科技信息 。环保Ｍ￣２￣ｏ ＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ ２０１０年第２９期 新汶矿区矸石电厂粉煤灰特性研究 （１．中山市环境保护科学研究所【摘方志仿’徐森国 广东 中山５２８４００；２．沾化县水利勘察设计室 山东沾化２５６８００） 要】利用现代测试技术，详细分析了新汶矿区三个矸石电厂粉煤灰矿物组分、化学成分和微量元素及颗粒组成等几方面的特性，并以 此为基础．提出了今后粉煤灰利用的几条建议。 【关键词】粉煤灰；特性；分析；利用 Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｔｈｅ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ＦＡ ｆｒｏｍ Ｘｉｎｗｅｎ Ｍｉｎｉｎｇ ａｒｅａ Ｇａｎｇｕｅ Ｐｏｗｅｒ Ｐｌａｎｔｓ 【Ａｂｓｔｒａｃｔ］Ｂｙ ｕｓｅ ｏｆ ｍｏｄｅｍ ａｎａｌｙｔｉｃａｌ ｔｅｃｈｎｉｑｔｉｅｓ，ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｓｔｕｄｉｅｄ ｔｈｅ ｐｈｙｓｉｃａｌ ａｎｄ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ＦＡ ｆｒｏｍ Ｘｉｎｗｅｎ ｍｉｎｉｎｇ ａｒｅａ ｇａｎｇｕｅ ｐｏｗｅｒ ｐｌａｎｔｓ，ｓｕｃｈ ａｓ ｓｐｅｃｉｅｓ ｏｆ ｍｉｎｅｒａｌ ｐｈａｓｅｓ，ｃｈｅｍｉｃａｌ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｓ，ｃｏｎｔｅｎｔｓ ｏｆ ｔｒａｃｅ ｅｌｅｍｅｎｔ，ａｓ ｗａｌｌ ａｓ ｔｙｐｅｓ ｏｆ ｐａｒｔｉｃｌｅｓ ｅｔｅ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ａｎａｌｙｓｅｓ，ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ ｓｏｍｅ ｐｒｏｐｏｓａｌｓ ｆｏｒ ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ＦＡ． 【Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ］Ｆｌｙ ａｓｈ；Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ；Ａｎａｌｙｓｅｓ；Ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ Ｏ引言 红石等。矸石在锅炉中燃烧后，其中的无机矿物经历分解、烧结、熔融 及冷却等过程。冷却后的粉煤灰基本上可分为非晶质玻璃体和晶体矿 煤矸石是在煤矿建设、生产过程及煤的洗选加工过程中排出的固 物两大类．另外还有一些不定形碳。 体废弃物。由于我国煤炭开采量大，煤矸石大量堆放形成无数座矸石 由Ｘ射线衍射分析可知，三个矸石电厂粉煤灰的晶体矿物都以石 山，不仅占用大量土地，而且还污染环境，给煤矿企业带来沉重的经济 英为主，几乎不含有莫来石，华丰电厂粉煤灰的晶体矿物中含有石英、 及环境负担。为了解决这一问题，国家从“六五”期间开始，成功开发了 赤铁矿和极少量长石等，汶河电厂粉煤灰的晶体矿物中含有石英、赤 流化床锅炉燃烧煤矸石等低热值燃料发电供热技术，在有关部门的重 铁矿、磁铁矿和少量长石等。（见图１：华丰矸石电厂粉煤灰Ｘ射线衍 视和支持下，至今已建成６Ｏ多座矸石电厂。