉煤灰的活性是潜在的，需要激发剂的激发才能发挥出来。常用的激活方法有：机械磨细法、水热合成法和碱性激发法。
6.1.2粉煤灰中有价组分的提取
粉煤灰中含有铁、铝、空心微珠以及未燃尽炭等有用组分，并且含有多种稀有金属元素，因此，从粉煤灰中提取这些有用组分具有重要经济价值。
6.1.2.1提取铁
煤中含有黄铁矿（FeS2）、赤铁矿（Fe2O3）、褐铁矿（2Fe2O3·3H2O）、菱铁矿（Fe
CO3）等矿物。当煤粉燃烧时，其中的氧化铁经高温焚烧后，部分被还原为尖晶石结构的Fe3O4（即磁铁矿）和粒铁，因此，可直接使用磁选机分离提取这种磁性氧化铁。
粉煤灰中含铁量（以Fe2O3表示）一般为8%～29%，最高可达43%，可采用干式磁选和湿式磁选两种工艺，目前电厂大多采用湿式磁选工艺。通常，电厂经过两级磁选，可获得TFe品位50%～56%的铁精矿。
湿法排放的粉煤灰提铁常用干式磁选。干燥的粉煤灰磁选效果比湿灰磁选效果好。粉煤灰通过干选，可获得TFe品位55%的铁精矿。
6.1.2.2提取A12O3
粉煤灰中一般含A12O317%～35%，目前提取铝有石灰石烧结法、热酸淋洗法、氯化法、直接熔解法等多种工艺。其中石灰石烧结法提取氧化铝的工艺流程主要包括烧结、熟料自粉化、溶出、碳分和煅烧五个工序。
粉煤灰加石灰石经粉磨后在1320～1400℃温度下进行烧结，使粉煤灰中的Al2O3和SiO2分别与石灰石中CaO生成易溶于碳酸钠溶液的5CaO·3Al2O3和不溶性的2CaO·SiO2，当熟料
冷却时，约在650℃的温度下，2CaO·SiO2由β相转变为γ相，因体积膨胀发生熟料的自粉碎现象，熟料自粉化后到几乎全部能通过200目筛孔。粉化后的熟料加碳酸钠溶液溶出，其中的铝酸钙与碱反应生成铝酸钠进入溶液，而生成的碳酸钙和硅酸二钙留在渣中，便达到铝和硅、钙的分离。其反应式为：
在进一步除去溶出粗液中的SiO2的NaAlO2精液中通入烧结产生的CO2，与铝酸钠反应生成氢氧化铝，氢氧化铝经煅烧转变成氧化铝。
6.1.2.3提取玻璃微珠
粉煤灰中“微珠”，按理化特征分为漂珠、沉珠和磁珠。粉煤灰中含有50%～80%的玻璃微珠，其细度为0.3～200μm，其中小于5μm的占粉煤灰总重的20%，容重一般只有粉煤灰的1/3。
铜锌合金提取微珠的方法，大致可分为干法机械分选和湿法机械分选两大类。图6-1所示为干法机械分选流程。
图6-1 空心微珠的干法机械分选流程
湿法机械分选微珠，国内多用浮选、磁选、重选等多种选法的组合流程。
漂珠的密度为0.40～0.75g/cm3，小于水的密度，因而可利用漂珠与其他颗粒间密度的差异，以水为介质用浮选将漂珠与其它颗粒分离。采用此法可得到纯度95%左右的漂珠。
粉煤灰中的磁珠是锅炉高温燃烧过程中，煤中含铁矿物在碳及一氧化碳的还原作用下，部分形成铁粒，一部分被还原成Fe3O4而产生的，因而可根据磁珠与其它颗粒的磁性差别进行分选。分选后可得到品位为60%左右的磁珠。
当粉煤灰中选出漂珠、磁珠和炭粒后，只剩下沉珠和少量单体石英等，它们在密度、形状、粒度及表面性质上均存在较大差异，因而可采用重选、浮选或分级法加富集分离，得到不同等级的沉珠产品。
6.1.2.4提取炭
电厂锅炉在燃用无烟煤和劣质烟煤时，由于煤粉不能完全燃烧，造成粉煤灰中含炭量增高，一般波动于8%～20%。为了降低粉煤灰中的含炭量和充分利用煤炭资源，常对粉煤灰进行提炭处理。提炭一般用浮选法和电选法。
浮选提炭适用于湿法排放的粉煤灰，此方法是利用粉煤灰和煤粒表面亲水性能的差异而将其分离的一种方法。在灰浆中加入捕收剂（采用柴油等烃类油）、起泡剂（如杂醇油、松尾油等），疏水的煤粒被其浸润而吸附在由于搅拌所产生的空气泡上，上升至液面形成矿化泡沫层即为精煤。亲水的粉煤灰颗粒则被作为尾渣排除。
