（管理科学与工程专业论文）粉煤灰综合利用研究.pdf

中文摘要 伴随着电力和热力工业的发展，每年我国粉煤灰排放量已达到1 2 亿吨之多。经 过多年努力，我国粉煤灰综合利用取得了显著成绩，综合利用率逐年提高。为进一步 提高我国粉煤灰综合利用率和综合利用经济效率，本文对我国粉煤灰综合利用进行了 全面分析，重点分析了粉煤灰在建筑工程、墙材和其他生产方面的应用，并对粉煤灰 烧结陶粒和蒸制粉煤灰砖工程进行了初步技术经济分析。 粉煤灰是多种物质的混合物，有着广泛的用途。依据粉煤灰的物理、化学性质和 粉煤灰各种用途经济效果的分析，本文提出我国粉煤灰综合利用政策应该是，7 将粉煤 灰优先用于建筑工程，重点发展粉煤灰为原料的墙材生产，因地制宜地开展粉煤灰用 于水泥生产，逐步推进化学工业、各种功能材料和农林渔业生产。 文中对提出的我国粉煤灰综合利用政策，进行了详细的分析。这就是对粉煤灰用 于建筑工程、墙材和其他生产的技术原理、国内发展现状和前景等，进行了具体分析， 并提出了一些相应的解决方法。还具体说明了如何依据粉煤灰综合利用现行的技术经 济政策，对粉煤灰综合利用前途广阔、与墙材生产和建筑业发展密切相关的粉煤灰烧 结陶粒和蒸制粉煤灰砖工程，进行较深入的技术经济分析。 关键词：粉煤灰；粉煤灰综合利用：综合利用率；综合利用途径 a b s t r a c t a st h ed e v e l o p m e n to fp o w e ra n dh e a t i n gp o w e ri n d u s t r yi no u rc o u n t r y ，t h ep u t o u to f f l y a s hi sb i g g e ra n db i g g e r , a se v e rt ob e0 1 2b i l l i o nt o np e ry e a r r e c e n t l y ，a st h ee f f o r t s o f0 u rc o u n t r ya n de n t e r p r i s e sa n d ”r & d ”i n s t i t u t i o n s ，t h er a t eo fr e u s i n go ff l y a s h i s h i g h e ra n dh i g h e r , b u ti ts t i l li sn o th i g h - l e v e l t or a i s et h er a t eo ft h er e u s i n go f f l y a s h ，t h i s p a p e ra n a l y z e st h ea p p l i c a t i o no nr e u s i n go ff l y a s hi n c o n s t r u c t i o na n dw a l lm a t e r i a la n d o t h e rp r o d u c i n g ，a n dt a k e st e c h n o l o g i c a la n de c o n o m i c a la n a l y s i s o nt h ep r o j e c t so f c e m e n t a t i o nc e r a m i c i s ta n ds t e a mb r i c kb ym a k i n gu s eo ff l y a s h n o to n l yc a nt h er e u s i n go ff l y a s hs o l v et h ep r o b l e ma b o u tp o l l u t i o n ，m e a n w h i l e ，i t a l s oi sa b l et om a k ep r o d u c t sb yr e u s i n gf l y a s h b a s e do nt h ea n a l y s i so f t h ec h a r a c t e ro f f l y a s h 。