（环境工程专业论文）干法分离提取粉煤灰微珠的工艺研究.pdf

华北电力大学硕十学位论文摘要 摘要 本文分析了漂珠颗粒的理化性质，对各种空心微珠的分选方法进行了总结，提 出了两种分离模型的理论研究，在第一秘中，对旋风流场内颗粒的受力情况迸雩亍计 算，弓l 进流函数的概念，对颗粒的不同运动轨迹进行了分析计算，从而建立了旋风 流场内的分离模型。第二种为内循环式漂珠分选机，利用水平的旋转速度及垂直方 向的气流速度确定了一个颗粒网能飞出筒网边的运动走向角的分选模型。最后对两 个模型进行分析讨论，说明此模型的可行性。 关键词：漂珠，理化性质，旋风分离器，流函数，分离模型 a bs t r a c t t w ok i n d so ft h e o r e t i c a ls e p a r a t o rm o d e l sh a v eb e e ns t u d i e di nt h et h e s i s ，o nt h e b a s i so ft h ea n a l y s i sa b o u tf l o a t i n gb e a d sp h y s i c o c h e m i c a lp r o p e r t i e sa n dt h em e a n so f h o l l o wc e n o s p h e r e ss e p a r a t i o n i nt h ef o r m e rp a r t ，t h es i n gp a r t i c l ef o r c ec o n d i t i o ni n c y c l o n ea n dt h ep a r t i c l e st r a c eh a sb e e nd i s c u s s e d ，a l s ot h ef l u x i o n a lf u n c t i o nh a v eb e e n i n t r o d u c t i o ni no r d e rt oe s t a b l i s hac y c l o n es e p a r a t i o nm o d e l t h es e c o n dk i n do fi n n e r r e c y c l es e p a r a t o r , t h el e v e lr o t a t i o ns p e e da n dv e r t i c a lw i n gs p e e dd e t e r m i n eas e p a r a t i o n a n g l et h a tp a r t i c l e sc a nj u s tf l yo u tt o x k u c h i 。a n df i n a l l y , t h em a t h e m a t i c a lm o d eh a s b e e nd i s c u s s e da n dp r o v e nf e a s i b i l i t y l iy a q i a n ( e n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o fy u a ny o n g t a o k e yw o r d s ：f l o a t i n gb e a d ，p h y s i c o c h e m i c a l ，c y c l o n es e p a r a t o r , f l u x i o n a lf u n c t i o n ， s e p a r a t i o nm o d e l 华北电力大学硕十学位论文摘要 摘要 本文分析了漂珠颗粒的理化性质，对各种空心微珠的分选方法进行了总结，提 出了两种分离模型的理论研究，在第一秘中，对旋风流场内颗粒的受力情况迸雩亍计 算，弓l 进流函数的概念，对颗粒的不同运动轨迹进行了分析计算，从而建立了旋风 流场内的分离模型。第二种为内循环式漂珠分选机，利用水平的旋转速度及垂直方 向的气流速度确定了一个颗粒网能飞出筒网边的运动走向角的分选模型。最后对两 个模型进行分析讨论，说明此模型的可行性。 关键词：漂珠，理化性质，旋风分离器，流函数，分离模型 a bs t r a c t t w ok i n d so ft h e o r e t i c a ls e p a r a t o rm o d e l sh a v eb e e ns t u d i e di nt h et h e s i s ，o nt h e b a s i so ft h ea n a l y s i sa b o u tf l o a t i n gb e a d sp h y s i c o c h e m i c a lp r o p e r t i e sa n dt h em e a n so f h o l l o wc e n o s p h e r e ss e p a r a t i o n i nt h ef o r m e rp a r t ，t h es i n gp a r t