1、粉煤灰的組成結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及其綜合利用粉煤灰是現(xiàn)代燃煤電廠的副產(chǎn)品，它是一種固體廢棄物，如果不合理處理，不僅占用耕地，造成土壤、大氣、水體等污染，而且危害人體的健康和生態(tài)環(huán)境。據(jù)不完全統(tǒng)計，目前歐美發(fā)達(dá)國家粉煤灰的利用率已高達(dá)70%80%，而我國的利用率大約在30%40%。因此，加大對粉煤灰綜合利用的研究和開發(fā)顯得日益重要。粉煤灰的危害 粉煤灰的形成 粉煤灰是在燃煤供熱、發(fā)電過程中，磨成一定細(xì)度的煤粉在煤粉爐中經(jīng)過高溫燃燒后，由煙道氣帶出并經(jīng)收塵器收集的粉塵。 煤炭在鍋爐中燃燒后有兩種固態(tài)殘留物灰和渣。隨煙氣從鍋爐尾部排出，經(jīng)除塵器收集下來的固體顆粒即為粉煤灰；顆粒較大或呈塊狀的，從爐膛底部收集出

2、來的稱為爐底渣。 粉煤灰的形成 粉煤灰是在燃煤供熱、發(fā)電過程中，磨成一定細(xì)度的煤粉在煤粉爐中經(jīng)過高溫燃燒后，由煙道氣帶出并經(jīng)收塵器收集的粉塵。 煤炭在鍋爐中燃燒后有兩種固態(tài)殘留物灰和渣。隨煙氣從鍋爐尾部排出，經(jīng)除塵器收集下來的固體顆粒即為粉煤灰；顆粒較大或呈塊狀的，從爐膛底部收集出來的稱為爐底渣。燃煤鍋爐細(xì)粉煤灰燃煤鍋爐粗粉煤灰 煤粉達(dá)熔融后由于表面張力作用，煤粉的棱角收縮，使顆粒成為球狀，球狀顆粒在氣流中漂浮，離開高溫區(qū)進(jìn)入溫度較低的區(qū)域，淬火成為中空、厚壁的球狀顆粒。用SEM 光學(xué)顯微鏡觀察表明，粉煤灰由多種粒子組成，其中球形顆粒占總量的60%以上，球形顆粒中空心微珠占3845%，不規(guī)則和

3、多孔玻璃體占3840%，加上磁珠、漂珠總量可達(dá)90%以上。這些玻璃體經(jīng)過高溫煅燒儲藏了較高的化學(xué)內(nèi)能，是粉煤灰活性的來源。用SEM 光學(xué)顯微鏡觀察表明，粉煤灰由多種粒子組成，其中球形顆粒占總量的60%以上，球形顆粒中空心微珠占3845%，不規(guī)則和多孔玻璃體占3840%，加上磁珠、漂珠總量可達(dá)90%以上。這些玻璃體經(jīng)過高溫煅燒儲藏了較高的化學(xué)內(nèi)能，是粉煤灰活性的來源。用SEM 光學(xué)顯微鏡觀察表明，粉煤灰由多種粒子組成，其中球形顆粒占總量的60%以上，球形顆粒中空心微珠占3845%，不規(guī)則和多孔玻璃體占3840%，加上磁珠、漂珠總量可達(dá)90%以上。這些玻璃體經(jīng)過高溫煅燒儲藏了較高的化學(xué)內(nèi)能，是粉煤

4、灰活性的來源。粒徑為25m300m，平均粒徑為40m，孔隙率為60 75，粉煤灰具有多孔結(jié)構(gòu)，比表面積一般為25005000 cm2/g。 36種低鈣粉煤灰的化學(xué)成分 粉煤灰的化學(xué)成分36種低鈣粉煤灰的化學(xué)成分 粉煤灰的化學(xué)成分36種低鈣粉煤灰的化學(xué)成分 粉煤灰的化學(xué)成分 粉煤灰的礦物組成32個電廠68種典型粉煤灰的礦物組成 粉煤灰的礦物組成32個電廠68種典型粉煤灰的礦物組成粉煤灰中的晶體礦物莫來石 3Al2O32SiO2石英 SiO2磁鐵礦 Fe3O4，赤鐵礦Fe2O3硬石膏 CaSO4少量CaOC3A和黃長石 （高鈣條件下） 剛玉Al2O3（高鋁硅比的條件下）粉煤灰中的玻璃體純SiO2緩

5、慢冷卻，結(jié)晶成為方石英，穩(wěn)定的晶態(tài)為硅氧四面體。每個硅原子與4個氧原子相連，長程有序。熔融SiO2淬冷會形成玻璃態(tài)。短程有序，仍為硅氧四面體。與晶體相似，但發(fā)生扭曲從而長程無序。 粉煤灰的Al2O3 含量正常范圍在2030%，一般高于40%以后，粉煤灰形成較多的莫來石。高鋁粉煤灰常引起玻璃相的減少，使活性降低。SiO2 的含量是玻璃體的主要成分，SiO2 越多，活性越大。 粉煤灰的結(jié)構(gòu)分析X射線衍射（XRD）判斷礦物組成（晶體種類），判斷玻璃相與晶體比例高低。掃描電子顯微鏡（SEM）研究形貌、尺寸。微米尺度上粉煤灰是明顯非均質(zhì)。 粉煤灰的SEM照片 爐渣的SEM照片 粉煤灰綜合利用其綜合利用主