t h i sp a p e rp r o v i d e st h a tf l y a s hs h o u l d b eu s e di nc o n s t r u c t i o nf i r s t l ya n dw a l l m a t e r i a lp r o d u c i n gi np r i o r i t ya n do t h e rp r o d u c i n gg r a d u a l l y a tt h es a m et i m e ，t h ev i e wt h a tt h i sp a p e rp r o v i d e si sa n a l y z e d a n dp r o v e d i t i n 仃o d u c e si nd e t a i lt h ec h a r a c t e ra n dt e c h n o l o g ya n dd e v e l o p i n gp r o s p e r i t y , w h i c h i s s o l v e db yp r o v i d i n gs o m em e t h o d s a tl a s t ，b a s e do nt h ee c o n o m i cp o l i c i e sr e c e n t l y , i t t a l k sa b o u tt h et e c h n o l o g i c a la n de c o n o m i c a la n a l y s i so fp r o j e c to nc e m e n t a t i o nc e r a m i c i s t a n ds t e a mb r i c kb ym a k i n gu s eo ff l y a s h k e yw o r d s ：f l y a s h ；r e u s i n go f f l y a s h ；r a t eo fr e u s i n g ；m e t h o d so fr e u s i n g 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究 成果，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，也不包含为获得叁鲞盘堂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：孓琵签字日期： 学位论文版权使用授权书 年，月乙2 日 本学位论文作者完全了解鑫鲞盘堂 有关保留、使用学位论文的规定。特授 权苤姿盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门 或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：是记 p 签字日期：汕衫年，月2 日 导师签名：方。仁季 签字日期：五衫年，月2 2 日 第一章绪论 1 1 粉煤灰的综合利用 第一章绪论 随着我国经济的不断发展，对电力和热力的需求不断增长，现在全国火电装 机容量已达2 亿k w 以上。伴随着电力和热力工业的发展，粉煤灰排量也日益增 加，现在每年的排量达到1 2 亿t 之多，如果不进行利用，其堆置用地达2 万亩 以上，同时粉煤灰堆场流出的废水，污染农田；渗入地下，污染地下水；扬起粉 尘，污染空气。 目前，世界各国都很重视粉煤灰的资源化利用，所谓粉煤灰的资源化是指将 其视为资源而不再是废弃物，采取工艺技术回收利用。