i c l ef o r c ec o n d i t i o ni n c y c l o n ea n dt h ep a r t i c l e st r a c eh a sb e e nd i s c u s s e d ，a l s ot h ef l u x i o n a lf u n c t i o nh a v eb e e n i n t r o d u c t i o ni no r d e rt oe s t a b l i s hac y c l o n es e p a r a t i o nm o d e l t h es e c o n dk i n do fi n n e r r e c y c l es e p a r a t o r , t h el e v e lr o t a t i o ns p e e da n dv e r t i c a lw i n gs p e e dd e t e r m i n eas e p a r a t i o n a n g l et h a tp a r t i c l e sc a nj u s tf l yo u tt o x k u c h i 。a n df i n a l l y , t h em a t h e m a t i c a lm o d eh a s b e e nd i s c u s s e da n dp r o v e nf e a s i b i l i t y l iy a q i a n ( e n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o fy u a ny o n g t a o k e yw o r d s ：f l o a t i n gb e a d ，p h y s i c o c h e m i c a l ，c y c l o n es e p a r a t o r , f l u x i o n a lf u n c t i o n ， s e p a r a t i o nm o d e l p 士= i明明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文干法分离提取粉煤灰微珠的工艺 研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期问，在导师指导下进行的研究工作 和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡 献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：缢e l期： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件：学校可以采用影印、缩印或 其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校 可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 日期：删 日 期：半 华北电力大学硕十学位论文 1 1 课题研究的背景和意义 第一章引言 随着发电厂燃料结构的变化，近几年，在能源构成中以煤炭作失发电燃料得到 很大发展。因此，火电厂排放的废料粉煤灰，特别是粉煤灰中的空心微珠的有效利 用，霹益受到国内外许多国家的重视。许多工业发达国家已把粉煤灰1 f 笮为资源加以 充分利用我国是世界最大的产煤囤之一，目前煤炭提供了7 6 的发电能源，到2 0 世纪未，全函火电厂粉煤灰渣年排放量己达1 6 亿吨，其利用的仅5 0 0 0 多万吨，利用 率仅3 0 左右。每年尚有l 亿吨以上的粉煤灰渣无法利用，基本上采用湿排法排到贮 灰场存放。我国至今贮灰场累计占地达4 0 0 多平方千米，不仅严重污染着环境，大 量占用土地，堵塞河道，破坏水质，导致“酸薅”危害入类的生存环境，而且制约 着我图国民经济的可持续发展速度。粉煤灰中的玻璃微珠是一种宝贵的多功能颗粒 材料，它是燃煤电厂排渤的一种细小、轻质、表面光滑、中空的球型颗粒，其主要 化学成分是硅、铝、铁的氧化物，占粉煤灰总量的3 0 一5 0 ，是粉煤灰高级利用的 重要产品。它具有质轻、粒径小、耐磨性强、抗压强度高、分散流动性好、反光、 无毒等优良性能，可代蛰造价较高的人造空心微珠，广泛应用于建材、橡胶、塑料、 化工、电子、航天等领域，具有良好的经济效益和社会效益。从粉煤灰中分选微珠 是实现粉煤灰及其微珠综合利用，变废为宝的前提和基础，毒予各电厂燃用的煤种、 煤质和锅炉的炉型、运行状态、排厌方式等差异，形成的粉煤灰的形态结构，物理 和化学性质及形成各种珠体的数量和粒度等也有所差异，所以需采用的分选工艺也 有所区别，分干法分选和湿法分选。尽管湿法分选粉煤灰空心微珠的工艺成熟，得 到的微珠较纯，却使珠粒应用性能大大降低，并且造成了水资源的浪费。随着越来 越多魄电厂采用于法排灰以保证粉煤灰的活性，提高粉煤灰的可利用价值，因此， 如何从粉煤灰中干法提取大量空心微珠是微珠应用的一个重要环节。