電廠粉煤灰分選玻璃微珠的試驗(yàn)研究

孫加亮，周玉生，周明吉，劉 珊，劉建輝

(億利資源集團(tuán)有限公司，北京市100031)

現(xiàn)代火力發(fā)電廠鍋爐都采用磨細(xì)煤粉作為燃料。當(dāng)煤粉噴入爐膛中，就以細(xì)顆?；驁F(tuán)的形式進(jìn)行燃燒，充分釋放熱能。燃燒后的灰渣根據(jù)原煤灰分含量不同，一般占原煤質(zhì)量15% ～40%?；以ǚ勖夯一蝻w灰(約占總灰渣70% ～80%)和爐底灰或灰渣(約占總渣的15%～30%)。粉煤灰是自然界不存在的由人工過程產(chǎn)生的粉狀礦物質(zhì)資源。其中含有硅、鋁、鐵、鈣，還有少量的鎂、鈦、硫、鉀、鈉和磷，還有砷、鎘、汞、鉛和鋅等多種微量元素。

粉煤灰中的玻璃微珠是一種寶貴的多功能顆粒材料，它是燃煤電廠排出的一種細(xì)小、輕質(zhì)、表面光滑、中空的球型顆粒，其主要化學(xué)成分是硅、鋁、鐵的氧化物，占粉煤灰總量的30%～50%，是粉煤灰高級利用的重要產(chǎn)品。它具有質(zhì)輕、粒徑小、耐磨性強(qiáng)、抗壓強(qiáng)度高、分散流動(dòng)性好、反光、無毒等優(yōu)良性能，可代替造價(jià)較高的人造空心微珠，廣泛應(yīng)用于建材、橡膠、塑料、化工、電子、航天等領(lǐng)域，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

1 玻璃微珠的分選

從粉煤灰中分選微珠是實(shí)現(xiàn)粉煤灰及其微珠綜合利用，變廢為寶的前提和基礎(chǔ)，由于各電廠燃用的煤種、煤質(zhì)和鍋爐的爐型、運(yùn)行狀態(tài)、排灰方式等差異，形成的粉煤灰的形態(tài)結(jié)構(gòu)，物理和化學(xué)性質(zhì)及形成各種珠體的數(shù)量和粒度等也有所差異，所需采用的分選工藝也有所區(qū)別。分選工藝分干法分選和濕法分選，濕法是以液態(tài)為介質(zhì)，利用空心微珠的比重不同進(jìn)行分選，從分選的效果來看，濕法比干法好，得到的漂珠和沉珠特別純，質(zhì)量特別高，可代替許多金屬材料用于許多領(lǐng)域[1]。

億利能源化工循環(huán)經(jīng)濟(jì)園區(qū)內(nèi)形成了“煤－煤矸石發(fā)電－離子膜燒堿－PVC－PVC深加工－”工業(yè)廢渣制水泥"的一體化循環(huán)產(chǎn)業(yè)鏈，并建有自備電廠供PVC生產(chǎn)，有大量的粉煤灰生產(chǎn)能力，為粉煤灰綜合利用提供了有利條件。本文以自備電廠粉煤灰為原料，以水為介質(zhì)，采用簡易磁選，分選漂珠、沉珠和磁珠，并檢測其性質(zhì)。

1.1 試驗(yàn)原料

試驗(yàn)所用灰樣取自億利化學(xué)公司自備電廠，化學(xué)成分見表1。

表1 粉煤灰化學(xué)組成 /%

1.2 粉煤灰篩分

取粉煤灰500g，用標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)篩進(jìn)行篩分，選取篩子分別為100目、150目、200目、250目、300目、325目、400目，篩分結(jié)果見圖1。從圖1可知，粉煤灰粒徑從50目至400目均有分布，250目粒徑的占比最大，大部分落入200～325目之間。

圖1 粉煤灰粒徑分布圖

1.3 玻璃微珠分選

粉煤灰玻璃微珠通常包含3種形態(tài)，即漂珠、沉珠和磁珠，漂珠是密度小于1g/cm3的微珠，沉珠是密度大于1g/cm3的微珠，磁珠是含鐵量較高、能夠被磁吸附的空心微珠。根據(jù)各組分的特性可進(jìn)行單獨(dú)分選或組合分選。