一些发达国家粉煤灰资源 化率相当高，如荷兰达到1 0 0 ，意大利9 2 ，丹麦9 0 ，比利时7 3 。美国将粉 煤灰列在主要固体资源中的第7 位，排在矿渣、石灰和石膏之前。 我国早在1 9 8 8 年1 月，就由国家经委、国家计委、财政部、城乡建设环境 保护部联合发出了关于进一步开展煤矸石、粉煤灰综合利用的通知，在通知 中指出：“煤矿、电厂排放的煤矸石、粉煤灰是可以利用的宝贵资源，再指导思 想上要从目前的堆存为主逐渐过渡到利用为主。”1 9 8 9 年1 1 月，国家计委发布 的关于资源综合利用项目与新建和扩建工程实行三同时的若干规定中指 出：“资源综合利用项目原则上要与基本建设主体工程同时设计、同时施工、同 时投产。”国家经贸委、电力工业部、财政部、建设部、交通部、国家税务总局 等六部委于1 9 9 4 年以“国经贸节 1 9 9 4 1 4 号”文，颁布了粉煤灰综合利用管 理办法。该办法指出：“粉煤灰综合利用是指粉煤灰用于建材生产、建筑工程、 筑路、肥料生产、改良土壤、回填和其他产品制作等，以及从粉煤灰中提取有用 物。该办法同时指出：粉煤灰综合利用的目的是保护土地资源，保证电厂安全 稳定运行，治理环境，促进经济发展；粉煤灰综合利用的方针是坚持以用为 主的指导思想，实行因地制宜，多种途径，各方协作，鼓励用灰和谁排 放，谁治理，谁利用，谁受益的原则，不断扩大利用范围，增加利用量，提高 利用率。” 通过进行粉煤灰综合利用，如粉煤灰用于道路的路面基层、道路回填等，既 可以大量使用粉煤灰，又可以降低工程造价；又如建筑工程中利用粉煤灰配置砌 筑砂浆，抹灰砂浆等，既可提高质量，又可减少成本；再如水坝工程、桥墩、水 电站工程等大体积砼( 即混凝土) 采用粉煤灰，既可节约水泥、改善砼质量，提 高抗侵蚀能力，又可降低大体积砼的温升值、简化温控措施和降低造价；如粉煤 第一章绪论 灰用于糟煤灰烧结砖，在粘土砖或页岩砖中加入3 0 5 0 的粉煤灰，经烧制成 为烧结砖这样既可以大量使用粉煤灰，节约能耗，又可以减少破坏耕地，降低 砖的能耗。粉煤灰的综合利用可以节能、节水、节土、利废、保护环境具有很 大的经济、环境和社会效益。 在国家政策的指导下粉煤灰综台利用率不断提高，例如：从1 9 8 9 年到1 9 9 5 年的7 年中，粉煤灰排放量年平均递增81 3 ，而利用率平均递增达i i8 6 y 即 高出排放量近4 个百分点。特别像上海、江苏等地粉煤灰的利用工作开展的比较 好，利用率已经达到1 0 0 。此外，我国粉煤灰综合利用领域也很广。在建材、 建筑工程、筑路、农业和资源回收等方面都有相当的进展，其中用于建材方面为 3 5 ，建筑工程占6 ，筑路工程占1 0 ，回填占3 7 ，农业用灰l0 9 6 ，资源回收占 i0 ，其它用灰占1 帆。 袁l 一1 ：我目耪堞灰( # 底) 的捧量、利月自利月$ w 月 量 t 利月 $ 目i - l ：目# # 女( p r 洼) # 、w 月 第一章绪论 1 2 研究意义 为了推动粉煤灰综合利用工作顺利地开展，国家有关部门先后出台了一系列 有关粉煤灰的利用标准、规定和技术规范，例如，见表1 - 2 。这些文件与规定， 提出了“坚持以用为主”，“贮用结合，积极利用”，“谁排放谁治理，谁利用谁收 表1 - 2 ：我国关于粉煤灰综合利用的有关标准 编号文件名称文件代号文件发布单位 1陶粒和陶砂g b 2 8 3 8 - 8 1 中国 2烧结普通砖g b 5 1 0 1 8 5中国 3 粉煤灰在混凝土和砂浆中应用技术规程 j g j 2 8 8 6城建环境保护部 4 建筑材料放射性核素限量 g b 6 7 6 3 8 6 中国 a混凝土小型空心砌块g b 8 2 3 9 - 7 中国 6 农用粉煤灰中污染物控制标准 g b 8 1 7 3 - 8 7 中国 7 蒸压加气混凝土砌块g b l1 9 6 8 - 8 9 中国 8加气混凝土性能试验方法总则g b l1 9 6 9 - 8 9中国 