本课题研究的 意义虢在予此。 根据粉煤灰的矿物组成和理化特性，从中分选玻璃微珠，尽施工艺处理有两种 方法，一种利用水为介质的湿法分选工艺：一种利用空气为介质的千法工艺。 潼法分选是以水 乍为介质，通过对粉煤荻性质的研究证明，组成粉煤获的各种 珠体之间，珠体与非珠体之间均为单质，以游离固相形式存在于粉煤驮中，而且他 们物理性质和表面化学性质上又有明显的差别，国予存在形式和性质的差别，决定 了他们具有分选的基础和可能。 一般情况下电厂将煤燃烧所产生的粉煤灰倒入水槽中，利用空心微珠比水轻的 特点，使粉煤灰在水中成上下两层，将上层部分分离出来，进行干燥得到空心微珠。 l 华北电力大学硕士学位论文 其具体工艺流程如下所示： 原料( 电场粉煤灰) 一高压水冲洗( 使珠灰分离) 一浮选( 得到漂珠) 一采集( 得 到湿的漂珠原料) 一脱水干燥一混珠一除杂一后处理 干法分选其原理是利用反选矿的方法，先行除去粉煤狄中的碳狄等杂质，然后 利用漂珠和沉珠的相对密度差异，用分选机选出漂珠和沉珠。 从分选效果来看，湿法比干法好，得到的漂珠和沉珠特别纯，质量特别高，可 代替许多非金属材料用于许多领域，但是水洗冲泡时的珠粒应用性能大大降低，严 重影响了质量和使用价值。同时随着干排灰在火电厂企业的实施，湿法取珠将越来 越少，而干法提取微珠全球仅美国一家粉煤灰微珠试验厂。 1 2 国内外分选设备概况 国内外许多单位及个人近年来对粉煤灰空心微珠的分选进行了不少研究。但是 空心微珠的分选技术还不够成熟，特别是对干法分选工艺流程的研究尚不过关，风 选设备多是根据颗粒在低速气流中自由沉降原理设计的，分选效果不够理想。综合 国内外设备的结构，原理，分选专用设备有以下几种。 第一种：4 2 0 肌3 h 水力旋流分离提取微珠设备【2 】 湿法水力除灰系统中微珠的分离提取是根据不同厂家水力除灰条件确定的。因 为悬浮于液体中高度分散的微细固相颗粒能在一定时间在重力场至离心力场中保 持悬浮状态而不沉降，因此可采用布郎运动和扩散现象的规律来确定分离提取微珠 的方法。依此设计研制出一套4 2 0 m 3 h 水力旋流分离提取微珠设备，分离分级粒度 为3 - 2 5 0 t m ，全部内衬材料采用国产耐磨陶瓷、耐磨人造橡胶及聚氨酯材料。微珠 提取率在2 0 6 0 ，提取物含珠率8 5 以上，微珠完整率8 0 以上，可安装于配置有 水力除灰系统的火电厂的除灰中、末端管道上，实现排灰与分离提取微珠在线生产。 第二种：j c d 3 0 9 0 型玻璃微珠分选装置l 3 】 从粉煤灰中分选玻璃微珠，主要是根据粉煤灰各组分的颗粒形貌、物理性能不 同，采取不同的分选、分选设备。比如粉煤灰中形状不规则的多孔玻璃微珠和炭颗 粒其粒径比较大而空心微珠粒径比较小，采取高速分离器，根据等降原理把大多数 大颗粒的多孔玻璃微珠体及炭粒与微珠分离开。空心微珠一般颗粒较小，但也有大 颗粒的。同样，大颗粒的多孔玻璃微珠较重，炭颗粒较轻，分离出多孔玻璃体及炭 粒中还夹杂有少量微珠，故采用振动气流筛分器或脉冲气流筛分器，把粒径稍大的 炭粒和稍小的多孔玻璃微珠体再次与微珠分离出来，这样空心微珠和少量的细粉， 多孔玻璃微珠体和极少量炭随着气流分别进入下道工序。分离出来的空心微珠，粒 径大小不等混在一起，粒径大可以通过筛分来分级，也可以通过旋风分离器来分级。 2 华北电力人学硕+ 学位论文 第三种：f z 。4 型干排粉煤灰微珠、超细微珠分离提取设备p j 干法分离提取微珠系统是根据不同粒度、不同形状的微珠、微细颗粒、不定型 物等物质在气体介质中所受重力和介质阻力的不同，而具有不同沉降术速度来进行 分离分级的，其流降末速度符合层流状态下的斯托克斯定律。按照不同粒径、不同 形状、不同密度的颗粒在旋流场中具有不同的离心加速度、重力加速度及平衡沉降 末速度，研制出一套f z 4 型干状粉煤灰微珠、超细微珠( 粉) 分离提取设备，全部材 料及主辅机均为圜产。它利用调频高速转子和多级涡旋气流产生的冲击、碰撞、颤 振、摩擦等综合作用使球形颗粒与附着的不定型物体相互分离。集多级分离、分级 装置于一体，形成闭路循环，有效地避免了粉尘泄漏现象，并在线实现磁性除杂， 可满足2 8 a n 粒径以上微珠的分离( 多级可至l a n 以上的颗粒分离) 。微珠的颗粒 完整性好、表面清洁光滑、流动性好、粒度分布合理。根据火电厂的煤质、锅炉类 型、燃烧方式、燃烧温度条件的不同两产生的不同粉煤灰，微珠提取率在3 0 一7 0 ， 提取物含珠率9 5 以上，微珠完整率9 0 以上，技术含量高，造价低( 1 0 t h 成套价格 在1 8 0 万元人民币左右) ，占地少( 约4 0 0 平方米) ，投入产出毙大，闭路生产无污染， 其性能是国外设备无法比拟的。且整套专用生产线可直接联接大中型火电厂电收尘 各级电场，也可在外围加工基地生产，是粉煤荻综合利用深加工行业理想的专期成 套设备。 1 3 课题研究的主要内容 论文研究的内容主要有以下几个方：实验方法测得微珠与原状灰的不同理化性 质；瓣徽珠的粒径分布规律进行实验分析，研究燃烧条件对微珠的形成过程及粒径 分布规律的影响；对现有的各种粉煤灰微珠分离提取技术进行分析论证，在这些不 同的理化性质及对前人对微珠的提取方法上的基础上，提出了以下三种分选结构， 共相应的建立了相应的流场模型，以适应不同的分选要求。 