粉煤灰综合利用分选工艺研究.pdf

有色金属0 0 0 2 10 有色金属 2 0 0 0 No . 2 P. 41-45, 2 6 粉煤灰综合利用分选工艺研究 邵广全 198 7 年世界能源总消耗111. 59亿t 标准煤，其中石油消耗占36 . 7 ，煤的消耗占 30 . 5。中国能源总消耗8 . 59亿t 标准煤，其中石油消耗占17 ，煤的消耗占7 6 . 3。目 前，世界先进国家能耗结构以石油为主，而我国能源结构显然以燃煤为主。 198 7 年全世界煤的总消耗量42 . 2 6 亿t ，燃煤电厂粉煤灰排放量2 . 9亿t 。我国当年煤 的消耗量9. 2 8 亿t ，发电厂用煤2 . 2 4亿t ，占总用煤量的2 4. 1。198 8 年全国电力装机容量 超过1亿1千万k W ，居世界第五位，其中火力发电占7 4，并且每年火力发电装机容量 以5～10 的速度递增。至1996 年低，我国电力装机容量达到2 . 36 亿k W ，电力结构中 火力发电占7 5. 6 ，我国粉煤灰渣年排放量达1亿多t ，预计到2 0 0 0 年将达到1. 6 亿t 。我国 粉煤灰7 0 排入灰厂，10 左右的粉煤灰直接注入江河水系，其综合利用率由1990 年 2 6 . 5增加到1996 年的42 ，与发达国家相比利用率极低。 粉煤灰堆放会占用大片农田耕地，破坏植被，污染大气，其灰浆注入江河湖泊， 污染面积大，阻塞河道，减少湖泊面积，直接影响水生物，特别是鱼虾的生长与繁 殖，严重污染水质，破坏生态平衡。当前，人口、资源与环境是各国面临的全球性问 题，我国人口众多，资源日趋紧张，环境不断恶化，对工业废渣中最大排放量的粉煤 灰进行综合利用是一项具有重大经济、环境与社会效益的工作，也是造福于子孙后代 的具有长远战略性课题。 粉煤灰以其化学成分来看含有未燃尽的固定碳、活性氧化硅、活性氧化铝、多功 能的珍贵材料空心玻璃微珠。固定碳经过富集可继续作燃料、炭黑和活性炭，活性 氧化硅和氧化铝分别在常温下与氢氧化钙起反应生成稳定的水化硅酸钙与水化铝酸 钙，可做建材原料，空心玻璃微珠具有质轻、耐高温、绝缘、耐腐蚀、热稳定性好等 特性，分别用于塑料、橡胶、油漆、涂料的充填料，电器、电缆的绝缘材料，各种耐 磨、耐腐蚀器件，以及用于潜艇、航天飞机、宇宙飞船轻质物件与火箭喷射筒隔热材 料等。实质上粉煤灰是一项人为的巨大矿产资源与能源财富。 从50 年代开始，英国、前苏联、捷克、波兰、美国、法国、日本等发达国家相继 开始对粉煤灰的物理化学性能、应用理论与实践进行研究与开发。现在已明确作为一 种资源进行开发利用，日本粉煤灰综合利用率达10 0 ，芬兰和德国均达90 以上。国 外粉煤灰主要用于建材工业、建筑工程、筑坝以及造地、造田、造景等填筑工程。 我国粉煤灰综合利用也取得了比较成熟的经验，利用较好的有上海、南京、河 南、辽宁、黑龙江等省市。我国粉煤灰主要用于制造粉煤灰粘土砖、粉煤灰掺制水 泥、筑路与筑坝、混凝土掺合料、空心砌砖、开发空心玻璃漂珠等。目前，粉煤灰综 合利用存在如下问题 1 粉煤灰各种成分都是可以单独利用的资源或能源财富，但由 于建材、建工行业对选矿不了解，目前利用的灰大部分为原灰，致使原灰中各种有用 的成分互相混杂，不但发挥不出各自的作用，而且互相危害与互相影响。虽然有些电 厂如株洲电厂、永安电厂、本溪电厂等进行粉煤灰分选碳与漂珠，但粉煤灰经过分选 利用的比例是非常小的。 2 由于粉煤灰各种成分的混杂，使粉煤灰用量比例很小，一 f i l e / / / E| / q k / y s j s -x k / y s j s 2 0 0 0 / 0 0 0 2 / 0 0 0 2 10 . h t m （第 1／8 页）2 0 10 -3-2 3 13 12 0 9 有色金属0 0 0 2 10 般低于30 ，从而限制了粉煤灰的利用率。