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矸石电厂粉煤灰组成及形貌特征分析
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矸石电厂粉煤灰组成及形貌特征分析

矸石电厂粉煤灰组成及形貌特征分析

【摘要】 目的了解矸石电厂粉煤灰的组成，指导其综合利用。方法运用化学分析、X射线衍射、扫描电镜观察和能谱分析等手段，重点对70 μm以下矸石电厂粉煤灰的化学组成、物相组成和形貌特征，进行了全面分析。结果该类固体废弃物以非晶态的硅铝质成分为主，按形貌特征可大致分为碳粒聚集体、丘状颗粒和片状颗粒。结论矸石电厂粉煤灰为低温燃烧产物，组成及形貌特征与燃煤电厂粉煤灰存在较大差异。

【关键词】 矸石电厂粉煤灰组成形貌特征

　　Research on Ingredients and Appearance Character of Ganguecombustion Fly Ash

　　DANG Guangyao, ZHANG Wenping, WU Shoulin

　　(Chemistry and Chemical Eng. School, TSMC, Taian, Shandong 271000 )

　　Abstract: Objective: To make clear of the composition of ganguecombustion fly ash under 70 μm and benefit its comprehensive utilization. Methods: Chemistry analysis, Xray, SEM, and EDA are carried out on its chemical ingredients, substance phases and appearance characters. Results: The data indicate that it's mainly composed of uncrystal silicon and aluminum substances, and can be approximately classified as carbon congeries, moundlike grain and slicelike grain. Conclusion: Ganguecombustion fly ash is lowtemperature fired production, and the ingredients and appearance character is in great difference with coalcombustion fly ash.

　　Key words: ganguecombustion fly ash; ingredients; appearance characters

　　粉煤灰是一种重要的固体大气污染物，关于燃煤电厂粉煤灰性质、危害及应用的研究已有较长历史，而对近年来排放量日益增加的矸石电厂粉煤灰的研究还很少。

　　矸石电厂所用燃料为采矿过程中产生的煤矸石，是一种低热值燃料，热值通常在10 MJ/kg以下［1］（收到基低位发热量）。相对燃煤为主的煤粉炉，矸石电厂粉煤灰的形成过程基本相似，但由于所用燃料的性质、燃烧方式、燃烧温度、燃料在炉内停留时间等方面存在较大差别，所形成的粉煤灰的性质也各不相同。了解矸石电厂粉煤灰的组成及物理化学性质，对全面掌握其特性，研究污染机制综合征及污染控制手段，指导该类固体废弃物的综合利用都有重要意义。

　　1 化学组成分析

　　研究中对新汶矿业集团良庄、协庄和华丰等矸石电厂粉煤灰进行了采样，并进行了化学分析，结果如表1所示。

　　表1 新汶矿业集团部分矸石电厂粉煤灰化学组成（略）

　　由上表可知，研究区各矸石电厂粉煤灰均以氧化硅、氧化铝和氧化铁为主要成分。氧化硅含量都在50％以上，其中华丰电厂和协庄电厂的氧化硅含量达到了接近60％；氧化铝含量较高，除协庄电厂外均在20％以上；氧化铁含量远大于通常燃煤电厂粉煤灰［2］，这是研究区各电厂粉煤灰的显著特点，其中又以良庄电厂粉煤灰含量最高。

　　此外，与燃煤电厂粉煤灰烧失量较低且相对稳定不同，研究区各矸石电厂粉煤灰的烧失量变化很大，这与电厂的燃烧工况有很大关系。通常情况下，矸石电厂采用循环流化床锅炉做燃烧设备，其最大特点是蓄热量大，变工况工作能力强，即使在30％负荷下仍能正常点火燃烧［3］，由此造成燃料燃烧程度差别悬殊。

　　通过化学分析可知，在所采样品中，良庄电厂粉煤灰较具代表性，所以此次研究选择良庄电厂粉煤灰为研究对象。

　　研究中对良庄电厂粉煤灰样品进行了筛分，按其粒径分为四个等级，并测定了相应的质量百分含量，具体结果如下：

　　表2 粉煤灰粒径分级（良庄电厂）（略）

　　对比各粒径粉煤灰所占的质量百分比，可明显看出，在样品中70 μm以下颗粒占到了绝大多数。因此，研究中以70 μm以下颗粒为对象做重点分析。

　　2 物相组成分析

　　为了解研究区矸石电厂粉煤灰的物相组成，研究中对所采样品进行了X射线衍射分析(铜靶kα射线，测量间隔0.02°，测量速度5°/min)，结果如下：

　　图1 良庄矸石电厂粉煤灰X射线衍射分析图谱（略）

　　由X衍射图谱可看出，在15～35°衍射角范围内出现了明显的丘状衍射峰，表明非晶态物质较多［4］；矿物组成主要是石英（4.279、3.358、2.481、2.286、2.242、2.133、1.984、1.839、1.674、1.597、1.544），还含有少量莫来石（5.453、3.459、3.202、2.701、2.519）、长石（3.25）、石膏（7.681、4.493、3.877、3.07、2.861），赤铁矿的量不大，但衍射峰比较齐全（3.686、2.701、2.519、2.246、2.209、2.133、1.839、1.692、1.597、1.485）。