第一种旋风分离器的流场模型，旋风分离器是利用离心沉降原理从气流中分离 出颗粒的设备。箕上部为圆篱形，下部为圆锥形含尘气体献豳筒上侧的矩形迸气管 以切线方向进入，并在旋风分离器内做旋转运动。气体在分离器内按螺旋形路线向 器底旋转，到达底部后折而向上，成为内层的上旋气流，称为上旋流，然后从顶部 的中央舟气管排出。气体中所夹带的尘粒在随气流旋转的过程中，内予密度较大， 受离心力的作用逐渐沉降到器壁，碰到器壁后落下，滑向排料口。密度较小的颗粒 由上旋流气体沿串心轴线，由顶部中心舞气管排逃收集。 笫二种内循环式漂珠分选机，该设备主要由中心给料管和高速旋转的锥形分选 转子构成。物料幽中心给料管给到旋转的锥体中，矿浆在旋转锥体的带动下作旋转 运动。物料在离心力的作用下在分选锥体壁上沉降和分层，大颗粒高密度产物沉降 3 华北电力人学硕十学位论文 到锥壁，并沿锥体壁向下移动，从下端截口排出；低密度轻产物在离心力作用下从 锥体上部随溢流排出。 第三种流幕式气力分级器该设备是从重力分级器发展而来的一种较新的气 力分级装置，在原理上它克服了重力分级器悬浮颗粒分布的任意性和混杂性及混级 现象。由于风机工作粉煤灰从布料器的下料口处呈分散态均匀落下颗粒主要受两种 力作用一个是在重力作用下以速度，沉降；另一个是水平气流推力使颗粒以速度u 作水平运动，在合力作用下呈曲线运动轨迹在误差允许范围内假定颗粒密度近似相 等。则密度大的颗粒沉降速度大，沉降时间短，水平飞行距离也短；反之密度轻沉 降时间长，水平飞行距离也长，这样可在分级口捕集到粉煤灰微珠。 以上三种分选结构，在本论文中，第一种与第二种为主，从理论上予以研究并 建立了相对应的理论模型，对模型进行了优化分析，第三种则只作了简单的分析。 4 华北电力大学硕士学位论文 第二章粉煤灰微珠的理化性质测定及分选方法概述 2 1 粉煤灰微珠理化性质的测定 2 1 1 粉煤灰微珠的形成机理 粉煤灰是一种较复杂的细分散相固体物质。在其形成过程中，由于表面张力的 作用，大部分成球状，表面光滑，微孔较小，小部分因在熔融一状态下互相碰撞而 粘连成为表面粗糙，棱角较多的集合颗粒。因而粉煤灰颗粒大小不一，形貌各异。 粉煤狄的矿物组分十分复杂，主要有玻璃相、无定形相和结晶相矿物三大类。玻璃 相主要是各种玻璃球和玻璃体，无定形相主要是未燃炭粒和多孔混合玻璃体，其约 占粉煤灰总量的5 0 8 0 。结晶相主要有莫来石、石英、云母、长石、磁铁矿、 赤铁矿和少量钙长石、方镁石。煤系粘土矿物中主要是高岭石和和伊利水云母，于 5 5 0 c 左右脱水排气，从单斜晶体变为非晶体相，因膨胀排气，质地变得疏松多孔。 从1 0 0 1 3 0 0 逐渐熔融分解成莫来石和石英玻璃共生组合。这时受急冷作用，便形 成含多量莫来石微晶的海绵状玻璃。其反应如下：1 5 j 么z 2 0 3 2 s i 0 2 。2 2 d 羔业一彳z 2 0 3 2 s i 0 2 + 2 h 2 0t _ 3 ( a z 2 0 3 2 s i 0 2 ) 屿朝，2 0 3 2 s i 0 2 + 4 s i 0 2 因反应过程中急冷作用不完全，多量硅铝也形成了玻璃相，粘度大，颗粒中有 多量孔隙。所以易粘连成石英等碎屑矿物。当温度升高至1 4 0 0 左右时，不规则状 的海绵状颗粒，先从棱角尖薄的位置钝化，继而表面熔融将孔隙中的气体密封在内， 随温度升高，熔融的颗粒受表面张力影响成为球状，形成微孔环壳状和空心球壳等 结构。这时冷却便成空心微珠，其中包着的气体是氮气及分散后的碳反应生成的 c o ，。随温度的继续升高，空心珠内的气体不断膨胀球体增大，球壳越来越薄。由 于空心微珠所包气体量不同，各空心微珠形成温度、在高温区停留时间、冷却速率 等形成热历史不同。使得各空心微珠大小不一样，球壳厚度不一样，各空心微珠的 比重不一样，其中比重小于1 的称漂珠，大于1 的称为沉珠。空心微珠形成见下图 【6 】： 洽一 一 海缡状破璃柘榴扶徽孔球壳状空心球壳状 图2 1 空心微珠形成示意图 5 华北电力大学硕十学位论文 火电厂排放的粉煤灰微珠颗粒小，呈圆球状，颜色由浅到深的透明、半透明的 中空或实心的玻璃体。它的主要组成为s i o ，、a l ，0 3 、f e ，0 3 、c a o 等。它在粉煤灰 中赋存状念有以下五种形式：a ：薄壳微珠：b ：厚壳微珠；c ：实心微珠；d ：富铁 微珠；e ：复合微珠。其中，薄壳微珠壁厚为直径的十分之一，故称“漂珠 ，漂珠 在粉煤灰中含量甚微，一般仅为0 2 0 5 ，少数可达1 左右，厚壳微珠( 壁厚为 直径的三分之一) 和实心微珠，富铁微珠，复合微珠均能沉于水中，故俗称“沉珠 ， 沉珠的含量很大，约为粉煤狄的3 0 8 0 。富铁微珠含铁量大，又叫“磁珠”。 微珠的产量和质量，跟煤种，煤的细度、锅炉负荷、燃烧状况等因素有关。各 电厂之间、一个电厂不同锅炉之间、一个锅炉不同时间、均有极大差别。一般发热 量、含硫量低的烟煤，漂珠量多；无烟煤漂珠少，褐煤漂珠极少甚至无漂珠。