9粉煤灰混凝土应用技术规范g b j l 4 6 9 0中国 1 0 复合硅酸盐水泥g b l 2 9 5 8 9 9中国 1 1 用于水泥和混凝土中的粉煤灰 g b l 5 9 6 - 9 1 中国 1 2 硅酸盐建筑制品用粉煤灰j c 4 0 9 9 1建设部 1 3粉煤灰砌块 j c 2 3 8 9 1建设部 1 4粉煤灰砖 c 2 3 9 9 1建设部 1 5 用作水泥混合材的工业废渣试验方法 g b l 2 9 5 7 - 9 1 中国 1 6 水泥中火山质混合材料或粉煤灰掺加量测定方法 g b t 1 5 3 2 1 9 2 中国 1 7矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥及粉煤灰硅酸盐g b l 3 7 4 4 - 9 2 中国 水泥 1 8 公路粉煤灰路堤设计与施工技术规范交工发 1 9 9 3 6 9 4 号中国 1 9轻集料混凝土小型空心砌块g b l 5 2 2 9 - 9 4 中国 益”的污染治理与综合利用相结合的方针。规定新建、扩建和改建电厂工程，其 项目建议书应包括粉煤灰综合利用的内容。可行性报告、初步设计应包括粉煤灰 综合利用方案。实现粉煤灰处理设施与主体工程同时设计、同时施工、同时投产 使用，其投资纳入工程总概算。对已投产运行的电厂，要改造完善除灰系统或增 设灰渣贮运、利用系统，包括分排、装运车辆设备、灰渣加工处理和灰场治理等 设施。在设计上，凡具备粉煤灰( 包括制品) 综合利用条件的建筑和道路工程， 涉及部门必须将充分利用粉煤灰纳入设计方案。排灰单位对用灰单位从指定取灰 点自行装运粉煤灰不得收费或变相收费；对经过加工并符合国家或行业标准的成 品粉煤灰、炉底渣，可适当收取费用；对在核定合理运距范围内的筑路、筑坝、 筑港和回填等大量直接利用粉煤灰的运输费给予用灰单位适当装运补助费。在税 收政策上对企业在生产的原料中掺用不少于3 0 煤矸石、石煤、粉煤灰、烧煤锅 炉的炉渣以及其他废渣生产的建材产品免征增值税。这些政策为粉煤灰的综合利 第一章绪论 用创造了良好的条件。 自上世纪8 0 年代至今2 0 多年来，随着电力工业的发展粉煤灰的排放量逐年 增加。由于国家以及各级政府部门的高度重视，在科研、生产和利用单位的共同 努力下，粉煤灰综合利用取得了显著的成绩，利用率逐年增加，特别像上海、江 苏、天津等地粉煤灰利用工作开展的比较好，利用率已经达到1 0 0 。但是从我 国总体情况来看，大部分地区特别是些经济不发达的地区利用率还比较低，据 不完全统计，全国粉煤灰利用率只有年排放量的5 0 5 5 ，尚有4 5 5 0 的灰 没有得到充分的利用。与此同时，在我国粉煤灰的综合利用还存在利用价值、利 用水平不高的问题。因此，加强粉煤灰综合利用研究，提出合理的粉煤灰综合利 用思路，促进粉煤灰利用率、利用水平的提高，对于粉煤灰的综合利用具有重大 的实际意义。 1 3 研究内容 粉煤灰基本性质 综合利用分析 综合利用可能分析综合利用政策分析 建材生产投资可行性分析 粉煤灰烧结陶粒蒸制粉煤灰砖 图i - 2 ：研究内容示意图 4 守 第一章绪论 如何科学合理的进行粉煤灰综合利用，进一步提高粉煤灰利用量、利用水平 是本文所讨论的核心。目前，粉煤灰综合利用技术发展迅猛、品种多样，范围涉 及建筑工程、建材生产、化工、农业、环保等行业。哪些途径才是提高粉煤灰利 用量的关键，如何能保证粉煤灰综合利用稳定、合理、协调发展，针对这些问题， 本文在对粉煤灰综合利用可能性分析的基础上，通过对各种粉煤灰综合利用途径 特点的分析、对比、归纳，提出了一些关于粉煤灰综合利用的新思路。然后详细 分析了建筑工程、建材生产、其它生产这三大方面的特点、发展情况等。并且以 粉煤灰烧结陶粒工程、蒸制粉煤灰砖工程为例，在现行粉煤灰综合利用优惠政策 的基础上，进行了粉煤灰建材生产投资可行性分析。进一步论证了该思路的可行 性。 