这些电厂规模一般比较 射曲线和图２：汶河矸石电厂粉煤灰Ｘ射线衍射曲线）。衍射曲线的丘 小，单组装机容量为６０００ｋＷ，但煤矸石的灰分高，约为６５—８５％，粉煤 状隆起部分表明，除上述诸矿物外，粉煤灰同时含有玻璃体。玻璃体能 灰排放量大，而且这些电厂粉煤灰的利用率比较低，因此加强矸石电 在常温下与石灰或水泥水化时析出的氢氧化钙发生火山灰反应。此反 厂粉煤灰特性的系统研究对提高粉煤灰的综合利用水平有着重要的 应产物具有一定的胶凝性，使胶凝材料产生一定的力学性能。晶体矿 指导意义。本文着重分析了新汶矿区协庄矸石电厂、华丰矸石电厂和 物一般在常温下不参与水化反应。 汶河矸石电厂的粉煤灰特性，为提高粉煤灰利用水平、拓宽利用途径 提供了重要的理论依据。 新汶矿区的三个矸石电厂都是使用沸腾炉（流化床锅炉），其燃烧 方式是使小颗粒在一个比较密闭的炉膛内与空气充分接触，在“沸腾” 状态下进行燃烧．强化燃烧和传热过程。沸腾炉对燃烧颗粒有一定的 粒度要求，燃料粒径一般要在１．５—６ｍｍ，所以矸石进锅炉燃烧前要进 行粉碎。矸石在沸腾炉中所经历的过程与煤粉炉最明显的差别．一是 停留时间长，一般为１－８ｍｉｎ；二是工作温度低，一般为８５０—１０００。Ｃ（大 都为９００—９５０ｏＣ）。不同的矿物，其相转变温度不同。矸石中不同的矿 物，在一定温度下转变为成分和结构不同的新物质。由于矸石在沸腾 炉中停留的时间较长，矿物有一定的时间发生相变，但炉内的温度不 是特别高，矸石中的矿物质又不能形成熔融体，只是发生固态的相转 变。 本文样品先后采自协庄矸石电厂、华丰矸石电厂和汶河矸石电 厂，测试工作在南京大学现代分析中心完成。 图２汶河矸石电厂粉煤灰Ｘ一射线衍射曲线 １．２化学成分特征 １．２．１常量化学成分 三个矸石电厂粉煤灰的常量化学成分列于表１。由表可见，粉煤 灰的主要成分为氧化硅、氧化铝及氧化铁，三个电厂的粉煤灰中这三 种成分的总量分别为８２．４２％、７８．６９％和７８．３３％。另外还含有少量的 氧化钙、氧化钾、氧化钠等，三个样品中这几种成分的含量波动均不 大。 Ｍｅｃａｒｔｈｙ分类法规定ＣａＯ含量低于１Ｏ％的粉煤灰称为低钙灰。 三个电厂粉煤灰的ＣａＯ含量均低于１０％，属低钙灰。粉煤灰的酸性氧 化物，特别是以玻璃体形态存在的氧化硅、氧化铝及氧化铁是参与火 山灰反应的主要氧化物，美国等国家的粉煤灰标准规范中限定低钙灰 中ＳｉＯ：＋Ａ１２０ ＋Ｆｅ２０ 的含量不得小于７Ｏ％，由表１所示，三个电厂粉煤 图１ 华丰矸石电厂粉煤灰×一射线衍射曲线 灰ＳｉＯ ＋Ａ１２０ ＋Ｆｅ２０ 的含量均大于７０％。粉煤灰中未燃尽碳粒用烧失 量来衡量。烧失量大就意味着粉煤灰中活性成分减少，多 Ｌ碳可使粉 煤灰需水量增加，密度降低，用于水泥混凝土中会影响其外观颜色和 均匀性。碳粉又会在泌水过程中逐渐与浆体分离，上升到混凝土表面， １粉煤灰特性 １．１物相特征 ’影响混凝土的质量。据测试，粉煤灰烧失量超过７％，就会影响混凝土 粉煤灰中的矿物与燃料所含矿物有关。矸石中所含矿物有粘土类 含气量的控制。我国粉煤灰标准ＧＢ１５９６—９１规定Ｉ级灰的烧失量不 矿物、水云母类矿物、石英碎屑、黄铁矿、碳酸钙、长石、铁白云母和金 大于５％，１Ｉ级灰的烧失量不大于８％，ｍ级灰的烧失量不大于１５％， ２０１０年第２９期 ＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＩｔＮＯＬＯＧＹＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ ｏ环保论坛０ 科技信息 表１所示三个电厂粉煤灰的烧失量均大于１Ｏ％，这说明矸石在沸腾炉 分燃烧的残留颗粒，内部多孔，结构疏松，容易碾碎，孔腔吸水性高，粒 中燃烧不完全，粉煤灰已属Ⅲ级灰。 