为了解决这些问题，需要对粉煤灰选别后 进行综合利用研究。 本试验对烟台华力热电股份有限公司的粉煤灰进行资源化分选，首先脱碳，脱碳 后的尾灰再分选玻璃微珠，分选结果如下原粉煤灰含碳2 2 . 56 、微珠2 9. 0 3，精煤 产品含碳6 8 . 35、精煤回收率93. 8 5，沉珠产品含珠率91、沉珠回收率7 2 . 0 0 。 1 粉煤灰试样 受烟台华力热电股份有限公司的委托，对该公司的粉煤灰进行了分选工艺小型试 验研究。试样取自该电厂粉煤灰，由于该电厂粉煤灰为灰渣混排，故首先用筛孔为 1m m 筛子进行筛分，筛上为渣，筛下为试验用样。混匀、装包，每包重150 g ，供分选 试验之用。试样处理流程见图1。 图1 试验粉煤灰样的制备流程 2 粉煤灰物质组成研究 发电燃煤经过磨机磨细后，风力输送至锅炉燃烧。经1450 50 ℃高温燃烧后，产 生的高炉烟气，用集尘器收集后形成粉煤灰，并且排灰方式为灰渣湿式混排。该电厂 每天燃煤为50 0 ～6 0 0 t ，日产粉煤灰渣量为150 ～2 0 0 t 。 经取样测定该粉煤灰的堆比重为0 . 6 2 5g / m m 3，真比重为1. 538 g / m m3，颗粒的颜色 呈灰色和灰白色，含水时呈黑灰色。 试样的化学组成分析结果见表1。 f i l e / / / E| / q k / y s j s -x k / y s j s 2 0 0 0 / 0 0 0 2 / 0 0 0 2 10 . h t m （第 2 ／8 页）2 0 10 -3-2 3 13 12 0 9 有色金属0 0 0 2 10 粉煤灰的粒度组成及各粒级中碳及微珠的含量见表2 。 表1 试样的化学组成 元素C Si O 2 A l 2O3Ca OM g OM n Na 2O K 2O 含量 2 2 . 56 42 . 40 17 . 7 0 1. 6 60 . 7 20 . 0 340 . 441. 10 元素T Fe T i O 2SPG eSeT e 烧失量 含量5. 57 0 . 7 8 0 . 430 . 0 41 0 . 0 0 0 6 0 . 0 0 0 80 . 0 0 0 12 3. 52 表2 粉煤灰的粒度组成及碳和玻璃微珠的含量 粒级 μm 产率 含量分布率 碳微珠 碳微珠 2 2 03. 6 8 2 5. 6 724. 330 . 2 5 -2 2 0 10 5 19. 12 32 . 3752 8 . 373. 2 7 -10 5 7 4 15. 0 7 2 5. 7 72 017 . 8 0 10 . 2 9 -7 4 4319. 8 5 2 2 . 0 62 8 2 0 . 0 7 18 . 98 -43 30 11. 40 18 . 8 5329. 8 512 . 46 -30 152 2 . 43 15. 2 95015. 7 2 38 . 30 -158 . 459. 97573. 8 616 . 45 合计10 0 . 0 2 1. 8 2 2 9. 2 810 0 . 0 10 0 . 0 粉煤灰镜下观察结果证明，该煤灰的含珠率不高，大概不超过30 。总的说，随 粒度变细，成珠率稍有增加趋势，而在-15μm 级别中，含珠率可达50 ～6 0 。随粒度 变细含珠率增加是由于燃烧状况改善，与此有关，珠体中燃烧完全而残炭变少，透明 的焙珠增加；较粗级别中，不仅珠体少，且多为含碳珠，不透明，性脆而易碎。从粗 级别中回收珠体的意义不大，因此不仅产率低，珠的质量亦不佳。 粉煤灰的主要相组成见其X衍射图谱，由衍射图知，其相主要由石英、莫来石、 方解石、磁铁矿和少量的碳质组成。 3 粉煤灰分选试验研究 3. 