罗晖，陈伟，李林涛，李志坤，刘军

（1重庆市建筑科学研究院，重庆 400020；2重庆大学材料科学与工程学院，重庆 400045）

引言

我国能源结构决定了发电量以燃煤电厂为主，每发1kw·h的电，需标准煤约300g，排粉煤灰约100g。电力工业的迅速发展，带来了粉煤灰排放量的急速增加。随着国家环保标准的提高，大多数电厂采用了除尘效率更高的静电收尘器干排灰系统，提高了粉煤灰的工程使用价值，促进了其综合利用的开展。但由于实际情况和粉煤灰的特性，目前在我国湿排粉煤灰仍占有相当大的比例。另外，过去的几十年中，我国的粉煤灰主要是以储为主，燃煤电厂最早一般采用机械收尘器和布袋收尘器，利用水力除灰，大量以往的湿排粉煤灰仍存积在贮灰池中。

国内外对干排粉煤灰的应用研究比较深入、系统，且成果显著，使干排粉煤灰的应用领域不断扩大，利用率与利用水平不断提高。有些地方的干排灰利用率几乎达100%。而湿排粉煤灰的利用形势则不容乐观。由于湿排灰是与水、炉底灰等一起混排，杂质较多，匀质性差，利用极不方便，另外，对湿排灰的应用研究也较少，这都使得湿排粉煤灰的利用率极低。长年堆放的湿排粉煤灰不仅占用土地资源，而且污染了土壤、地下水和大气，破坏了周围的环境，威胁着人们的健康。

1 湿排粉煤灰的建材资源化利用分析

1.1 湿排粉煤灰的建材资源化利用现状

湿排粉煤灰的资源化利用形势不容乐观。目前少部分湿排灰被用于道路路基及回填工程，这种治理途径不仅数量有限，没有充分利用粉煤灰的潜在活性，而且在一段时间以后，还可能具有渗滤的危害性。更少量的湿排粉煤灰被用作建筑砌块填充料，但由于未作任何处理，相反却可能会引起砌块的性能不稳定，而且也只是当填充料使用。

另一方面，作为辅助胶凝材料的矿物掺合料已成为配制商品混凝土不可或缺的组分之一，常用的矿物掺合料主要是干排粉煤灰、矿渣、硅灰等。以重庆市为例，强度等级C30到C50的混凝土，干排粉煤灰和矿渣用量占到胶凝材料30%左右。市场上硅灰价格较高，干排粉煤灰和矿渣虽然价格便宜，但是由于需求量大，部分城市甚至出现供不应求的局面，因此，建设工程中迫切需要开发应用多品种且价格合适的掺合料产品[1]。

1.2 湿排粉煤灰的火山灰活性

粉煤灰的价值主要体现在其火山灰活性，湿排粉煤灰与干排粉煤灰的矿物组成、形成过程都相似，同样具有潜在的火山灰活性。要提高湿排粉煤灰的利用率与利用水平，关键在如何充分发挥湿排粉煤灰的活性。就矿相而言，粉煤灰是晶体矿物和非晶体矿物的混合物，一般晶体矿物为石英、莫来石、磁铁矿等，非晶体矿物为玻璃体、无定形碳和次生褐铁矿，其中玻璃体含量占50%以上[2]。粉煤灰中玻璃体是活性物质，主要化学成分是氧化硅和氧化铝，还有一些氧化铁、氧化钙和氧化镁。粉煤灰做火山灰用的价值大小决定于它的玻璃体含量，也和它的细度和组成有关，SiO2或SiO2+Al2O3含量增多，对其火山灰性能有好的影响。

1.3 湿排粉煤灰的化学组成

粉煤灰的矿物组成与性质受原煤、燃烧程度等因素的影响，因此，各个电厂所产生的粉煤灰其使用价值有所不同。笔者在重庆某电厂湿排粉煤灰贮灰池中的不同部位进行了多点取样分析化学成分及烧失量。