径偏粗，４５ ｍ以上的颗粒比例较高。粉煤灰中还存在少量的棱角状未 含硫量高的煤烧成的粉煤灰ＳＯ，含量高，过多的ＳＯ，对水泥混凝 熔矿物。这些少量矿物，由于在炉中的停留时间短，或者没有进入锅炉 土的水化具有潜在威胁．它会导致在已硬化的水泥混凝土中形成钙钒 的火焰中心，所以没有发生相变，也没能转变成玻璃体，仍保留原来的 石，影响混凝土的耐久性。我国粉煤灰标准ＧＢ１５９６—９１限定粉煤灰中 矿物学结构特征，有时外部形态发生了一定变化，这些未变化的矿物 ＳＯ 的含量不大于３％，由表１知，３号灰ＳＯ 的含量超标，１号灰和２ 分散在粉煤灰中。 号灰Ｓ０ 的含量未超标。粉煤灰内的氧化镁能以两种形态存在：玻璃 体及方镁石结晶体。以方镁石形态存在的氧化镁，其水化速度极慢。当 水泥硬化浆体结构已基本稳定，而方镁石继续水化膨胀时可破坏混凝 土硬化体结构。因此许多国家在编制粉煤灰标准时ＭｇＯ视为有害成 分，规定不超过４—５％。三个电厂粉煤灰的ＭｇＯ含量均小于４％。国外 资料认为，碱含量高的粉煤灰能显著抑制碱集料反应，美国 ＡＳＴＭＣ６１８限定粉煤灰中Ｎａ２０含量不得大于１．５％。由表１知三个电 厂粉煤灰Ｎａ２０含量均小于１．５％。 表１ 矸石电厂粉煤灰常量化学成分（％） 圈■圈 图３蜂窝状玻璃体图４玻璃碎屑图５未燃尽碳粒 １．４物理性状 ＭｎＯ ０．０４ ０．０６ ０．０４ 样号 １ ２ ３ ＳｉＯ２ ４８３２ ４７．３５ ４７．４５ Ａｌ２０３ ２６．７６ ２５．２Ｏ ２２．７７ Ｆｅ２Ｏ３ ７ ３４ ６．１４ ８．１１ ＣａＯ ２＿３３ ３．２７ １．７８ Ｋ １．６Ｏ １．４４ １．６６ Ｎａ２Ｏ ０．４１ ０．７９ ０４５ Ｍｇｏ １．１Ｏ １．２９ ｌ ０３ Ｏ２ １．０３ １．ｏ９ Ｏ．７７ ＳＯ３ １ ８３ ２．ＯＯ ３．２２ ＬＯ．Ｉ １０．Ｏ９ ｌ２－８１ ｌ５．６６ 粉煤灰的物理性状主要包括细度、需水 量比、容重等，本文主要分析了协庄矸石电厂 粉煤灰的物理性状，其参数列于表３。 细度是影响粉煤灰利用的重要物理性质 之一。协庄电厂粉煤灰的细度极高，０．０４５ｍｍ 方孔筛筛余为１Ｏ％。与我国电厂粉煤灰的平 １．２．２微量元素 粉煤灰中除了含有表１所列的常量元素外，还含 均容重相比．协庄电厂粉煤灰的容重偏小。需水量比反映了粉煤灰需 有一定量的镉、砷、铬、铅、汞、铜、钼及镍等对人体有害的微量元素，因 水量的多少．直接影响到粉煤灰利用时混凝土的施工性能和力学性 协庄电厂粉煤灰的需水量比略比全国平均值高。２８天抗压强度比 此在处置或利用粉煤灰时应注意这些元素的含量。在南京大学现代分 质．析中心利用ＶＦ一３２０型ｘ射线荧光光谱仪分析了三个矸石电厂粉煤 是反映粉煤灰火山灰活性的重要标志，协庄电厂粉煤灰的２８天抗压 强度超过了标准试件。说明其具有良好的火山灰活性。 灰中的２３种微量元素．列于表２。 表３协庄矸石电厂粉煤灰的主要物理性状 表２矸石电厂粉煤灰微量元素质量浓度 ｕｇ，ｇ 样号 Ｃｕ Ｓｅ Ｇｅ Ｇａ Ｂａ Ｐｂ Ａｓ Ｚｎ Ｗ １ ２ ３ １０７ １２．１ Ｃｏ Ｕ Ｒｂ ５５ 物理性状 容重（ ｃｍ 细度（％） 需水量比（％１ ２８天抗压强度比（％） Ｌ．Ｏ．Ｉ（烧失量）（％） 协庄电厂粉煤灰 ０．６４７ １０ ｌ１４ １１ｌ １０．Ｏ９ 全国电厂粉煤灰平均值 ２．１ ５９．８ １Ｏ６ ６６ ８．２ ３２．３ ５ｌ９ ５９ ２４．６ ７２ ２．１ １５．Ｏ ９．０ ６６ １Ｏ．３ Ｏ．