电选提炭适用于干法排放的粉煤灰，电选时要求水分小于1%，温度保持在80℃以上。它是一种基于炭与灰的导电性能不同而在高压电场下进行炭、灰分离的过程。在圆形电晕电场中，当粉煤灰获得电荷后，炭粒因导电性能良好，很快地将所获电荷通过圆筒带走，在重力惯性离心力作用下，脱离圆筒表面，被抛入导体产品槽中，而非导体的粉煤灰所获电荷在表面释放速度较慢，故在电场力作用下，吸附在圆筒表面上，被旋转圆筒带到后部，由卸料毛刷排入非导体产品槽中，从而达到灰炭分离。
6.1.3粉煤灰生产建筑材料
由于粉煤灰的化学成分同粘土类似，因此粉煤灰在建筑材料中的应用主要是制水泥、制砖、配制普通混凝土、轻质混凝土和加气混凝土、骨料等。质量较差的灰渣可用来铺路，作基础以及作填充料等。 6.1.3.1粉煤灰水泥及混合材
粉煤灰的化学成分同粘土类似，可用于代替粘土配制水泥生料，可以增加水泥窑的产量，燃料消耗量也可降低16%～17%。粉煤灰水泥具有水化热小，干缩性小，胶砂流动度大，易于浇灌和密实，成品表面光滑等优点。它在抗硫酸盐腐蚀方面也比普通水泥好。
利用粉煤灰作水泥混合材生产粉煤灰硅酸盐水泥的主要对粉煤灰掺量的选择，应根据粉煤灰细度质量情况，以控制在20%～40%之间为宜。一般，超过40%时，水泥的标准稠度需水量显著增大，凝结时间较长，早期强度过低，不利于粉煤灰水泥的质量与使用效果。用粉煤灰做混合材时，其粉煤灰与水泥熟料的混合方法有两种类型：将粗粉煤灰预先磨细，再与水泥混合或将粗粉煤灰与熟料、石膏一起粉磨。
6.1.3.2粉煤灰生产蒸养砖和烧结砖
粉煤灰蒸养砖是以粉煤灰和生石灰或其他碱性激发剂为主要原料，也可掺入适量的石膏，并加入一定量的煤渣或水淬矿渣等骨料，经原材料加工、搅拌、消化、轮碾、压制成型、常压或高压蒸汽养护后而制成的一种墙体材料。
粉煤灰砖的粉煤灰用量可为60%～80%，石灰（或用电石渣）的掺量一般为12%～20%，石膏的掺量为2%～3%。粉煤灰砖在较短的时间内即可达到预期的产品机械强度和其他物理力学性能指标。
粉煤灰烧结砖是以粉煤灰、粘土及其他工业废料掺合而成的一种墙体材料，其生产工艺、主要设备与普通粘土砖基本相同。
粉煤灰颗粒较普通粘土粗，塑性指数极低，必须掺配一定数量的粘土作粘结剂才能满足砖坯成型要求。当粘土塑性指数>15时，粉煤灰掺入量可达60%以上；当粘土塑性指数8～14时，粉煤灰掺入量为20%～50%；粘土塑性指数<7高粱红素时，掺入粉煤灰坯体很难成型。因粉煤灰中含有一定的碳分，粉煤灰烧结砖属于内燃烧砖。
粉煤灰烧结砖具有质轻、抗压强度高等优点，但其半成品早期强度低，在人工运输和入窑阶段易于脱棱断角，影响成品外观。烧结时，应注意其温度波动不能太大。
6.1.3.3粉煤灰硅酸盐砌块
粉煤灰硅酸盐砌块，是以粉煤灰、石灰、石膏为胶凝材料，煤渣、高炉渣为骨料，加水搅拌、振动成型、蒸汽养护而成的墙体材料。
为了加速制品中胶凝材料的水热合成反应，使制品在较短时间内凝结硬化达到预期的强度要求，需要对成型后制品进行蒸汽养护。蒸汽养护可用常压蒸汽养护和或高压蒸汽养护。粉煤灰砌块的密度为1300～1550kg/m3，抗压强度为9.80～19.60MPa，其他物理力学性能也均能满足一般墙体材料的要求。
6.1.3.4粉煤灰混凝土
粉煤灰混凝土泛指掺加粉煤灰的混凝土。粉煤灰混凝土有“内掺”和“外掺”粉煤灰两种工艺。“内掺”是水泥内已掺有粉煤灰，优点是粉煤灰和水泥混合均匀质量控制好，但现场施工由于二者配比固定，不能进行调整。“外掺”是混凝土中直接掺加粉煤灰，优点是施工配比灵活，缺点是施工时需增加混合设施。
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