烧失量试验结果见图1。

图1 烧失量分布图

样品的烧失量变化反映出贮灰池中的湿排粉煤灰经过长时间堆积而成，匀质性差。从烧失量试验结果看，不仅贮灰池不同深度取的样，其烧失量差别较大，在表面不同部位取的样，烧失量差别也较大。说明不仅间隔较长时期排放的粉煤灰含炭量有较大差别，而且在相近时期内排放的粉煤灰，含炭量差别也较大。

化学成分平均值见表1。

表1 化学成分平均值

样品的化学成分分析结果反映出湿排灰烧失量及Fe2O3含量都较高，将直接影响湿排粉煤灰的火山灰活性，尤其烧失量是影响粉煤灰性能的主要因素，也是评定粉煤灰等级的技术指标之一。烧失量可反映粉煤灰中的炭含量，烧失量大代表粉煤灰中的含炭量多，未燃炭粒为非活性物质，特征是疏松多孔、吸水率大，粉煤灰含炭量越高，不仅降低粉煤灰活性成分的比例，而且增加了水泥混凝土的需水量，降低混凝土或砂浆的密实度和强度，在有外加剂存在时还影响外加剂的使用效果，因此绝大部分国家都规定了粉煤灰用于水泥混凝土时的最高含炭量。粉煤灰中的铁通常以尖晶石等晶态矿物形式存在，显然将富铁相的粉煤灰颗粒分离后，非磁性粉煤灰颗粒的玻璃体含量将升高，其火山灰活性也可提高。

2 湿排粉煤灰的分选

根据以上分析，在挖掘湿排粉煤灰火山灰活性之前，有必要对其进行分选，以去除对活性不利的矿物相。对已有的研究和应用资料进行分析，湿排粉煤灰可采取的分选方式有筛选、浮选、磁选。

2.1 筛选

筛选可以改变粉煤灰的烧失量。一般来说，不同粒径粉煤灰颗粒中含炭量不一样，因此通过筛分除去含炭量较大的粉煤灰颗粒是降低粉煤灰含炭量的可能途径。T.C.Sheu[3]，张长森[4]等对粉煤灰筛分的试验结果显示，粉煤灰颗粒粒径越小其烧失量越小。但也有研究者得出的规律不尽一致。钱觉时[5]的分析结果是不同情况下粉煤灰特征颗粒的分布规律可能不同；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。

在目前湿排粉煤灰利用率不高的情况下，筛选也是提高湿排粉煤灰品质的较为有效的方法。研究中分别采用了干法筛分（将湿排粉煤灰烘干后筛分）与湿法筛分对湿排粉煤灰进行粒度分级，测定各粒级粉煤灰的烧失量，对比分析原湿排粉煤灰与各级筛余湿排粉煤灰的烧失量。筛分结果显示，无论是干法筛分还是湿法筛分，样品湿排粉煤灰的粒径绝大部分小于0.15mm，粒径0.075mm以下的灰占到50%以上，且不同粒径范围的湿排粉煤灰烧失量是不同的，因此，通过选择不同粒径范围的湿排粉煤灰，可以调整湿排粉煤灰的烧失量。由于干法筛分是在未进行分选之前就对所有的湿排灰进行烘干，相对于湿法筛分只是将分选出的湿排灰烘干，干法会带来更大的能耗，因此，湿法筛分更适合于湿排粉煤灰的分选。

2.2 浮选

浮选属于湿法分选技术，较适合于湿排粉煤灰。根据目的不同，可采用的浮选方式也不同，如以选中空粉煤灰为目的，可用水为介质根据容重分离原理，浮选出颗粒容重小于1的中空粉煤灰。针对含炭量比较高的湿排粉煤灰，以脱炭降烧失量为目的通常采用泡沫浮选方式。