粉煤灰中漂珠密度小于1g/cm3，其它成分密度大于1g/cm3，因此漂珠漂浮于水面上，可利用水為介質(zhì)分選。稱取1000g粉煤灰，將之盛放于大燒杯中，從底部注入自來水，攪拌、沉降，撈取上層漂珠;繼續(xù)進(jìn)行攪拌，沉降，撈漂珠的操作，重復(fù)進(jìn)行5次，將不再有漂浮物。將撈取的漂珠進(jìn)行抽濾，除水，放于干燥箱中烘干，得到1.4g漂珠。粉煤灰中漂珠含量只有0.14%，非常少。

粉煤灰中磁珠富含 Fe、Fe2O3、Fe3O4，具有鐵磁性，可通過磁選方法進(jìn)行分選。試驗(yàn)采用永磁體，將粉煤灰中含鐵磁珠選出來，直到不再有含磁物質(zhì)，然后進(jìn)行干燥，稱量得到磁珠 252g，粉煤灰中磁珠含量25.2%。

將提取完漂珠、磁珠的粉煤灰，只剩下沉珠、少量炭粒和雜質(zhì)等，進(jìn)行抽濾，干燥后獲得沉珠。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 提取物元素分析

粉煤灰的化學(xué)成分與燃用煤種有關(guān)，按照美國(ASTMC618－80)的劃分標(biāo)準(zhǔn)，燃用無煙煤和煙煤的粉煤灰劃為F類，其CaO＜10%;而燃用褐煤及次煙煤者為 C類，其 CaO＞10%[2]。粉煤灰中不同顆粒類型，其化學(xué)成分有明顯的差異。漂珠中SiO2與Al2O3大于沉珠，而 Fe2O3，CaO，K2O，MgO 等金屬氧化物低于沉珠;磁珠以Fe2O3為主，且CaO與MgO含量稍高。粉煤灰各種珠體元素分析見表2。

表2 粉煤灰各種珠體的化學(xué)成分 /%

2.2 玻璃微珠SEM分析

用掃描電鏡對粉煤灰，沉珠，磁珠進(jìn)行了表征，見圖2。從圖2可以看出粉煤灰中玻璃微珠是規(guī)則的圓球型，顆粒大小不一，且在球面有雜質(zhì)。磁珠是含有鐵磁性的玻璃微珠，從圖(b)可知，粒徑主要有2種，大部分粒徑比較小。沉珠為提取漂珠、磁珠后所得產(chǎn)物，粒徑均勻，有不規(guī)則的殘?zhí)?，一些大的微珠包含許多小的微珠。根據(jù)珠體形貌特性，在作為填料應(yīng)用時(shí)，應(yīng)對其進(jìn)行篩分，選取均勻的粒徑，并對表面進(jìn)行包覆改性，提高PVC的機(jī)械強(qiáng)度和可加工性。

圖2 原灰，磁珠，沉珠SEM圖

3 玻璃微珠的應(yīng)用

粉煤灰中的玻璃微珠是一種不可多得的工業(yè)填充劑，可廣泛應(yīng)用于建材、塑料、橡膠、涂料、化學(xué)、冶金、航海和航天等領(lǐng)域。改性后的空心微珠具有電、磁等性能，應(yīng)用于微波吸收或電磁屏蔽等領(lǐng)域，微珠填料具有良好的發(fā)展前景。

利用粉煤灰漂珠密度小，耐壓力高的特點(diǎn)，可制成打撈潛艇、深海油田開發(fā)等多種用途的浮力材料，使用效果良好。可以利用一定規(guī)格粉煤灰空心微珠的反光效果來替代進(jìn)口材料，制成道路交通方面的路標(biāo)及反光材料，其反光度可達(dá)到工程級標(biāo)準(zhǔn)[3]。

粉煤灰分離提取的微珠應(yīng)用于石油、油氣、地質(zhì)行業(yè)鉆井泥漿懸浮液、鉆井泥漿、鉆井解卡劑的配制。粉煤灰凈化微珠可在建材行業(yè)替代滑石粉、高嶺土、硅藻土、碳酸鈣等用于生產(chǎn)防水、防火、隔聲涂料，耐磨、防腐油漆、大口徑玻璃鋼夾砂管，高強(qiáng)耐磨混凝土等[4]。