炉膛 温度低于1 4 0 0 摄氏度，很少形成漂珠；1 4 0 0 1 5 0 0 摄氏度，形成的漂珠较多，1 5 0 0 摄氏度，形成的漂珠会爆裂成碎片，因此炉温过高或过低都会影响漂珠的形成。 2 1 2 粉煤灰漂珠物理性质的测定 2 1 2 1 漂珠的含量测定 以自来水为介质，利用漂珠和沉珠的比重不同进行分选。 把称好的粉煤灰( m ) 倒入高4 0 0 m m 的玻璃缸中，从下口注入适量自来水( 高 3 5 0 m m ) ，鼓入空气进行搅拌，然后静置2 5 m i n ，待沉珠全部沉到水底后，用筛网 捞出漂在水面上的漂珠。再进行鼓空气搅拌、静置、捞漂珠的操作，重复进行5 次 至不再有漂浮物为止，可以将9 0 以上的漂珠分选出来。将水选获得的漂珠烘干、 称重( w ，) 。然后再称取一定量烘干的漂珠( 忱) 置于马弗炉中于8 l5 1 0 灼烧 3 0 m i n ，将水分与碳除尽，取出冷却后称重( w 4 ) 1 7 j 。 则粉煤灰中漂珠含量为 只= 【w 2 w 4 w 1 1 1 , 3j x1 0 0 ( 2 1 ) 表2 - 1 某电厂粉煤灰中漂珠的含量 6 华北电力大学硕士学位论文 2 1 2 2 漂珠的粒度分析 将烘干后的漂珠用筛孔为6 0 ，8 0 ，l o o ，1 5 0 ，2 0 0 目5 种规格的标准筛进行分级， 按粒径大小将其筛分成种，并测量了每种所占的比例。结果列于表2 2 。漂珠的粒级 分布柱状图如图2 2 所示： 表2 2 某电厂漂珠筛析结果 根据表2 2 的数据绘成图2 2 。从图2 2 可以清楚地看出，粒在1 5 0 - 1 9 0 o n 的漂 珠含量是最多的，7 5 1 0 0 , u r n 的次之，而其它粒径的相对较少。为了更详细地了解漂 珠粒度分布，用粒度分布测试仪对粒径小于l5 0 o n 的空心微珠进行了分析，测试结 j 果如图2 3 所示。由图2 3 可以看出，在所测试的粒径小于1 5 0 o n 的空心微珠中，9 0 以上的微珠的尺寸在2 0 1 0 0 朋的范围内，中7 5 1 0 0 o n 范围内的漂珠含量最大，约 占6 0 左，小于2 0 , u r n 的微珠不到l o 。 i 5张l 溯1 0 0 | 5 01 5 0 1 q o1 9 0m2 5 0 2 貔 翻黔绷l 嬲i 秽憎懒 图2 - 2 粒径分布图 8 1 7 籀勰粥然抛搭掩s穆 妒、舞 华北电力大学硕+ 学位论文 冰 l 籼稿瘤蕊咎l 啵 图2 3 粒径小予1 5 0 _ m 的空心微珠的粒径分布图 2 。l 。2 ，3 漂珠密度的测定 漂珠的真密度：段= m ； 由式知，密度的测定主要就是测定漂珠的体积。 真密度的测定主要就是测定漂珠的真体积，也就是骨架体积。目前鬻采焉的方 法是，用某种溶剂在恒定的温度下充填漂珠中骨架之外的各种空问，然后算出真， 这样得到的密度称漂珠的置换密度。由于溶剂分子不能完全进入并充满漂珠骨架之 外的所有空间，因而得到的是真的近似值。所以也称此种密度为视密度。溶剂选 择的好，使溶剂分子几乎完全充满骨架之外的所有空间，视密度就相当接近真实密 度。因此，工程上常采用视密度代替真实密度。般用水和苯作溶剂。 测定步骤如下：先称得空比重瓶重量g ；在一艇温条件下测出比重瓶全部装满( 满 刻度处) 苯时重量g ；取凡克样品放入比重瓶中，并称得重量g 2 。；向盛有样品的比 重瓶中徐徐注入苯，使苯略高于样品表面，摇动比重瓶，直至悬浮液中无气泡逸出， 待试样沉下后，注满苯，盖上毛细管盖，将此比重瓶置于与其相同温度的恒温水浴 中恒温3 0 m i n 。取出比重瓶用滤纸擦干比重瓶外多余的水，和吸去毛细管刻度以上 的溶剂，然后称得重量伉。 再根据下式计算出空心微珠的真密度 9 1 。 ( 7 - - g l ：q ! 二堡z + 堡2 二里l f 2 2 ) 一一。：二。-：-二 l ，- ，l p 旗p 毫p 氧 受l jp 真= 茫踽 ( 2 - 3 ) 华北电力大学硕士学位论文 六次重复测量的漂珠密度列于表2 3 ，将测量结果平均值做成图，见图2 - 4 表2 - 3 漂珠密度测量结果 从图2 4 可以看出，粒径为7 5 1 0 0 p m 的漂珠密度最大。在其两侧随着粒径的 增大或减小，密度降低。其原因是：粒径较大时，由于其中的杂质含量较多，如草屑、 碳粒等，而它们的密度都比较小，因此在1 0 0 2 5 0 p m 范围内，随粒径尺寸增加，密度 降低。但是，当微珠的粒径减小到一定程度时( 7 5 p m ) ，杂质含量相差不大，而壁厚 占整个微珠粒径的比例在减小，所以密度又降低。 o ，5 3 o 5 2 o 5 l po 5 多o 4 9 x0 一铺 o 4 7 o 4 6 o 4 s 7 57 5 - 1 0 0 1 1 2 0 1 5 01 5 0 1 9 01 9 0 2 如 g 哺m l i | 融q ，f m 图2 4 不同粒径漂珠的密度 s l 2 1 2 4 漂珠壁厚的测定 抗压强度是漂珠的一个重要的力学性能指标，但由于漂珠粒径较小且相差较大， 故漂珠抗压强度的直接测量较为困难。考虑到在相同条件下，漂珠的抗压性能与其 壁厚有关系，故可通过具体计算漂珠的壁厚来比较不同粒径微珠的抗压强度。 微珠壁厚计算方法如下：设微珠的外径为d 。