粉煤灰的分选技术

粉煤灰的分选技术

粉煤灰综合利用

FLYASHCOMPREHENSIVEUTILIZATION

2004 NO.2

研究综述

粉煤灰的分选技术

TheTechnologyofClassficationinFlyAsh

钱觉时,施惠生

12

(1.重庆大学材料学院,重庆 4000045;2.同济大学材料学院,上海,200092)

摘 要:首先对粉煤灰颗粒特征进行分析,然后介绍国内外常用的分选手段,最后从集成角度提出粉煤灰分选及新

材料发展的思路。

关键词:粉煤灰;分选;颗粒

中图分类号:X773 文献标识码:B 文章编号:1005-8249(2004)02-0029-05

目前我国粉煤灰年排量已突破1亿吨,远远超过其他国家,但利用率只有40%。目前利用方面存在的问题是:(1)利用技术水平低下,50%以上都是用于路基、回填等;(2)利用地域不平衡。大部分沿海与经济发达地区粉煤灰的利用已达到100%,有些已开始利用陈灰,西部地区仅在大城市有一定的技术和经济优势;(3)相当数量的火电厂设备落后,排放的粉煤灰品质差,波动大,严重影响它的利用;(4)基本上都是直接使用,不进行任何深加工。

粉煤灰是一种非均质物质,在颗粒之间物理、化学性质以及结构形态上有很大差异,如果采用有效的技术加以分选,则能明显提高其资源化程度。1 粉煤灰的颗粒特征

粉煤灰颗粒之间有很大差异。Stevenson等根据粉煤灰的化学组成,将其颗粒分为5种类型:富氧化铁、富氧化钙、富玻璃体、富氧化硅和其它类型。图1给出不同粉煤灰中富钙颗粒(图中标为C)、富玻璃体颗粒(图中标为G)和富硅颗粒(Q)在CaO-SiO2-Al2O3三元系统中的分布情况。

粉煤灰颗粒之间密度差异非常大,从0.4g/cm3到4g/cm范围内变化,通过浮选方法可将其分成不同的颗粒密度范围。这些密度不同的灰粒因形态不同,如中空的玻璃质微珠颗粒密度在0.5g/cm3左右,或因灰的组成不同,如在含铁很高的情况下颗粒密度可达到3g/cm以上。

#

33

[1]

(a)烟煤粉煤灰 (b)亚烟煤粉煤灰 (c)褐煤粉煤灰 图1 不同粉煤灰颗粒在CaO-SiO-Al22O3三元系统中的分布情况

Himmings等采用酒精、三溴甲烷、碘代甲烷混合物,将灰中六种颗粒按密度范围进行分离,然后研究这些密度不同的颗粒分布情况[2]。表1是其试验结果。

表1 不同表现密度粉煤灰颗粒的分布情况

表观密度范围/g/cm3分布情况/%

<0.791.4

0.79~1.57.6

1.5~2.023.2

2.0~2.528.8

2.5~2.8529.2

>2.859.9

有些粉煤灰颗粒具有比较高的铁磁性颗粒,其含量既与灰的化学组成特别是煤的来源有关,也与灰的形成条件有关。Cathcart等采用湿筛分方法将粉煤灰分成4个粒级:150~75Lm,75~45Lm,45~30L,<30Lm,然后研究不同粒级粉煤灰中磁性物质的含量,发现灰的颗粒越粗,磁性物质含量越高。从煤的来源看,高硫煤粉煤灰中磁性物质含量远比低硫煤粉煤灰的高。表2列出磁性物质中磁铁矿与赤铁矿的相对比值S,比值越高磁铁矿的比例越高,比值低于0.9则表明有比较高的赤铁矿含量。

[3]

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表2 粉煤灰中磁性物质含量与粉煤灰种类、粒径的关系

粉煤灰

种类高硫煤粉煤灰

磁性物质含量/%粉煤灰的

粒径范围/Lm试样1试样2150~7575~4545~30<30150~75

低硫煤粉煤灰

75~4545~30<30

34.136.126.513.83.63.22.91.3

45.947.540.922.73.74.34.11.6

磁性物质相对比值S试样10.940.960.960.840.950.950.960.71

试样20.960.950.97840.940.940.940.74

和废气处理方面有很大利用价值。处理利用后的粉煤灰可制作内燃砖,环境处理过程中吸附的有机物经燃烧将被分解,重金属可能被难溶的硅铝酸盐固化。

粉煤灰分选是指采用不同手段将不同特征的颗粒进行分离。分离后的粉煤灰颗粒可按特性进行利用,从而获取更大的经济效益。目前粉煤灰分选类型有筛分、空气分级、浮选、静电分离、磁选等。这些方法在发达国家已有工业化试验与应用,并已开发出生产设备,国内仅在空气分级方面研究与应用比较多。2.1 筛分