1 从粉煤灰中分选精煤的试验研究 目前我国50 的燃煤电厂排放的粉煤灰含碳量超过8 ，2 5电厂粉煤灰的含碳量 超过15，即超过了国家标准对三级灰的含碳量要求，个别电厂粉煤灰的含碳量高达 30 ，这是巨大的能源浪费，从建材资源化角度考虑，粉煤灰的含碳量越低，资源化 程度越高，价值也越大。因此，将粉煤灰的含碳量降低至某一限度以下，与电厂的利 益是一致的。 3. 1. 1 精煤分选的条件试验 为此目的，以煤油为粉煤灰脱碳的捕收剂进行了起泡剂的种类及用量试验、煤油 f i l e / / / E| / q k / y s j s -x k / y s j s 2 0 0 0 / 0 0 0 2 / 0 0 0 2 10 . h t m （第 3／8 页）2 0 10 -3-2 3 13 12 0 9 有色金属0 0 0 2 10 的用量试验，最终确定以煤油为捕收剂、BK -2 0 4为起泡剂，其用量及试验流程见图2 ， 试验结果为，粉煤灰含碳2 2 . 57 、粗碳泡沫产率48 . 91、含碳44. 94、碳分布率 97 . 40 、槽内产品产率51. 0 9、含碳1. 15、碳分布率2 . 6 0 。 图2 脱碳条件试验流程 3. 1. 2 脱碳闭路试验 闭路试验工艺流程见图3，试验结果为粉煤灰含碳2 2 . 6 4、精煤产率31. 0 9、含 碳6 8 . 35、回收率93. 8 5，脱碳尾灰产率6 8 . 91，含碳2 . 0 2 ，回收率6 . 15。 图3 脱碳闭路试验工艺流程 f i l e / / / E| / q k / y s j s -x k / y s j s 2 0 0 0 / 0 0 0 2 / 0 0 0 2 10 . h t m （第 4／8 页）2 0 10 -3-2 3 13 12 0 9 有色金属0 0 0 2 10 3. 2 玻璃微珠的分选试验研究 3. 2 . 1 玻璃微珠的形成、性质及应用 燃烧煤中夹有多种矿物质，如煤矸石、岩石碎屑、石英、长石、云母、黄铁矿和 粘土等，因而使硅铝成为玻璃微珠 漂珠和沉珠 的主要物质来源。有些微珠是壁薄中 空的微珠，密度比水小而浮于水面上，成为漂珠，而壁厚及无空的微珠密度比水大而 形成沉珠。漂珠壳内封闭气体主要是CO 2和N2。CO2的来源可能是碳酸盐的分解和含 碳物质的燃烧所致。在生成漂珠及气体时，需要含碳物质和硅物质接触，并且氧化铁 的含量必不可少，一般氧化铁的含量不能小于5，当小于5时生成的漂珠很少，氧化 铁含量超过8 时微珠的含量显著增加。但大部分粉煤灰中漂珠的含量相对粉煤灰的量 都很少，一般不足1，沉珠相对粉煤灰的含量较大，一般占粉煤灰的2 0 ～6 0 。 当煤在锅炉内燃烧时，由于炉内温度很高 漂珠形成的最佳温度约140 0 ℃ 使硅铝等 氧化物处在高温熔融状态，而炉内的湍流作用使这些物质悬浮在气流中，而过高的温 度和过大的湍流速度使熔融的物质迅速膨胀，当温度下降时，外界的气压从四面八方 均匀压向这种物质，使其表面以最大张力来承受。湍流作用使这些物质在冷凝过程中 处于悬浮旋转状态，因而形成球状体。由于内部气体珠扩散，往往形成中空微珠，而 当冷却速度过快时，壁薄的空心微珠会破裂，成为不规则的碎片，所以要获得含珠率 较高的优质漂珠，除了要有优良的煤质外，还要严格控制燃烧温度 140 0 ℃以上 ，并且 调节好冷却速度。 微珠的主要化学成分为二氧化硅、三氧化二铝和少量的碳质，漂珠主要是由空心 微珠 空心玻璃硅铝球体 、微珠碎片和煤渣碎片等组成。空心玻璃微珠的浑圆度好， 还有少量的珠胶体和珠碎片。 研究表明，粉煤灰微珠 漂珠和沉珠 的应用前景良好，在树脂基、塑料基、橡胶 基、金属基及隔热隔音减振防磨等材料中，加入微珠添加剂后，或者使它们的许多性 能得到重要改善，或者使某些产品的成本大幅度下降，或者出现一些有特殊用途的复 合材料。因而国内外的火力发电厂已将粉煤灰微珠视为除了电和热以外的第三大财 富。显然，对这一昔日的废物微珠的综合开发与应用将对国民经济的发展产生十分重 要的作用。