第二章粉煤灰的综合利用 2 1 粉煤灰的产生 2 1 1 粉煤灰的形成 第二章粉煤灰的综合利用 粉煤灰是煤粉经高温燃烧后形成的一种似火山灰质的混合材料。将煤炭磨制 成1 0 0 脚以下的煤粉，用预热空气器喷入炉膛在1 3 0 0 1 5 0 0 。c 下悬浮燃烧，产 生的高温烟气经收尘装置捕集而得到的1 5 0 脚的微细球形颗粒( 一般为灰白色 或黑色) 称为粉煤灰。 由上可知，粉煤灰实际上是煤炭经磨制后燃烧所得到的灰渣，或者准确的说 是灰渣的一部分。煤炭是由各种物质组成的，除了大部分可燃烧物质外还包括一 部分不可燃烧的矿物质，这部分不可燃烧的矿物质一般统称为煤的灰份。煤的灰 份主要来源于生成煤的植物所固有的矿物杂质，以及因地壳变化随植物带入的泥 砂杂质。这部分灰份是经过碳化后与可燃物质化合在一起而存在的，但是经过高 温燃烧后可以分解析出。另外，煤在开采和运输过程中，还混入一些矸石、页岩、 岩石等杂质，这些杂质也是煤的灰份的一部分。 送入锅炉内的煤粉所含的灰份，在煤粉燃烧后都要通过不同形式排出来，从 锅炉排出的灰渣量理论上应该等于送入炉内的燃煤中所含的灰份量。但是由于煤 在燃烧过程中，总有一部分固态的可燃物质( 即固定碳) 没有燃烬，并化合于灰 渣中，因此，锅炉实际排出的灰渣量往往大于送入炉内的燃煤中所含的灰份量。 煤炭 可燃物质 不可燃烧矿物质 和泥砂杂质 矸石、岩石、页 岩等杂质 ) 灰份 二二： ：二) 灰渣 图2 - 1 ：粉煤灰的形成示意幽 6 即， ( 灰 冬一 灰胁 燃 功糊 炉 第二章粉煤灰的综合利用 前面曾提到粉煤灰只是灰渣的一部分，实际上锅炉排出的灰渣大体上可分为 飞灰和炉渣两部分。煤粉炉为悬浮燃烧，燃烧后残留的灰渣大部分是以极小的颗 粒形态存在，并随着烟气的流动离开炉膛，通常将这部分灰称为飞灰( f l y a s h ) ， 也就是习惯所称的粉煤灰。少部分残渣是以稍大的颗粒形态落下，从炉膛下部的 灰斗排出，通常将这部分渣称为炉渣。( 炉渣也是可以进行综合利用的，例如用 作制砖内燃料、筑路、屋面保温材料、做硅酸盐制品的骨架等。) 本文综合利用 管理研究的对象粉煤灰实际上指的就是飞灰。 2 1 2 粉煤灰的排放 粉煤灰的排放方式大体上可以分为干法排灰、湿法排灰两者种方式。采用哪 一种除灰方式，由灰渣量、灰渣性质、自然条件、环保要求和灰渣去向等条件决 定。老电厂多采用水力除灰方式，新建电厂都是大型装机，一般采用干法排灰。 1 、湿法排灰 湿法排灰是以水为介质，通过管道和灰浆泵，利用高压水力把粉煤灰输送到 贮灰场或填埋场。水力除灰的特点是对输送不同的灰渣适应性强，运行比较安全 可靠，操作维护简便，并且在输送过程中灰渣不会扬撤，我国多数中小型电厂都 采用此种除灰方式。但是，灰水p h 值一般均超过环保法规的限度，不允许从灰 场向外直接排放，不论采取回收或处理措施，都需要很高的设备投资和运行费用。 粉煤灰的产生量与利用量应均为干灰基，若是湿灰量应根据含水率按下式计 算： a g = 南 式中：a g _ 叶灰基，t ； a s 湿灰基，t ； w 含水率，为湿灰中水量与干灰量之比乘以1 0 0 。 2 、干法排放 气力除灰是以空气为介质，将收集到的飞灰直接输入灰仓。气力除灰的特点 是干灰呈松散状态，流动性好，易于装卸和吹送，输送设备简单。气力除灰输送 的距离短，一般在电厂设贮灰库，用槽罐车将干灰从灰库运往粉煤灰综合利用企 、【匕。 第二章粉煤灰的综合利用 2 1 3 粉煤灰的分类 通常粉煤灰可分为原状灰和加工灰两种： l 、原状灰是指从锅炉排出后未经加工的粉煤灰，根据排灰工艺可分为湿灰和 干灰。 ( 1 ) 湿灰：除尘器收集的用水力排放的粉煤灰。 ( 2 ) 干灰：除尘器收集的含水率小于1 的粉煤灰。 2 、加工灰是指为便于粉煤灰资源化利用而采用某种工艺进行加工，使其达到 使用要求的粉煤灰。加工灰目前有磨细灰、分选灰、调湿灰、漂珠等。 ( 1 ) 磨细灰：经磨细加工，达到使用要求的粉煤灰。 ( 2 ) 分选灰：经过分选处理后，得到符合使用质量标准的粉煤灰。 ( 3 ) 调湿灰：装置了调湿设备，保持含水率在1 0 2 0 的粉煤灰。 ( 4 ) 漂珠： 从粉煤灰中提取的，密度小于l g c m 3 的空心球形颗粒。 2 2 粉煤灰的组成与性质 2 2 1 粉煤灰的组成 煤粉燃烧的完全程度取决于锅炉效率和操作水平，而且即使在同一台锅炉 中，由于炉膛温度并不是十分均匀的，粉煤灰烧成的条件也不完全相同，因此粉 煤灰存在着很大的不均匀性、差异性和多变性。粉煤灰是一些矿物组成不同、粒 径粗细不同、颗粒形态不同、各种颗粒组合的比例不同的机械混合物。 在锅炉操作时，煤粉与高速气流混合在一起喷入炉膛的燃烧带中，可燃物质 绝大部分得到了充分的燃烧，其余部分在粉煤灰中以碳粒形式存在。与此同时， 煤粉中的灰分被析出，并且发生了一系列的反应和变化。含水的矿物如黏土、石 膏等一一脱水，碳酸盐中的二氧化碳与硫化物中的二氧化硫和三氧化硫排出，还 有碱在高温下挥发。其中，较细的粒子随气流掠过燃烧区，立即熔融，到了炉膛 外面，受到骤冷，就将熔融时由于表面张力作用形成的圆珠的形态保持下来，成 为玻璃微珠。煤粉的粒子越细，越容易成球。其中有些熔融的微珠内部，截留了 炉内气体，形成了空心玻璃微珠。另有一些微珠，团聚在一起或粘连在一起，就 形成了不规则玻璃体。可是也有一些来不及完全变成液态的粗灰，结果变成了渣 状多孔玻璃体( 海绵状玻璃) 。在冷却过程中，也有一些冷却比较缓慢而再结晶 的矿物以及在颗粒表面上生产的结晶矿物和化合物，也有一些独自存在的未熔融 的石英矿物。 第二章粉煤灰的综合利用 l 、碳粒 碳粒呈黑色，弱金属光泽，其外表有数种形态，大颗粒一般浑圆状、蜂窝状 和多孔状为主，小颗粒以片状为主，其他还有少量角粒状等。粒径为0 2 0 5 m m 。 碳粒由无定形碳、石墨和含有硅铝的玻璃质三相组成。多孔状的碳粒燃烧比较充 分，属于无定形碳。颗粒状角砾状碳由于没有燃烧，属于石墨状原生煤态。 2 、空心玻璃微珠( 又称漂珠) 空心玻璃微珠的总体外观呈白色，微带灰，呈球状，中空，多为单个的球体， 也有少数单晶相连的复珠。由于置于水中能浮在水上故称漂珠。空心玻璃微珠的 物相主要有两种，一种为非晶态的玻璃相，是主要物相；另一种为析晶的莫来石， 分布在珠壁上。空心玻璃微珠的熔点为1 6 2 0 。c 。爆裂起始温度为1 6 0 ，最高峰 值可达3 3 0 。c 。光学显微镜下呈现透亮者多为空心微珠。空心玻璃微珠可有浮选 法分离。 3 、厚壁及空心微珠( 又称沉珠) 厚壁微珠外观呈灰色，其形态与空心玻璃微珠的形态相同，玻壁上常有莫来 石析晶。常因壁厚和莫来石析晶过多而比重增大，沉于水底，故称沉珠。它的物 相主要是玻璃相和莫来石。实心玻珠和厚壁玻珠不同处室不具中空现象。无色透 明者较多，也有少量因含杂质而呈黄褐至褐红色，其物相主要是玻璃相和磷石英 等。这两类为主的粒径大多比空心玻珠小。厚壁微珠的起爆温度亦为1 6 0 c ，但 最高温度可达3 8 6 ，而实心玻珠则无爆裂现象。厚壁微珠和实心为主的圆形 度、光滑度及粒度略低于空心微珠，他的粘连体较多，这与它的形成条件有关。 4 、铁珠( 又称磁珠) 铁珠的外观多呈黑色，具有弱金属光泽，球状，可用磁选法选出，也称磁珠。 其粒径多在5 0 脚左右，比重大于4 ，比表面积很小。铁珠的物相组成较复杂， 主要有磁铁矿、赤铁矿、方铅矿、褐铁矿、玻璃等。粉煤灰中的氧化铁大多富集 于铁珠中。其形状不易与其他微珠区别，在反光显微镜下呈现黑色球状的是铁珠。 5 、不规则玻璃体和多孔玻璃体 不规则玻璃体是粉煤灰中较多的颗粒之一，大多是由似球和非球形的各种浑 圆度不同的粘连体颗粒组成。有的粘连体断开后，其外观和性质与各种玻璃球形 体相同，其化学成分则略有不同。 多孔玻璃体形似蜂窝。具有较大的比表面积，易粘附其他碎屑。比重较小， 熔点比其他微珠偏低。其颜色有乳白至灰色不等。