筛分可将粒径不同的灰粒进行分离。Sheu等设计了一套三维振动筛分装置,采用74、48和37Lm的孔径筛,得到4种细度的筛分灰,结果显示筛分后不同粒径范围的粉煤灰品质差异很大[4]。大部分研究结果显示,较粗的灰具有高的含碳量[4,8],较细的灰特别适于作水泥混凝土掺合料。试验表明,掺有10Lm以下粉煤灰颗粒的水泥强度3天后就高于纯水泥强度,而掺有45Lm以下粉煤灰颗粒的水泥28天强度也超

过纯水泥强度。筛余的粗灰颗粒在含碳量不太高的情况下可用作混凝土集料,含碳量较高的可与原煤混合再供电厂燃用,也可用作水泥工业的燃料。2.2 空气分级

根据不同粒径粉煤灰的空气动力学特性也可将其进行分级,见图2。同筛分方法相比,空气分级难以除去灰中含碳量较高的较大颗粒。

[8]

粒径不同或颗粒质量不同的粉煤灰颗粒中烧失量(含碳量)差异很大。一般来说,颗粒粒径越大其烧失量越大,质量大的粉煤灰颗粒烧失量越小。表3列出通过筛分和空气分级得到的不同粒径灰的烧失量。

表3 粉煤灰烧失量随粉煤灰粒径的变化

筛分文献[4]

粉煤灰状态烧失量/%

原状灰7.01原状灰2.78原状灰3.21

74Lm筛余20.0

<204.37<451.30

过74Lm筛6.24

过48Lm筛5.24<104.5110~453.19

过37Lm筛3.00<55.54<103.67

空气分级粒径/Lm灰文献[5]烧失量/%空气分级粒径/Lm灰文献[6]烧失量/%

同,这与原煤类型、燃烧方式等有关,但对于同一电厂的粉煤灰在原煤来源比较稳定的情况下,其特征颗粒分布规律变化较小。

2 粉煤灰分选技术与新材料开发

粉煤灰中60%以上的成分为铝硅玻璃体,具有很好的火山灰活性,是良好的混凝土掺合料。这部分颗粒决定了粉煤灰用于混凝土不仅能降低混凝土成本,而且还能改善混凝土性能。通常对用作混凝土掺合料的粉煤灰品质要求很高,有害成分不应超过限值。粉煤灰中还会有5%~10%未完全燃烧的碳分,其在我国很多电厂高达约20%,可作为低品质活性碳用于开发环境治理材料,也可作燃料重新利用。

粉煤灰中有相当比例富铁或富铝颗粒,将其分离出来则有广泛的用途。富铁颗粒可用于制备导电混凝土、机敏混凝土、防磁混凝土,也可作为特殊塑料的填料或作选煤的加重质等,还可开发快硬高强修补材料。

粉煤灰中有2%~5%中空玻璃质微珠,不仅强度高,质量轻,而且有非常好的耐高温性能和耐腐蚀性能。粉煤灰中还含有不定量的粒度非常小的多孔颗粒,具有很大的比表面积和非常强的吸附能力,在废水图2 粉煤灰空气分级示意图

2.3 浮选

最为简单的根据容重分离的方式就是浮选,如颗粒容重小于1的中空粉煤灰可以水为介质采用浮选法分离。

对含碳量较高的粉煤灰颗粒通常采用泡沫浮选法。它是用一种浮选促集剂有选择地粘附在被分选矿

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物表面,使矿物颗粒具有憎水性因而粘附气泡,另一种外加剂为泡沫剂用于稳定气泡。要浮选的矿物粘附一定气泡后上浮表面经溢流堰而被分离。泡沫浮选的可行性取决于不同矿物粘附气泡的能力差异。一般假定粉煤灰中的碳类似于氧化的煤,因此泡沫剂应选用适合于清除被氧化的煤的物质。煤油可用作灰中碳的浮选促集剂,松节油或聚丙烯乙二醇可用作泡沫稳定剂。浮选方式特别适用于湿排粉煤灰。

泡沫浮选方式可清除粉煤灰中90%以上的未燃碳分,使含碳量低于0.5%。选出的具有足够高的含碳部分,可再用作锅炉燃料。湿灰经真空过滤可在1~2分钟内脱至含水率17%~19%,脱水后的粉煤灰可采用传统方法干燥。目前已有每小时处理能力为25吨的装置投入商业运行[9]。2.4 静电分离

粉煤灰中的碳粒和灰粒由于物理化学性质的差异可带有不同电荷,通过外加电场可将含碳量较高的颗粒分出。此法适用于干灰。与浮选法相比,静电分离法对去除灰中含碳量较高的颗粒适用性更强,处理后的灰再利用也更方便。美国有一家公司开发出一种静电分离粉煤灰装置(图3),已投入生产[10]