此外，漂珠用于制作深海搬运工具和飞机的构造部件、航天飞机和宇宙飞 船封孔隔热材料、粉煤灰纤维棉保温制品及粉煤灰纤维棉装饰板材等。但这些产品的 开发处于试验室研究阶段，该项成果的工业化，仍需社会各行各业的通力支持与合 作。总之，漂珠的性能优良，用途极广，应因地制宜开辟微珠的合理利用新途径，开 发其应用的新产品，并尽快实现工业化。 3. 2 . 2 磁性微珠分选 粉煤灰在燃烧过程中，部分含铁较高矿物形成磁性微珠，这部分微珠进入玻璃微 珠产品中将影响玻璃微珠产品的质量，因此在分选玻璃微珠前应首先脱除磁性微珠， 将脱碳尾灰产品用0 . 2 T 的弱磁选机脱除磁珠得磁珠产品占总脱碳尾灰量的4. 0 。 3. 2 . 3 漂珠分选 将筛分除渣后的粉煤灰浆打入浓密机中，在浓缩脱水过程中，密度较小的空心玻 璃微珠即漂珠浮在浓密机水面上，经人工捞取及洗涤，即可获得漂珠。其成分见表6 。 3. 2 . 4 沉珠分选 将筛分除渣后的粉煤灰浓缩脱水，捞取漂珠，浓密机底流进行浮选脱碳，脱碳后 的尾灰直接进行沉珠分选。脱碳后的尾灰所含沉珠率见表3。 表3 沉珠在脱碳分选产品中的分布 f i l e / / / E| / q k / y s j s -x k / y s j s 2 0 0 0 / 0 0 0 2 / 0 0 0 2 10 . h t m （第 5／8 页）2 0 10 -3-2 3 13 12 0 9 有色金属0 0 0 2 10 产品名称 产率 含珠率 沉珠分布率 精煤31. 0 90 . 2 52 . 6 8 脱碳尾灰 6 8 . 9141. 097 . 32 粉煤灰10 0 . 0 2 9. 0 310 0 . 0 为了有效分选沉珠，进行了石油磺酸钠与煤油、仲辛醇、煤油与塔尔油、YZ-10 2 T 和分散剂BJ-430 等多种捕收剂选择试验，最后确定以YZ-10 2 T 和分散剂BJ-430 及BK -2 0 4 为沉珠分选的药剂，并在此基础上进行了捕收剂的用量试验，最终确定的工艺条件见 图4，试验结果见表4。 表4 沉珠分选试验结果 产品 名称 产率 含珠率 沉珠分布率 对作业对粉煤灰对作业对粉煤灰 微珠35. 382 2 . 9791. 0 07 5. 6 97 2 . 0 0 尾灰6 4. 6 241. 9416 . 0 02 4. 312 3. 12 脱碳尾灰10 0 . 06 4. 9142 . 5410 0 . 095. 12 图4 沉珠分选试验工艺流程 3. 3 分选试验药剂用量 分选试验药剂用量见表5。 表5 分选试验药剂用量 g / t f i l e / / / E| / q k / y s j s -x k / y s j s 2 0 0 0 / 0 0 0 2 / 0 0 0 2 10 . h t m （第 6 ／8 页）2 0 10 -3-2 3 13 12 0 9 有色金属0 0 0 2 10 药剂名称 分选回路 煤油 BJ-430 BK -2 0 4 YZ-10 2 脱碳6 50 40 0 微珠分选 10 0 02 0 02 0 0 0 合计6 5010 0 06 0 02 0 0 0 药剂价格 元/ t 30 0 0 2 0 0 07 0 0 050 0 0 4 产品检查 4. 1 各产品的显微镜下照片 由沉珠产品的显微镜下照片 相片略 可见，沉珠粒度不均匀，部分可达50 ～ 6 0 μm ，小者只有几微米，大粒多因存在碳和铁质而不透明，含珠率达90 以上。 4. 2 各产品的多元素分析 各产品的多元素分析结果见表6 。 表6 各产品的多元素分析结果 成份 产品 Si O 2 A l 2O3Ca OM g O Fe 2O3 SO 3KNa 烧失 漂珠 51. 50 30 . 16 0 . 550 . 515. 17 0 . 0 6 2 0 . 