6、要包括如下幾個方面：作水泥混合材或混凝土摻合料；作燒結(jié)制品的原料；作免燒硅酸鹽制品的原料；作保溫隔熱材料；改良土壤，作農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用；利用粉煤灰處理廢水。作水泥混合材或混凝土摻合料作水泥混合材或混凝土摻合料粉煤灰在混凝土中功能的三個基本效應(yīng)：形態(tài)效應(yīng) 屬物理效應(yīng)。指粉煤灰顆粒形貌、粗細(xì)、表面粗糙度、級配等在混凝土中產(chǎn)生的效應(yīng)。主要影響混凝土拌合物的需水量和流變性質(zhì)。 活性效應(yīng) 硅酸鹽化學(xué)反應(yīng)。 低鈣粉煤灰的玻璃體中活性SiO2及Al2O3與CaO的反應(yīng)。微集料效應(yīng)研究發(fā)現(xiàn)水泥水化后，未水化的粒芯的強(qiáng)度比水化產(chǎn)物的強(qiáng)度還高，且與凝膠的結(jié)合甚好。此稱為微集料效應(yīng)。但用過多水泥，代價太高。具玻璃微珠

7、形態(tài)的粉煤灰有較高的強(qiáng)度，粉煤灰與水泥漿界面處的強(qiáng)度高于水泥凝膠。且具有減水作用，宜用作微集料，可提高水泥漿體強(qiáng)度。且摻粉煤灰的水泥漿體，毛細(xì)孔隙細(xì)化、致密，提高耐久性。 利用粉煤灰作燒結(jié)制品為何燒失量高的粉煤灰適合于作燒結(jié)制品的原料？ 利用粉煤灰作免燒硅酸鹽制品 蒸壓加氣混凝土砌塊粉煤灰：主要提供SiO2、Al2O3；石灰：提供CaO；石膏：少量，激發(fā)活性，并調(diào)節(jié)稠化時間；水泥：少量，主要保證坯體早期強(qiáng)度。生產(chǎn)工藝：原料加水?dāng)嚢枳⑷肽?nèi) 發(fā)氣，凈停 切割 蒸壓 產(chǎn)品出釜，堆存。粉煤灰在農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用可改良土壤，減少粘土堆積密度，增加孔隙，增加硅、鋅等元素含量，部分可調(diào)整土壤pH值。注意適量。

8、利用粉煤灰處理廢水粉煤灰中含有CaO、MgO 等堿性物質(zhì)，對酸性廢水具有中和能力，其比表面積較大，具有良好的吸附性能。例1：東莞摩天加氣混凝土砌塊公司原生產(chǎn)正常，有一段時間工藝流程、配方?jīng)]改變，但蒸壓制品強(qiáng)度明顯下降。經(jīng)分析，強(qiáng)度低時所用的粉煤灰M1的鋁高硅低，請分析原因。 表粉煤灰的化學(xué)組成（） 粉煤灰燒失量SiO2Al2O3CaOFe2O3MgOR2OSO3M14.540.6240.534.555.810.890.540.68M24.7552.7323.896.774.940.710.560.68表粉煤灰的化學(xué)組成（） 粉煤灰燒失量SiO2Al2O3CaOFe2O3MgOR2OSO3M14

9、.540.6240.534.555.810.890.540.68M24.7552.7323.896.774.940.710.560.68表4 粉煤灰的玻璃相含量粉煤灰試驗前重量(mg)實驗后重量(mg)玻璃相含量M1500335.132.98%M2500205.158.98%表4 粉煤灰的玻璃相含量粉煤灰試驗前重量(mg)實驗后重量(mg)玻璃相含量M1500335.132.98%M2500205.158.98%結(jié)合表4可知，鋁硅比較高的粉煤灰M1的玻璃相含量遠(yuǎn)低于鋁硅比較低的粉煤灰M2的玻璃相含量。粉煤灰M1的XRD分析 粉煤灰M2的XRD分析XRD分析顯示，粉煤灰M1的主要礦物組成是剛玉（

10、-Al2O3）、莫來石和玻璃相等，這表明粉煤灰M1中有部分Al2O3是以剛玉的形式存在；粉煤灰M2的主要礦物組成則是石英（SiO2）、莫來石和玻璃相等。XRD分析顯示，粉煤灰M1的主要礦物組成是剛玉（-Al2O3）、莫來石和玻璃相等，這表明粉煤灰M1中有部分Al2O3是以剛玉的形式存在；粉煤灰M2的主要礦物組成則是石英（SiO2）、莫來石和玻璃相等。粉煤灰的活性來源，從物相結(jié)構(gòu)上看，主要來自玻璃體，玻璃體含量越高，活性也越高。根據(jù)表4可知，粉煤灰M1的玻璃相含量明顯要低于粉煤灰M2的玻璃相含量，其玻璃相含量低，能參與反應(yīng)的組分少，這是導(dǎo)致其蒸壓制品強(qiáng)度較低的一個因素。粉煤灰的活性來源，從物相結(jié)