。

的非磁性颗粒具有比较高的火山灰活性。用非磁性粉煤灰颗粒配制的混凝土流动性更好,火山灰活性也有很大提高,因而是非常好的混凝土活性掺合材,而磁性粉煤灰颗粒则可用于提炼金属铁或作其它用。3 粉煤灰分选技术的应用与研究中存在的问题

我国粉煤灰利用特别是在土木工程方面的应用虽已取得很大成就,但有关粉煤灰的基础研究还很薄弱,对粉煤灰特性认识还很不够,对粉煤灰分选的重要性和经济效益与环境效益也缺乏认识。

美国专利商标局公布的1976年以来涉及flyash名称的专利共有202项,涉及分选技术的约有50项;在早期以富铁粉煤灰颗粒分离技术为主,共有7项,近期则以富炭粉煤灰颗粒分选和分离技术为主,有14项;此外还有根据重力分选或气流分选的专利5项,大都针对单一特征灰粒进行分选,虽然1990年由Hwang申请的/粉煤灰利用的湿处理0(专利号5047145)提出了同时分离粉煤灰中多种特征颗粒的专利技术,首先采用重力分选颗粒密度小于液体介质粉煤灰颗粒,磁选粉煤灰中磁性颗粒,然后加入油、起泡剂等分离粉煤灰中富炭颗粒,但此专利在国内外未见实际应用报导,这可能与余灰不能有效利用有关。我国国家知识产权局公布的专利申请结果显示,自1985年以来申请涉及粉煤灰的专利308项,有关分选的专利只有7项,4项为空心微珠分离,1项为富铁粉煤灰颗粒分离,1项为分离炭的处理技术(美国一家单位申请),1项为空气分级技术。

目前,国内外涉及粉煤灰分选技术及其新材料开发的专利已比较多,但这并不足以说明有关粉煤灰分选技术存在的问题都已解决,只能从一个侧面说明此项研究的重要性和难度,也说明更新、更实用和更先进

图3 静电分离粉煤灰装置示意图

的技术研究的必要。就美国专利授权情况看,有关除炭专利的几项专利名称已非常接近,表明就同一问题不同专利技术都有先进性,但也有其局限性。这一领域申请专利越多,越说明这一领域的研究活跃。

我国在粉煤灰漂珠、沉珠、高碳颗粒、富铁玻璃微珠分选和利用等方面已有较多研究,但与用作建筑材料、回填和筑路材料相比,不仅消纳的粉煤灰量少,而且仅对分选出来的部分进行利用,对大量的分选后余灰利用不够,造成新的污染,经济效益也不明显,且只针对某种类型颗粒的分离,不能同时对粉煤灰进行多

#

2.5 磁选

粉煤灰中的铁很大部分以二价和三价氧化物的形式存在于粉煤灰颗粒中,可采用磁选法使其与其它非磁性颗粒分离开来。磁铁矿(Fe3O4)和尖晶石具有较强的磁性,而赤铁矿具有较弱的磁性,这些氧化物主要是硫铁矿在高温时氧化形成。金属元素Cr、Co、Ni、Mn、Mg、Zn、Cu、Al、V和U通常能置换晶格中的铁而富集于铁氧化物的矿物中。粉煤灰含有较高量的铁,可用磁选方式将含铁量较高的灰粒分离出来,磁选后

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种特征颗粒的分选和利用。目前国内应用最多的还是采用空气分级法(风选)对粉煤灰进行分选,但这种分选方式主要是以提高粉煤灰火山灰品质作为混凝土或水泥掺合料为目的,没有考虑其他新材料的开发,这一思路也限制了粉煤灰分选技术的推广,而现有常用的空气分级方式的效率也不高。

此外,我国关于粉煤灰颗粒特征的研究非常薄弱,很多电厂对灰粒特征缺乏基本了解。因此对粉煤灰进行分选还有很多工艺与技术甚至理论问题有待深入。4 关于粉煤灰分选技术发展的思考

我国煤碳资源分布很不平衡,煤碳资源比较丰富的西部地区,受运输条件限制,那里的煤主要用于发电,然后西电东送,造成粉煤灰排放量巨大。由于这一地区经济不发达,粉煤灰用量有限,加上其他可用的建筑材料比较丰富,粉煤灰只在大城市周围有一定程度的应用。在我国进行粉煤灰分选及新材料开发非常必要,如能将特征颗粒进行有效分离,不仅可以促进灰的利用,还能产生非常大的经济效益。目前粉煤灰分选还有很多问题有待进一步研究。图4是针对干排粉煤灰和湿排粉煤灰从现有技术集成角度提出的两种粉煤