　　3 形貌特征分析

　　该粒径范围的颗粒约占粉煤灰总质量的63.4%，是构成粉煤灰的主要部分。为总体了解该粒径范围粉煤灰的形貌特征，在低倍扫描电镜下对其进行了观察，照片如下：

　　图2 70 μm以下粉煤灰全貌（略）

　　由照片可看出，粉煤灰形状不规则，大小不均匀，大体可分为团粒状、丘状和片状三种类型，各种形态的颗粒相间分布，无明显聚集特征。其中团粒状颗粒较少，结构蓬松；丘状颗粒分布范围较广，数量大，粒径大小不一，局部依稀可见片层结构，细部需作进一步放大观察；片状颗粒边缘粗糙，表面无明显丘状突起，并有不均匀气泡孔洞分布，孔径较小，细部需进一步放大观察。针对这三种主要形态，选取较有代表性的颗粒进行了局部放大，并采集照片如下：

　　能谱分析发现，团粒状颗粒（图3）的图谱中几乎没有峰状突起。由物相分析可知，粉煤灰中原子量小于12的元素只有碳元素以常量存在，所以基本可断定，该种团粒状颗粒的成分是未燃尽的碳粒。通过镜下观察发现，以如此高聚集度形式单独存在的碳粒很少，大部分的未燃尽碳是以非常细小的烧结体形式覆盖在丘状颗粒的表面。

　　丘状颗粒数量较大，粒径分布较广，大部分长轴最大直径在10～40 μm之间。通过对丘状颗粒（图4）的观察，可发现在颗粒表面有一层带有微小突起的烧结体，利用探针对其作能谱分析表明，这层烧结体为烧结的碳粒粘聚体；在该烧结体下可看到类似基底的突起，周边有片层结构，使整个颗粒成丘状。对整个颗粒的能谱分析显示（图6），除未燃尽碳外，颗粒中以硅、铝为主要成分，同时含有镁、钾等其它元素。从燃烧程度来说，这部分丘状颗粒应属于低温燃烧的产物，燃料中的矿物成分发生了部分转变，但整体形貌未发生大的变化，仍部分保留机械磨损所产生的较为圆润的棱角特征；同时，相对其他粒径的丘状颗粒，由于其粒径相对较小，烧结更充分，表面生成的熔融态物质较多，使其易于粘聚未燃尽碳；又由于颗粒细小，表面积大，数量可观，因此，所粘聚的碳量也较大。

　　图6 70μm以下丘状颗粒能谱分析（略）

　　另外一种在该粒径范围内大量存在的颗粒是表面有微小气孔存在的片状颗粒（图5），长轴最大直径在20～70 μm不等，厚度不超过10 μm，无烧结体覆盖。能谱分析表明，该颗粒以硅、铝成分为主，其它成分很少，可判定该颗粒为玻璃烧结体。片状玻璃烧结体的出现表明，在锅炉运行过程中温度较高，但尚不足以形成玻璃微珠，其形成温度应在1000 ℃以下；另一方面也反映出片状颗粒较丘状颗粒具有较好的烧结性。玻璃烧结体在矸石电厂粉煤灰中应属于烧结程度较高的部分，结合燃烧过程的分析，该烧结体的前身应是可燃成分较为集中的颗粒，可燃物的燃烧使其熔融，并在燃烧后留下大量细小孔洞。玻璃体烧结过程中，熔融部分在表面张力作用下发生收缩，由于烧结温度不很高，各部熔融程度不同，冷却过程中造成熔融后的液膜撕裂，形成细小孔洞。

　　4 结论

　　通过对良庄矸石电厂粉煤灰进行化学分析、扫描电镜观察，并结合能谱分析，可得到如下结论：

　　（1）研究区矸石电厂粉煤灰以氧化硅、氧化铝和氧化铁为主要成分。氧化铁含量远大于通常燃煤电厂粉煤灰，是研究区各电厂粉煤灰的显著特点。

　　（2）粉煤灰中非晶态物质较多，矿物组成主要是石英，还含有少量莫来石、长石、石膏等物质。

　　（3）扫描电镜观察，70 μm以下颗粒可基本分为未燃尽碳粒聚集体、表面覆盖碳粒粘聚体的丘状颗粒和多孔片状玻璃体。单纯的碳粒聚集体很少；丘状颗粒数量较大，绝大多数未燃尽碳以细小粘聚体的形式存在于丘状颗粒表面；多孔片状玻璃体应为燃料集中燃烧后的高温熔融产物。这些形貌特征反映出该类粉煤灰基本属低温燃烧产物。

【参考文献】
　　［1］徐通模,金定安. 锅炉燃烧设备［M］.西安：西安交通大学出版社,1993.11.

　　［2］王福元,吴正严. 粉煤灰利用手册［M］.北京:中国电力出版社,1999.

　　［3］冯俊凯. 循环流化床锅炉燃烧设备［M］.北京:中国电力出版社,2003.

　　［4］素木洋一著，刘达权，陈世兴译.硅酸盐手册［M］.北京：轻工业出版社，1988.6.

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