，内径为d ，则空心微珠的壁厚可 以表示为e = l 2 ( d 膏一d ，) ，不同粒径范围的空心玻璃微珠的密度p 由表3 得出，漂珠 9 华北电力大学硕十学位论文 壁的主要成分质量分数为s i o ，7 0 和彳，2 d ，3 0 ，故可得出空心漂珠壁的理论密度为 2 8 9 c m 3 ，若忽略微珠中所包含的空气的质量，则可得 4 ；r 3 ( d 胄2 ) 3 4 n 3 ( d ，2 ) 3 x2 8 = p x4 # 3 ( d 胄2 ) 3( 2 4 ) 将式( 2 4 ) 简化，则可以得出微珠壁厚的计算公式 e = 【1 一( 1 - p 2 8 ) 】d 尺2 ( 2 - 5 ) 将表2 3 中不同粒径微珠的密度测量值代入上式，可得粒度不同的空心微珠的 壁厚值，其结果如表2 4 所示。从表2 4 可以看出随微珠粒径的减小，壁厚也随之减 小。但是壁厚占整个微珠粒径的比值y 略有不同，在7 5 1 0 0 9 m 范围时较大，而粒径 大于1 0 0 i t m 或小于7 5 t m 时，这个比值都随之减小，其变化趋势与密度随粒径的变化 趋势相同。其原因可能与微珠的形成过程有关。由于7 5 1 0 0 i _ t m 的漂珠的丫值相对 来说要大些，因此可以预测它的抗压强度较高，故从抗压性能来考虑应选择尺寸为 7 5 - 1 0 0 9 m 的漂珠。 表2 - 4 不同粒径微珠壁厚 厂i st h er a t i o no f et od r 2 1 3 漂珠的化学性质及活性 2 1 。3 1 漂珠的化学性质 漂珠是煤粉在高温燃烧时形成的，常温下化学性质较稳定，其水浸液的p h 值为 7 5 6 ，在其化学成分( 表2 5 ) 中氧化硅和氧化铝的含量比一般粉煤灰高，而铁、钙、 镁及钾钠等的含量比 表2 - 5 漂珠化学成分( ) 及水溶性p h 值 名称s i 0 2a 1 2 0 3f e 2 0 3 c a om g ot i 0 2 k 2 0n a 2 0s 0 3 l o s sp h 值 漂球5 7 4 03 4 6 92 8 81 510 9 60 3 50 5 20 3 60 3 50 7 07 5 6 l o 华北电力大学硕士学儆论文 一般粉煤灰低，出于硅锱含量离达9 0 以土，故冀熔点较高，常被用作耐火材料的 集料，又出子其烧失量徽低，因丽用漂珠作原料生产的耐火保温材料，其制品烧后 的质量损失及体积收缩率均很小，例如用漂珠研制的绝热板在1 2 0 0 恒温l h 无收 缩。 表2 - 6 为磨细瑶的漂球在不同的酸碱溶液中的质量损失百分率，从表中珂知，漂 珠对一般强酸强碱均有缀强的耐蚀性，因而可用于耐酸碱( 氢氟酸除外) 要求较离的 特殊董程中。 表2 ，6 蘑缨漂珠瓣酸碱性试验湖 2 。l ，3 。2 漂珠的活性 漂珠活性的测定是将瘗缁漂珠与硅酸盐泰泥混合，然螽测定漂珠吸收永泥求纯 出来的氢氧化钙畿力的大小，漂珠活性大小是测定掺入3 0 磨细漂珠的水泥与纯硅 酸盐承泥的抗压强度毙值，毙值越大活性越高。表2 一? 失漂珠与原状粉煤获翡火潮 灰性试验及抗压强度比的测定结果，可见：磨细漂珠与磨细原状粉煤灰均具有火山 灰性，蘑纲漂珠的抗匿强度眈馐臻显高于磨细原状粉煤灰，这说臻壤细漂珠与麟细 原状粉煤灰阉样能吸收水泥水纯出来的氢氧化钙，且其吸收熊力还比原状粉煤放略 强，因而磨细漂珠的活饿大于磨细原状粉煤灰。倦从抗压强度比值来看，由于磨细 漂珠的抗压强度浇值眈器状粉煤获大不多少，因蠢漂珠并不是活性缎高的火出获裴 混合材料，表中的试验也证明了这一点，如果漂珠不磨细，则其活性很差，还不如 愿状粉煤灰。 表2 7 漂珠犬由灰性质试验及撬压强度比蠢 华北电力大学硕十学位论文 2 1 4 漂珠的矿物组成 通常粉煤灰中的主要晶体矿物为石英、莫来石，其余为少量的云母、长石、磁 铁矿、赤铁矿、石灰、氧化镁、石膏、硫化物、氧化钛等，而漂珠来源于粉煤灰， 因而漂珠的矿物组成应与粉煤灰相似，但经检验漂珠的x 射线如图2 - 6 所示，由图 2 6 可知： m 芸 m n glg m 一莫来石 “硅线石 漂珠的主要晶体矿物组成为硅线石和莫来石，其相应的特征峰分别为：硅线石 彳z ，& 0 5 ( 3 4 4 a 、3 3 5 a 和1 5 2 a ) ，莫来石彳z 。& ，o ，( 5 4 1 a 、3 3 9 a 、3 4 4 a 、2 7 0 a 、 2 5 4 a 、2 2 1 a 等) 漂珠中并不含石英晶体，确切地说石英不是漂珠的主要晶体矿物， 这就说明了漂珠的矿物成分与粉煤灰是有着明显区别的，这种区别实际上也是由漂 珠与粉煤灰具有不同的化学组成所决定的。 2 1 4 1 漂珠的结构特征 对于粉煤灰漂珠的玻璃结构学说，很多专家、学者曾经提出了十多种玻璃结构 学说，从不同角度揭示了粉煤灰玻璃体物质结构的某些规律。在深入研究，不断补 充的过程中，很多看法已逐渐接近。目前关于粉煤灰的玻璃结构理论主要有两种： 即网络理论和微晶理论。网络理论认为硅酸盐玻璃体是由硅氧四面体通过桥氧构成 的空间网络体系，在网络的孔穴中，统计地分布着钾、钠、钙等阳离子。而微晶理 论认为玻璃是由不连续的微晶粒子分布在无定形的介质中间。