灰分选与新材料开发的思路。

图4 多特征粉煤灰颗粒分选及新材料开发过程示意图

对于不同粉煤灰来说,存在多种可供选择的分选工艺。例如当粉煤灰的可磁选分离性差时可跳过磁选过程,当灰的含碳量比较低时可不经除碳过程。应当指出,粉煤灰分选及新材料开发还有很多其它可供选用的工艺与技术,但任一新技术或新材料的开发都应考虑到全部灰的利用,且不能给环境带来新的负担。5 结束语

由于粉煤灰颗粒之间的物理化学性质上的差异,采用分选技术将特征颗粒进行一定程度的分离是可能的。从经济角度来看,粉煤灰分选如能实现多种特征颗粒同时分离,将是很重要的,而且必须考虑所有粉煤灰的利用,且不给环境带来新的污染。此外,还应进一步加强特征颗粒粉煤灰新材料的开发,这不仅能促进粉煤灰的利用,而且还能提高粉煤灰的资源化程度。粉煤灰颗粒特征因原煤来源、锅炉类型、收尘装置以及排放方式不同而有很大差异,在采用任一分选技术前对灰粒特征进行比较系统的研究非常必要。

本研究得到混凝土材料研究国家重点实验室开发基金和上海市重点学科开发经费资助,特此致谢!

参 考 文 献

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westernU.S.flyash.In:MATERIALSRESEARCHSOCIETYSYMPOSIAPROCEEDINGS,Vo.l86,1987,99~108

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(1997).Chemical,mineralogicalandmagneticcharacterizationofsizedflyashfromacoa-lfiredpowerplantinKentuchy.In:1997InternationalAshUtilizationSymposium,October20~22,1997,Lexington,Kentuchy,785~792

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研究综述

环境材料的研究现状与展望

PresentStateandProspectsontheInvironmentalMaterial

*

李 琴,翟建平,吕慧峰,聂 荣

(南京大学环境工程系,污染控制与资源化研究国家重点实验室,南京,210093)

摘 要:环境材料是一门介于环境科学和材料科学之间的新兴边缘学科。本文论述环境材料的基本概念及主要研究内容;重点介绍目前主要开发研究的几种环境材料;最后对环境材料在我国的发展前景作了展望。

关键词:环境材料;环境相容材料;可生物降解材料;环境工程材料。

中图分类号:X24 文献标识码:B 文章编号:1005-8249(2004)02-0033-03

环境问题是当今社会发展所面临的三大主要问题之一。人们在创造空前巨大的物质财富和前所未有的社会文明的同时,也在不断破坏其赖以生存的环境。从资源、能源和环境的角度考虑,材料的提取、制备、生产、使用和废弃的过程,实际上是一个资源和能源消耗及环境污染的过程:材料一方面推动着人类社会的物质文明;而另一方面又大量消耗资源和能源,并在生产、使用和废弃过程中排放大量的污染物,危害环境和恶化人类赖以生存的空间。现实要求人类从环境保护角度出发,重新认识和评价人类过去在材料研究、材料开发、材料使用和材料回收等方面的行为。环境材料的出现是现代文明社会的理智决择,也是人类当前和

未来发展的必由之路。1 环境材料的概念

1990~1991年,日本学者山本良一提出了环境调和型材料(EnvironmentConsciousnessMaterials)的概念[1],通常简称为环境材料(ecomaterials),并指出环境材料是指那些具有较低环境负荷和较大再生率的材

料。他认为,环境材料是一个指导性的原则,目的是防止对环境的损害,在人类活动中对自然资源的保护和保证材料有较好的性能等。他也承认环境材料本身不是一个确定的概念,而是一个动态和发展的概念。

[4] T.C.Sheu,L.W.Quo,S.T.Kuo.ClassFfineash.In:MATERIALS

RESEARCHSOCIETYSYMPOSIAPROCEEDINGS,Vol.178,1990,159~166

[5] K.Ukita,S.ShigematsuandM.Ishii.Improvementsintheproperties

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incocrete,ProceedingsThirdInternational

Conference,Trondheim,Norway,June,18~23,1989,219~240[6] E.E.Berry,R.T.Hemmings,ngleyandG.G.Carette.Bene-ficiatedflyash:hydration,microstructrueandstrengthdevelopmentinPortlandcementsystem.In:Flyash,silicafume,slag&naturalpoz-zolansinconcrete,ProceedingsThirdInternationalConference,Trondheim,Norway,June18-23,1989,241~274

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[10]N.G.Thompson,D.Whitlock,J.Bitter,A.VasilauskasandE.Tondu.

Commercialseparationofunburntcarbonfromflyash.In:1995In-ternationalAshUtilizatonSymposium,Oct.23~15,Lexington,Ken-tuchy

*基金项目:南京大学分析测试资助项目

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/bhg1.html