11、構(gòu)上看，主要來自玻璃體，玻璃體含量越高，活性也越高。根據(jù)表4可知，粉煤灰M1的玻璃相含量明顯要低于粉煤灰M2的玻璃相含量，其玻璃相含量低，能參與反應(yīng)的組分少，這是導(dǎo)致其蒸壓制品強(qiáng)度較低的一個因素。對蒸壓試樣SS1和SS2做XRD分析和掃描電鏡分析。XRD分析顯示摻粉煤灰M1的試樣SS1除了有托貝莫來石和硬硅鈣石等水化產(chǎn)物外，還有剛玉；而摻粉煤灰M2的試樣SS2的水化產(chǎn)物主要是托貝莫來石和硬硅鈣石。這表明剛玉在蒸壓過程中可能難以參加反應(yīng)。 對蒸壓試樣SS1和SS2做XRD分析和掃描電鏡分析。XRD分析顯示摻粉煤灰M1的試樣SS1除了有托貝莫來石和硬硅鈣石等水化產(chǎn)物外，還有剛玉；而摻粉煤灰M2的試

12、樣SS2的水化產(chǎn)物主要是托貝莫來石和硬硅鈣石。這表明剛玉在蒸壓過程中可能難以參加反應(yīng)。 粉煤灰及爐渣的性能特點與合理利用研究 粉煤灰及爐渣的化學(xué)組成 由表可知，爐渣中的SiO2 及Al2O3含量低于粉煤灰，而爐渣的燒失量及Fe2O3含量高于粉煤灰。 SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO K2O SO3 Loss 粉煤灰 51.219.811.36.6 0.7 0.8 0.82.9爐 渣 47.115.3 14.74.6 0.9 0.7 3.410.1 粉煤灰 煤粉爐渣 表5 粉煤灰和爐渣的玻璃相含量 從表5可知，粉煤灰的玻璃相含量低于爐渣的玻璃相含量。 試驗前重(mg) 實驗后重量

13、(mg) 玻璃相含量 粉煤灰 500 314 37.2% 爐 渣 500 265 47.0% 粉煤灰的SEM照片 爐渣的SEM照片 從圖可以看出：粉煤灰的顆粒以球狀為主，表面較為圓滑；相比之下，爐渣的顆粒大部分形極不規(guī)則的塊狀，表面粗糙。粉煤灰和爐渣用作水泥混合材或混凝土摻合料時，形態(tài)效應(yīng)對水泥砂漿的3d、28d強(qiáng)度起主要作用。而爐渣的形態(tài)效應(yīng)不如粉煤灰，使得爐渣在常溫常壓下用作混合材或摻合料時的性能差于粉煤灰。從圖可以看出：粉煤灰的顆粒以球狀為主，表面較為圓滑；相比之下，爐渣的顆粒大部分形極不規(guī)則的塊狀，表面粗糙。粉煤灰和爐渣用作水泥混合材或混凝土摻合料時，形態(tài)效應(yīng)對水泥砂漿的3d、28d強(qiáng)

14、度起主要作用。而爐渣的形態(tài)效應(yīng)不如粉煤灰，使得爐渣在常溫常壓下用作混合材或摻合料時的性能差于粉煤灰。 粉煤灰與爐渣在水熱條件下的反應(yīng)活性 爐渣及粉煤灰對硅酸鹽蒸壓制品強(qiáng)度的影響 由表可知，隨爐渣取代粉煤灰的量增加，蒸壓制品抗壓強(qiáng)度隨之提高。即爐渣在水熱條件下的反應(yīng)活性要優(yōu)于粉煤灰。編號 水泥 % 砂粉 % 石灰 % 粉煤灰 % 爐渣 % 石膏% 抗壓強(qiáng)度MPa A0 82218520222.7 A1 822183517223.9 A2 822181735228.5 A3 82218052229.1 試樣A3 SEM分析結(jié)果試樣A0 SEM分析結(jié)果 從圖可見，粉煤灰試樣與爐渣、粉煤灰復(fù)合試樣相比，后者水化產(chǎn)物數(shù)量及形貌較多、搭接更緊密。粉煤灰和爐渣中的活性SiO2、Al2O3的含量 活性SiO2 活性Al2O3 粉煤灰 3.1 4.3 爐 渣 4.4 5.8 從表可知，粉煤灰的活性SiO2、Al2O3含量低于爐渣的活性SiO2、Al2O3含量。 水熱條件下，粉煤灰、爐渣對蒸壓制品強(qiáng)度的貢獻(xiàn)主要由粉煤灰和爐渣中的活性SiO2、Al2O3含量決定。 爐渣的玻璃相含量和活性SiO2、Al2O3含量都高于粉