侯玉亭，马 旭，曹升玲，宋兆雪

（1.兖矿集团南屯煤矿，山东 邹城 273515;2.兖矿集团有限公司通防部，山东 邹城 273500）

0 引言

粉煤灰主要是由电厂燃煤发电产生，由于电厂燃煤种类，燃烧工况条件，脱硫工艺及其他条件的不同，导致不同种类的粉煤灰微观形态结构千差万别，宏观物理化学性质也不尽相同。物质的微观形态特征与宏观的物理化学性质有着密切的联系[1-4]，对粉煤灰的微观结构和形态特征进行深入细致的研究，有利于对粉煤灰浆液悬浮性能的研究。

粉煤灰是火力发电厂煤粉燃烧后的残余产物，一般含有大量的球状玻璃体颗粒。其主要化学成分是硅铝化合物，此外还含有一些铁、钙等氧化物。按照CaO含量的不同，可以将粉煤灰分为高钙粉煤灰（CaO含量＞10%）和低钙粉煤灰（CaO含量＜10%）两种。高钙粉煤灰一般由褐煤、亚沥青质煤燃烧后得到，由于褐煤和亚沥青质煤的灰烬中CaO含量较高，可达10%以上。低钙粉煤灰一般由无烟煤、沥青质煤燃烧得到。无烟煤和沥青质煤的灰烬富含SiO2、Al2O3和Fe2O3，它们三者的质量分数占70%以上，而CaO含量相对较少。同时，玻璃体含量较高钙粉煤灰少，而莫来石含量较多，其活性主要取决于非晶态的玻璃体成分及其结构。此外，根据ASTMC618[5-6]标准规定，将（SiO2+Al2O3+Fe2O3）＞70%的粉煤灰划为F级粉煤灰，将70%＞（SiO2+Al2O3+Fe2O3）＞50%的粉煤灰划分为C级粉煤灰[7-10]。

粉煤灰的傅里叶红外光谱解析是表征粉煤灰微观特性的主要手段之一，通过准确识别粉煤灰中的无机组分，本文通过对南屯煤矿三种常用粉煤灰进行红外谱图的分峰拟合，得到了粉煤灰中主要的结构基团，对比分析了三种粉煤灰的结构差异，对于南屯煤矿粉煤灰的选用、悬浮灌浆具有重要指导意义。

1 实验样品

本文选用南屯煤矿灌浆常用的三种粉煤灰热电厂粉煤灰、东滩电厂粉煤灰和华聚电厂粉煤灰。为了保证取样的准确性，直接从三个电厂进行了粉煤灰取样，并采用真空密封袋进行了封存。对三种粉煤灰样品进行实验室10h真空干燥，制取傅里叶红外光谱仪测试的粉煤灰样品。

图1 南屯煤矿三种常用粉煤灰样品图

2 实验方法

本文采用Nicolet 6700红外光谱仪（美国赛默飞世尔公司，见图2）对三种粉煤灰在频率为650cm-1～4000cm-1范围内进行漫反射实验得三种粉煤灰的红外光谱图。对三种粉煤灰红外光谱进行基线矫正和平滑处理，去除环境噪音影响，得到同一基线下的三种粉煤灰红外光谱图，并进行对比分析。在次基础上根据基线特性，对三种粉煤灰进行分段式分峰拟合处理，准确得到三种粉煤灰基团组分的独立谱峰结果。其中热电厂粉煤灰根据谱图基线特性分为3100～4000 cm-1、1600～2100 cm-1、650～1600 cm-1三个波段，华聚粉煤灰主要分为 1500～4000 cm-1、650～1500 cm-1两个波段，东滩粉煤灰主要分为3000～4000 cm-1、650～1600 cm-1两个波段。

图2 Nicolet 6700红外光谱仪

3 实验结果分析

如下图3为热电厂、东滩和华聚三种粉煤灰的红外光谱图，热电厂和东滩电厂粉煤灰的红外光谱图总体趋势相似，各峰位分布较为一致，但华聚电厂粉煤灰的红外光谱图在总体趋势和峰位上都与其它两种粉煤灰有着显著差异。相比于其它两种粉煤灰，华聚电厂粉煤灰在频率为3600cm-1～3700cm-1处存在一个尖锐的吸收峰，并且在频率为650cm-1～1500cm-1的范围内存在较大差异。因此，研究对三种粉煤灰的红外光谱进行分段分析，如图4到图6所示。

图3 热电厂、东滩和华聚电厂粉煤灰红外光谱图

对粉煤灰的吸收峰进行分析可知，三种类型的粉煤灰在相似的峰位处存在有机硅Si-O-Si对称伸缩、石英Si-O-Si对称伸缩、有机硅Si-O-Si反对称伸缩和石英Si-O-Si反对称伸缩等基团，这些硅氧伸缩振动与莫来石和长石的形成有关。因为实验测试的频率范围为 650cm-1～1500cm-1，而归属（AlO6）的 Al-O 伸缩振动吸收峰在556cm-1附近，CaO的吸收峰位置为322cm-1和394cm-1，所以在粉煤灰红外光谱图中无法分析证明Al-O和CaO的存在。但是，在华聚电厂粉煤灰的红外光谱图中可以找到频率为3644cm-1的OH伸缩振动和频率为1419cm-1的C-H弯曲振动。OH伸缩振动与粉煤灰中的CaO吸水形成Ca(OH)2有关，C-H弯曲振动与未完全燃烧的碳有关，可以间接证明华聚电厂粉煤灰中存在CaO和其燃烧最为不充分[11]。具体数据见表1。

图4 热电厂粉煤灰吸收峰峰位图

图6 东滩电厂粉煤灰吸收峰峰位图

根据表1结果表明，华聚电厂粉煤灰矿物组成最为复杂，而另外两种粉煤灰的矿物组分较为简单。根据红外结构组分可知，热电厂粉煤灰主要矿物有石英和莫来石，东滩电厂粉煤灰主要矿物为石英，而华聚电厂粉煤灰主要矿物有石英，氧化钙，三氧化二铝和钙长石等。粉煤灰的矿物组分越复杂证明原煤中夹矸越多或结渣越严重，不利于粉煤灰内碱金属激活后在粉煤灰内形成一体化网状结合态也不利于与水溶液体系形成螯合连接结构。因此，粉煤灰矿物组分越复杂越不利于粉煤灰颗粒在液体中的悬浮。

表1 粉煤灰结构基团和氧化物频率分析表

4 结论

本文采用傅里叶红外光谱仪测试分析了南屯煤矿三种常用的粉煤灰：热电厂、东滩和华聚粉煤灰，并采用多段分峰拟合方法准确分析了三种粉煤灰的红外结构特征，实验结果表明三种粉煤灰颗粒的矿物组分各异，华聚电厂粉煤灰矿物组成最为复杂，而另外两种粉煤灰的矿物组分较为简单。热电厂粉煤灰主要矿物有石英和莫来石，东滩电厂粉煤灰主要矿物为石英，而华聚电厂粉煤灰主要矿物有石英，氧化钙，三氧化二铝和钙长石等。粉煤灰的矿物组分越复杂证明原煤中夹矸越多或结渣越严重，不利于粉煤灰内碱金属激活后在粉煤灰内形成一体化网状结合态也不利于与水溶液体系形成螯合连接结构。因此，粉煤灰矿物组分越复杂越不利于粉煤灰颗粒在液体中的悬浮。