前者强调无序性、连 续性、均匀性：后者强调微区一k 的有序性及微晶分布的不连续性和不均匀性。目前 1 2 为 酽 射 晰 x 2 的 如 鞣6厶 图 o 华北电力大学硕十学位论文 关于漂珠的结构理论主要倾向于网络结构理论。即漂珠是以硅氧四面体、铝氧四面 体作为基本的结构单元，相互之间由桥氧离子通过硅氧键、铝氧键在顶角结合成空 间网络，而c a “、m g “、k + 等离子嵌布在网络的空隙中。硅氧四面体、铝氧四面 体是构成漂珠结构的基本骨架。在这种四面体中，中心是硅( 或铝) 原子，每个硅( 或 铝) 原子周围有四个氧原子。在漂珠的结构中，硅氧四面体、铝氧四面体通过四面 体顶点的氧原子互相联结起来，形成大的分子。由此可见，四面体中的氧原子都是 被共用的，相邻的四面体通过它互相联结起来，故有氧桥之称。经研究，在硅( 铝) 氧四面体相互联结时，有如下的特点： 四面体中的每一个氧原子都是共用的。每个氧离子周围最多能够与两个正常 离子相连结。 相邻的两个四面体之间只能共用一个氧原子。两个铝氧四面体不直接相连， 即两个铝氧四面体不能相邻。在玻璃结构中s i o ，、a l ：0 ，是网络形成体，能够形成 为网络的基本结构单元，而n a ，0 、k ，0 、c a o 、m g o 等氧化物不能满足上述条件， 本身不能构成网络形成体，只能作为网络的调整体来参与网络结构。 2 1 4 2 结构特点 硅( 铝) 氧骨架结构的特点：构成漂珠骨架的最基本结构是硅氧四面体和铝氧四 面体。在四面体中，中心是硅或是铝原子，每个硅( 或铝) 原子的周围有四个氧原子。 下图即为硅( 或铝) 氧四面体的示意图 图2 7 ：硅( 或铝) 氧四面体示意图 6 1 图中的黑圆点代表硅( 或铝) 原子，白圆圈代表氧原子。硅( 铝) 原子的体积要比 氧原子的体积小。右侧的四面体中，各顶点代表氧原子，硅( 铝) 原子位于四面体的 中心。 在漂珠的结构中，硅氧四面体、铝氧四面体通过四面体的顶点的氧原子互相联 结起来，四面体中的氧原子都是被“共用的，相邻的两个四面体通过它互相联结 起来，故有“氧桥”之称。那么，由几个硅( 铝) 氧四面体通过氧桥相互联结在一起， 1 3 华北电力大学硕士学位论文 可以形成首尾相接的环，叫做多元环。组成环的四面体的数目叫做多元环的元数。 例如由四个四面体相互联结成的环叫做四元环，依次类推。可形成五元环、六元 环等。各种多元环三维地相互联结，可形成更复杂、中空的多面体，这些多面体再 进一步排列，即构成漂珠的骨架结构。因此，这样的硅( 铝) 氧骨架结构是非常空旷 的，具有许多排列整齐的空穴和孔道。 空穴和孔道：由上所述，硅( 铝) 氧四面体通过氧桥相互联结起来，可形成多元 环。而各种不同的多元环通过氧桥相互联结，又可形成具有三维空间的多面体，叫 做空穴。因为这些多面体呈中空的笼状，所以，一般又叫做笼。当然空穴的形状有 各式各样。 由空穴与外部或其它空穴相通的部位，叫做孔。在漂珠的结构中，多面体通过 所有的面与外部或其它多面体相联结，因此，组成空穴的每一个多元环都可看成是 孔。由此可知，各种离子、分子能否进入空穴的内部，是由孔的有效孔径控制的， 而空穴的体积决定着可以容纳的分子数目。因此，由以上的叙述可以认为漂珠的骨 架是由空穴按照一定规则堆积而成的。每个空穴通过组成它的多元环与周围相通， 也就是说，相邻的空穴之间通过孔相互连通。这样在漂珠结构的内部，由空穴和孔 形成无数的通道。漂珠的这种特有的结构决定了它具有较多的空穴和丰富的孔隙、 微孔。能够吸附一定的分子和离子及物质。 此外，在漂珠结构的空穴和孔道中，还存在一些不定量的水分和金属离子，它 们在漂珠中的位置对于漂珠的性质有很大的影响。目前，在只具有小空穴的漂珠中， 金属离子和水的情况比较清楚，它们一般有确定的位置。但随空穴的增大，它们的 位置就不易确定。 这样，在漂珠的整个结构的空穴和孔道中，不仅仅存在着金属阳离子，水分子 更是充满整个空旷的骨架。而漂珠中的阳离子在一些特殊的条件下可以与其它的阳 离子发生离子交换，充满空旷骨架的水分子可通过加热而被脱去，硅( 铝) 氧骨架可 在一定的条件下发生变化等。漂珠的这些结构特征，正是它具有各种特性的内在原 因。 2 2 粉煤灰微珠的分选方法概述 2 2 1 粉煤灰微珠分选原理 通过对粉煤灰组成和性质的研究可知，组成粉煤灰的各组分均是单体，各自以 游离单体形式存在与粉煤灰中，且表现形式及物理化学性质各不相同，具备了进行 分选的基础和可能。粉煤灰中各组分大致包括以下几种：未燃尽碳粒、漂珠、沉珠、 磁珠、铁粉及铁氧化物、尾灰等，可以根据各组分的特性进行单独分选或组分分选。 1 4 华北电力大学硕士学位论文 从中分选玻璃微珠目前工艺处理主要有二中方法，一种利用空气为介质的于法 分选工艺，； 孛利用水为介质的湿法分选工艺。于法分选其原理是利用反选矿的方 法，先行除去粉煤灰中的碳粒等杂质，然后利用漂珠与沉珠的相对密度上的差异， 耀分选梳选出漂珠与沉珠。湿法分选根据其不同的工艺，原理也不尽相同，但必须 除去粉煤灰中的炭灰等杂质，工艺有重选和浮选等方法。采用湿法工艺，最终的产 晶需要进行烘干。 采用何种工艺，需要根据粉煤灰的性质和产照的要求来确定，于法和瀑法各有 优势。