50 0 . 37 0 . 7 0 沉珠 54. 30 36 . 6 3 0 . 46 0 . 413. 930 . 0 34 0 . 6 3 0 . 44 2 . 7 6 尾灰 53. 33 33. 8 8 0 . 42 0 . 466 . 130 . 30 0 . 580 . 36 2 . 0 2 4. 3 沉珠产品的物理性质 沉珠的粒度组成见表7 ，经测定该沉珠的密度为2 . 1。 表7 沉珠产品的粒度筛析结果 粒级 μm 2 2 0 -2 2 0 10 5 -150 7 4 -7 4 43 -43合计 产率 3. 6 312 . 7 312 . 7 32 1. 8 3 49. 0 9 10 0 . 0 f i l e / / / E| / q k / y s j s -x k / y s j s 2 0 0 0 / 0 0 0 2 / 0 0 0 2 10 . h t m （第 7 ／8 页）2 0 10 -3-2 3 13 12 0 9 有色金属0 0 0 2 10 5 经济评估 选矿厂处理能力150 t / d 。选别药剂成本为18 . 15元/ t ，电耗40 k W ．h / t ，电价按0 . 7 5元/ k W ．h 计为30 元/ t ，设备及基建设投资40 万元，按10 年折旧，则每吨粉煤灰所需折旧费 用为8 . 0 8 元/ t ，管理费用及工资2 0 元/ t ，总成本为56 . 2 3元/ t 。 按一吨粉煤灰分选出的各产品的价格进行计算，各产品单价为漂珠10 0 0 元/ t ，沉珠 2 0 0 元/ t ，精煤2 0 0 元/ t ，尾灰2 0 元/ t ，各产品总价格为119. 6 元/ t 。其中不包括选出的铁珠 的售价。 处理一吨粉煤灰的利润为6 2 . 93元/ t ，年经济效益为311. 50 35万元。 6 结论 1. 该粉煤灰中漂珠的含量较少，占0 . 3，沉珠的含量为2 9. 0 3。 2 . 该粉煤灰含碳质较高，达到2 2 . 56 ，欲综合利用必须预先进行除碳，否则因含碳 高而影响其制品的强度。 3. 该粉煤灰含微珠2 9. 0 3，含珠率不高，且随粒度的降低，含珠率明显增加， 2 2 0 μm 级别含珠率不足5，而最细级别-15μm 含珠率达50 ～6 0 。 4. 对该粉煤灰除碳，用煤油作捕收剂、BK -2 0 4作起泡剂进行闭路试验，当用量分 别为6 50 、40 0 g / t 时，脱碳指标较好，精煤产品含碳6 8 . 35，碳脱除率为93. 8 5，脱碳尾 灰含碳降至2 . 0 2 ，尾灰达到国家一级灰的质量要求。 5. 提取玻璃微珠，用YZ-10 2 作捕收剂、BJ-430 为分散剂、BK -2 0 4为起泡剂，当用量 分别为2 0 0 0 、10 0 0 、2 0 0 0 g / t 时，分选出的微珠指标较好，微珠产品含珠率为91. 0 0 时， 微珠回收率达7 2 . 0 0 。 6 . 微珠的应用前景良好，在树脂、塑料、橡胶、金属及隔热、隔音、减振、防磨 等材料中加入微珠添加剂后，可使它们的许多性能得到改善，或使其产品的成本大幅 度下降，或产生一些有特殊用途的复合材料。微珠产品中尤以漂珠的质量优良，但由 于漂珠在粉煤灰中含量甚少，现正研究提纯沉珠及开发沉珠的应用，以便弥补微珠量 少的缺陷。 7 . 分选出精煤、漂珠、沉珠后的粉煤灰尾灰，可以制作普通的建材产品，如空心 砌块、一般的城市地面砖等，可以实现粉煤灰的无尾利用。■ 作者简介邵广全，北京矿冶研究总院工程师 北京 10 0 0 44 f i l e / / / E| / q k / y s j s -x k / y s j s 2 0 0 0 / 0 0 0 2 / 0 0 0 2 10 . h t m （第 8 ／8 页）2 0 10 -3-2 3 13 12 0 9