５ ７．５ ４６８ ６２ ２６４ ７４ ４４ １１．６ ７．５ ５１ ６１ ７．８ ２６．１ ４２０ ５５ ２２４ ７８ ２．７ ５．８ ８．１ ５５ 样号 Ｔｈ Ｂｉ １ ２ ３ ３８ ３４ ３２ Ｓｒ Ｙ Ｚｒ Ｎｂ Ｍ０ ｝｛ｆ Ｎｉ Ｖ １７０ １３３ ｌ３３ Ｃｒ １．３ ６２７ ４５．Ｏ ３５６ ２７．６ ９４ １１．１ ４４ ５７９ ４０．４ ３５８ ２６．３ ２．１ １２．４ ３４ ３８２ ２９．９ ２８６ ２１．５ １Ｏ．７ ９．８ ３４ ２结论 三个矸石电厂所排粉煤灰的矿物相基本上分为非晶质玻璃体和 晶体矿物两大类，晶体矿物以石英为主．同时含有少量磁铁矿、赤铁矿 注：“一”表示元素含量低于检测限。 由表２看出。三个电厂的粉煤灰中铅、砷等有害元素的含量都比 和长石。粉煤灰的颗粒形态以不规则玻璃体为主，没有发现圆珠状玻 较低，铀、钍等放射性元素的含量也比较低。另外三个灰样的元素含量 璃体存在。三个电厂粉煤灰的烧失量都比较高，这与锅炉温度低、矸石 波动较大．３号灰中绝大多数元素的含量均低于１号灰中元素的含 燃烧不完全有关。另外三个电厂粉煤灰中微量元素未超过农用粉煤灰 量。目前国家尚未颁布粉煤灰中有害物质控制标准，仅提出了对农用 污染控制标准。 粉煤灰污染控制标准的规定。与其相对照，所分析样品的有毒、有害元 三个矸石电厂所排的粉煤灰烧失量都比较大，其中汶河电厂的湿 素的含量除３号灰中Ｍｏ元素略超标外，其余元素含量均低于农用粉 排灰烧失量已超过１５％．电厂可以考虑利用浮选法分选粉煤灰中的碳 煤灰污染控制标准。Ｍｏ（钼）是人体和动植物必需的微量元素，适量的 粒。分选出来的碳粒具有质轻、挥发分低、硫含量低、表面积大、有一定 吸附能力等特点，可以用于砖瓦厂砖坯的内燃燃料，降低能耗及成本； 钼能提高机体的免疫力，抑制病毒在细胞内的繁殖，调节甲状腺功能 等。钼对动物和人体产生的毒性极小，到目前为止还没有因职业性接 利用其表面多 Ｌ特点，作吸附剂或活性炭原料；或作铸铁型砂掺合料 触而发生钼中毒的报道。从总体上看，使用这三个电厂的粉煤灰，其所 及冶炼铁合金碳球还原剂等。协庄电厂的粉煤灰颜色较浅、粒度很细、 含有毒、有害元素不足以对环境产生明显的危害。 比表面积大．铁、钙物质含量比较少，可用于粉煤灰砂浆中，取代传统 １－３颗粒特征 建筑砂浆中某些组分。另外，电厂还可以用粉煤灰作原料生产粉煤灰 粉煤灰是由很多种具有不同结构和形态的微粒组成。通过扫描电 粘土烧结砖．这样既可以节约大量粘土和能源，又能处理大量的粉煤 镜对样品进行详细的形貌分析得知，三个电厂粉煤灰中主要含不规则 灰，有利于环境保护。由于三个矸石电，一都是湿法排放粉煤灰，所以粉 玻璃体、未燃尽碳粒及少量未熔矿物，并未发现圆珠状玻璃体的存在。 煤灰在使用之前必须经脱水处理。ｌ 这主要是由于沸腾炉温度低的缘故，矸石中的矿物在转化为非晶质玻 璃体时，没有经过液相反应，所以呈现各种不规则状、并非圆珠状的形 态。 【参考文献】 ［１］王福元，吴正严，主编．粉煤灰综合利用手册．北京：中国电力出版社，１９９７ 粉煤灰，１９９７（１）：１ｌ一１５． 不规则玻璃体主要包括比表面积较大、疏松多孔、粒径较粗的蜂 ［２］邵靖邦．电厂锅炉类型与成灰特性．［３］涂俊．粉煤灰理化性能及有用组分综合利用研究．硕士毕业论文，１９９８． 窝状玻璃体（图３）、细小的玻璃碎屑（图４）、颗粒粘聚体及细长的玻璃 纤维。蜂窝状玻璃体在形成过程中，有的因部分气体逸出而具有开放 性孔穴．表面呈蜂窝状结构：有的因部分气体未逸出被包裹在颗粒内 ［责任编辑：张慧］ 具有封闭性孔穴，内部呈蜂窝状结构。未燃尽碳粒（图５）是原煤未充