若来自电厂的粉煤灰是以灰浆的形式，那么就要采用湿法工艺，若是以干粉 的形式，就可以采用干法工艺。以下是各组分的分选方法： 1 1 漂珠的分选t 1 3 j 粉煤灰漂珠密度小予l g c m 3 ，密度一般在4 0 0 7 5 0g c m 3 之间，而粉煤灰中的 其它成分密度均大于l e , c m 3 ，对于湿法灰来说，可利用漂珠与其他颗粒闻密度的差 异，以水为介质，依据阿基米德原理，将浮于水蔺上的漂珠与其他颗粒分选出来， 经干燥、净化得到粉煤灰漂珠，采用此法可得到纯度9 5 左右的漂珠。箕体工艺流 程为： 湿排灰一高压水冲洗( 使珠灰分离) 一浮选( 得到漂珠) 一采集( 得到湿的漂 珠原料) 一脱水干燥一混珠一嚣处理。 漂珠的干法分选一般采用风力分级机。该法可获得不同粒径不同纯度的漂珠。 2 ) 磁珠的分选 粉煤灰审铁磁性物质主要包括：& 、恐，晓、f e ，0 。，是由于含铁粉在高温燃 烧过程中还原、氧化作用所形成的，铁在铁质微珠中有四种存在状态：f e ，0 。、 8 2 f e ，0 3 、y 一2 f e ，0 3 和& 3 + 玻璃稆，因此可根据磁性差别将铁磁性物质分选出来， 而后依据磁铁与其他微粒的差异将磁珠筛分出来，具体工艺流程为： 湿排灰一混合一磁选( 湿式磁选机) 一干燥一筛分一磁珠 3 炭粒的分选 粉煤灰中未燃尽的炭大部分以单体形式存在，炭粒呈海绵状和蜂窝状，比表面 机大，疏松多孔，亲油疏水，具有良好的吸附活性，炭粒较软，强度较低，部分石 墨化，具有润滑性，密度较低，真密度一般为1 1 6 1 1 7 9 c m 3 。目前排放粉煤灰含 碳量超过1 2 的火力发电厂占全国电厂的期，超过8 的占4 0 ，其它火力发电 厂粉煤灰含碳量也多在5 7 之闻。因此，每年随火力发电厂粉煤灰排放出来的 热值达3 3 m j k g 的炭粒达数百万吨之多，不仅造成资源的极大浪费，更主要的是， 由于粉煤灰中含有未燃尽的炭粒，严重影响了粉煤灰资源的开发与利用。粉煤荻中 未燃尽的炭粒的分选不仅回收了未燃尽的炭粒，更降低粉煤灰的含碳量，为粉煤厌 l5 华北电力大学硕十学位论文 的综合利用奠定了基础。对于湿排粉煤灰来说，粉煤灰中炭粒的表面涧湿性和可浮 性与煤炭相近，其接触惫在6 0 。左右，而粉煤灰中其他颗粒的接触熊较小，只有l o 。 左右，因此采用浮选法分选粉煤灰中的炭粒是最佳选择。具体工艺流程为： 湿排灰一混浆一浮选( 加浮选药剂) 一炭粒一干燥一成品 4 ) 沉珠的分选 当从粉煤灰中分选出漂珠、磁珠和炭粒后，粉煤从中只剩下沉珠、少量单体石 英和杂质等，由予它们在粒径、密度、形状、表露特性等方谣有很大不弱，因此可 采用重力分选的方法将沉珠分选出来，具体工艺流程为： 湿排灰一重力分选一干燥一筛分一不同等级沉珠 2 2 。2 湿式分选 2 2 2 1 重选 重选是根据矿物的密度不同进行分离的一种方法。该分选过程必须在介质中完 成，所用介质有空气、水、重液或重选浮液。分选物料在一种特制设备中受自身重 力、介质浮力和表面张力等作用逐步实现分离，容重较轻浮予表面，较重的留于设 备中，经过反复多次重选，最终完成分选过程。自来水、工业乙醚、石油醚等都可 以作为分质进行重选州。 1 ) 自来水粗选 将粉煤灰置于桶中，加适量自来水搅拌、沉降，捞取悬浮物粗微珠。将聚集在 桶底的尾灰除掉。将选出的粗珠放入干燥和自然风干。结果见表2 - 8 。 表2 - 8 承选结果 由于批料，取料位置和烘干方法不同，实验数据不够稳定，水选粗珠容重在 o 。钧埘4 2 之闻。将捞取的粗珠分别采用4 0 、6 0 、8 0 、1 2 0 、1 6 0 、2 0 0 臣分群筛筛分， 然后用l o m l 或l o o m l 量筒量取微珠称重，计算其容重。 2 ) 乙醇分选 将筛分好的水选糖珠用工业乙醇再次分选，其操作与水选法相同，分选出的微 1 6 华j 艺电力人学硕士学位论文 珠容重为o 3 4 o 3 6g c m 3 ，结果见表2 - 9 表2 - 9 业乙醇分逸结果 3 ) 石油醚分选 将筛分厝的水选粗珠用工业石油醚再次分选，操作步骤同水选法，分选出的微 珠容重为o 3 3 o 3 5g c m 3 。见表2 一l o 。 表2 1 0 工业石油醚分选结果 从整个重选试验看，4 0 6 0 目微珠容重稍小，但含炭量较高，1 2 0 目以上的微 珠容重又偏大，所| 以粒度宜选在6 0 , - , 1 2 0 嚣间。实验中，用自来水侔溶剂所得微珠 容重较大，在0 4 0 0 。4 3 9 c m 3 之间，且又经济。鉴于工业乙醇和磊油醚比重小，沸 点低，选用此二种溶剂进行精选漂珠，容重可以降低至0 3 3 0 3 6 9 c m 3 ，又因工业 乙醇价格低于工业石油醚，故认为重选药剂可选工业乙醇。 2 2 2 2 浮选 浮选是从水的悬浮体( 矿浆) 中浮出固体矿物的过程。泡沫浮选法是将矿物加 水调成矿浆，再加入浮选药剂，然舞在浮选机中搅拌，同时导入空气，一部分可浮 的矿物就粘附于气泡上而在矿浆上面形成泡沫，将泡沫刮出即是精矿。另一部分不 浮物不与气泡粘浮丽留在矿浆中，帮j 泡沫产物，是为尾矿。 1 7 华北电力人学硕十学能论文 依撼粉煤获中玻璃微珠激单钵