粉煤灰通過磁選的方法回收富鐵玻璃微珠，進(jìn)行鐵精礦煉鐵，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)粉煤灰含鐵量需大于5%以上時(shí)，才有分選回收價(jià)值，測試所得粉煤灰含鐵11.0%，比較適合富鐵玻璃微珠分選。

化學(xué)工業(yè)中，空心微珠可作為某些化學(xué)反應(yīng)的催化劑，石油工藝中，沉珠可作為石油精煉過程的一種催化劑，提高汽油的產(chǎn)量和質(zhì)量，用漂珠制成低密度水泥可用于固井[5]。

經(jīng)化學(xué)改性活化的微珠，可取代目前價(jià)格較高的碳黑、白碳黑、優(yōu)質(zhì)高嶺土等自然資源，用于橡膠、塑料、造紙行業(yè)的耐磨、耐蝕高強(qiáng)填充料。是化學(xué)工業(yè)良好的化學(xué)反應(yīng)催化劑載體和樹脂摻合料[6]。

4 粉煤灰玻璃微珠產(chǎn)業(yè)應(yīng)用

圖3 粉煤灰玻璃微珠在PVC產(chǎn)品中的應(yīng)用流程

億利電廠捕集的粉煤灰一直以非常低的價(jià)格出售給水泥廠，不能獲得高的附加值，我們根據(jù)粉煤灰富含玻璃微珠的情況，提出了高附加值的利用方式。粉煤灰從自備電廠運(yùn)輸至分選車間進(jìn)行分選獲得玻璃微珠，將所獲得玻璃微珠進(jìn)一步分選出漂珠、沉珠、磁珠，其中漂珠和沉珠通過偶聯(lián)劑或其它助劑進(jìn)行包覆處理。處理后作為高檔填料，然后添加其它加工助劑，進(jìn)行PVC材料的加工改性，生產(chǎn)不同的PVC及其它熱塑性產(chǎn)品。也可將所獲得的漂珠、沉珠、磁珠進(jìn)行外售，見圖3。億利資源集團(tuán)化工循環(huán)經(jīng)濟(jì)園區(qū)有年產(chǎn)50萬t PVC，煤矸石發(fā)電廠，具備原料成本優(yōu)勢。從粉煤灰分選玻璃微珠，可以從廢棄污染物中回收新型材料，節(jié)能節(jié)地，減少污染，化害為利，變廢為寶，具有極大的環(huán)保意義和社會(huì)效益，將循環(huán)經(jīng)濟(jì)向精細(xì)化、高附加值利用方向推進(jìn)。

5 結(jié)論

粉煤灰中玻璃微珠的分選與綜合利用是近十幾年來興起的一個(gè)研究課題，粉煤灰中玻璃微珠的用途十分廣泛，億利能源化工循環(huán)經(jīng)濟(jì)園新建PVC新材料加工廠，所提取的玻璃微珠可作為填料用于加工改性，降低塑料制品成本，實(shí)現(xiàn)變廢為寶，廢物的綜合利用。粉煤灰玻璃微珠作為一種多功能的新型顆粒材料，它在發(fā)展具有更強(qiáng)功能的復(fù)合材料中必將占據(jù)更大的地位，將會(huì)產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)保效益。

[1]薛茹君，朱克義，吳杰等.平圩電廠粉煤灰微珠的分選及其性質(zhì)測定[J].安徽理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2005，25(1):57～61.

[2]孫俊民，韓德馨.粉煤灰的形成和特性及其應(yīng)用前景[J].煤炭轉(zhuǎn)化，1999，22(1):10 ～14.

[3]全北平，徐宏，古宏晨等.粉煤灰空心微珠的研究與應(yīng)用進(jìn)展[J].化工礦物與加工，2003，11:31～33.

[4]陳勝利，李炳炎，楊久俊等.利用粉煤灰資源分離提取微珠技術(shù)與設(shè)備的研究及應(yīng)用[J].磚瓦，2004，1:40 ～43.

[5]邊炳鑫，趙鳳林，王振國.粉煤灰空心微珠的分選及綜合利用的研究[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1993，22(2):20 ～27.

[6]楊久俊，黃明，張磊.粉煤灰微珠分離提取與深加工的初步研究[J].新型建筑材料，.2003，8:14 ～16.