泡沫浮选的可行性取决于不同矿物之间粘附气泡的能力差异。一般假定粉煤灰中的炭类似于氧化的煤，因此泡沫剂应选用适合于清除被氧化煤的物质。研究显示，粉煤灰中炭粒的表面润湿性和可浮性与煤炭类似，其接触角在60°左右，而其他颗粒的接触角只有10°左右。在浮选过程中，粉煤灰中的炭粒可能粘附于气泡表面浮出灰浆液面，而其他颗粒仍然留在灰浆中，在浮选药剂的作用下，炭粒之间的这种润湿性差别可以增大，从而实现炭粒与其他颗粒有效地分离[4]。

对于湿排粉煤灰而言，其中未燃炭经水突然冷却，其表面性质已变得比较复杂，再加上长期在水中浸泡，其表面已严重氧化，浮选活性要比煤炭低。因此，采用泡沫浮选湿排粉煤灰中的炭粒时，必须结合所分选灰及其炭粒的具体物理化学性质，通过试验确定不同的浮选工艺和药剂。

浮选药剂不同，药剂用量和浮选时间等浮选参数的选择有所区别。根据相关研究结果[6-7]，在捕收剂的选择上柴油较好，且价格低，起泡剂中仲辛醇的起泡效果较好。李京芳等[6]对粉煤灰的粗选研究中合适的浮选参数是:柴油用量不超过600g/t，仲辛醇用量200～600g/t，浮选时间4min。

2.3 磁选

煤粉中含有一定量的含铁矿物，如黄铁矿、赤铁矿、褐铁矿、菱铁矿等。当煤粉燃烧时，其中的氧化铁经高温焙烧后，部分被还原成尖晶石结构的磁铁矿和粒铁，因此，可通过磁选直接回收这部分磁性物质。研究显示用磁选后的非磁性粉煤灰颗粒配制的混凝土流动性更好，火山灰活性也有提高[5]。

粉煤灰中一般含Fe2O38%～29%，最高达43%，当Fe2O3含量大于5%时，即可采用干式磁选或湿式磁选进行磁选分离，湿式磁选适用于处理湿排粉煤灰[2]。根据表1的分析数据，湿排粉煤灰中含有比较高的铁，因此可以用磁选的方式将含铁比较高的粉煤灰颗粒分离出来。

实验室采用湿式磁选的方法对湿排粉煤灰进行磁选，将含铁量较高的灰粒分离出去后，对选剩下的灰进行化学分析。结果显示，与原湿排粉煤灰相比，磁选后的湿排粉煤灰中氧化铁含量降低幅度达到25%。

3 结论

（1）虽然干排粉煤灰得到广泛和有效的利用，但湿排粉煤灰的治理与合理利用在我国仍是需要面对的问题。

（2）湿排粉煤灰的资源化利用前提是提高其火山灰反应活性，去除有不利影响的成分。

（3）筛选和浮选是降低湿排粉煤灰烧失量的有效方式；磁选可以降低含铁量，从而提高玻璃体含量；这三种分选方式是提高湿排粉煤灰火山灰活性的有效途径。

[1]罗晖，曾德云，李丹，等.外加剂对公路高性能混凝土变形性能的影响[J].重庆建筑，2010，9(1)，43-45.

[2]张一敏.固体物料分选理论与工艺[M].北京:冶金工业出版社，2007.

[3]T.C.Sheu，L.W.Quo，S.T.Kuo.Class Ffineash[C].MATERIALSRESEARCHSOCIETYSYMPOSIAPROCEEDINGS，1990，178，159-166.

[4]张长森，陈晓伟，徐风广.粉煤灰分选、脱炭及生产工艺研究[J].粉煤灰综合利用，2008(增)，56-60.

[5]钱觉时，施惠生.粉煤灰的分选技术[J].粉煤灰综合利用，2004(2)，29-33.

[6]李京芳，朱申红，陈国栋，等.浮选粉煤灰脱碳试验的研究[J].墙材革新与建筑节能，2008(5)，32-34.

[7]王立刚，谢华，彭苏萍.粉煤灰除炭技术研究[J].选煤技术，2003(2)，18-20.