一般硅、铝：铁的含量分别在 7 3 、2 1 和3 1 左右。在扫描式电子显微镜下可以比较容易地观察到不规则玻 璃体和多孔玻璃体的存在。 除以上5 种典型颗粒外，尚有少量的石英和单独的赤铁矿等。 第二章粉煤灰的综合利用 2 2 2 粉煤灰的物理性质 粉煤灰的物理性质包括密度、堆积密度、细度和比表面积、需水量等，这些 性质是化学成分及矿物质组成的宏观反映。由于粉煤灰的组成波动范围很大，这 就决定了其物理性质的差异也较大。据有关部门统计，我国6 8 个燃煤电厂的粉 煤灰的基本物理性质见表2 一l 。 。 表2 - 1 ：粉煤灰的物理性质 项目范围均值 密 度g c m - 31 9 2 9 2 1 堆积密度g c m 一3 0 5 3 l l _ 2 6 10 7 8 0 比表面积c d 9 1 氧吸附法8 0 0 一1 9 5 0 0 03 4 0 0 0 透气法1 1 8 0 6 5 3 03 3 0 0 原灰标准稠度 2 7 3 一6 6 7 4 8 o 需水量8 9 1 3 01 0 6 2 8 d 抗压强度比3 7 一8 56 6 粉煤灰的物理性质中，细度是比较重要的一项，它直接影响着粉煤灰的其他 性质，粉煤灰越细，细粉占的比重越大，其活性也越大。粉煤灰的细度影响早期 水化反应，而化学成分影响后期的反应。粉煤灰颗粒细度与磨制的煤粉细度有关， 一般来说，设备相对落后的老电厂粉煤灰细度较粗，而使用电收尘器的新建电厂， 粉煤灰细度较细。要搞清所用粉煤灰的细度，只有通过实测才能确定。作为一般 规律，粉煤灰的细度通常是8 8 脚筛孔余量1 0 - - - 3 0 ，其中2 - - 0 5n q m 颗粒占6 5 - - - 7 0 ，0 0 5 - - 0 0 0 5 咖颗粒占3 0 - - - 3 5 ，小于0 0 0 5l g , m 的微小颗粒仅占2 3 粉煤灰的密度和堆积密度反映其空心玻璃微珠及多孔玻璃体的含量。当含量 大时，堆积密度较小。 粉煤灰需水量比是按规定的水泥标准砂浆流动性试验方法，以3 0 的粉煤灰 取得硅酸盐水泥是所需的水量与硅酸盐水泥标准砂浆需水量之比。这个性质能在 一定程度上反映粉煤灰物理性质的优劣。最劣粉煤灰的需水量比往往高达1 2 0 以上，优质粉煤灰则可能在9 0 以下。 2 2 3 粉煤灰的化学性质 粉煤灰的化学成分与煤粉的各种物质成分有关，主要成分为二氧化硅 ( s i o ：) ，三氧化二铝( a l ：0 。) ，三氧化二铁( f e ：0 。) ，氧化钙( c a o ) ，未燃尽的 碳( 烧矢量) ，还有少量的镁( m g ) 、钛( t i ) 、钾( k ) 、磷( p ) 等氧化物。氧化 硅、氧化铝、氧化钛等来自砂、黏土、页岩和板岩。氧化铁主要来自煤中所含的 l o 第二章粉煤灰的综合利用 黄铁矿( f e s 。) 燃烧后形成的褐铁矿( f e o ) 、赤铁矿( f e 。0 。) 和磁铁矿( f e 。0 。) 。 氧化钙、氧化镁来自矿物质中的碳酸盐、硫酸盐。 表2 2 ：我国若干电厂粉煤灰化学波动范围( ) 成分烧失量 s i0 2 a 1 ：n f e 2 0 3c a o m g o s o ， n a 2 0 l ( 2 0 范围 o 6 3 3 4 3 0 - 一1 4 5 9 一1 j o _ 一 o 4 4 一o 2 0 一 o 0 0 0 1 0 一 0 0 2 2 9 9 76 5 7 64 0 1 21 6 2 21 6 8 03 7 26 o o4 2 32 1 4 平均值 7 95 0 82 8 16 23 71 2o 81 2o 6 2 2 4 粉煤灰的活性 粉煤灰的活性包括化学活性和物理活性两个方面。 化学活性是指粉煤灰中的可溶性和可溶性等成分在常温下与水和石灰石进 行化学反应，生成水化硅酸钙和水化硅铝酸钙凝胶体，从而使其在空气中或水中 进行硬化产生强度的性质。 物理活性是指促进硅酸盐制品的胶凝活性和改善制品的性能( 如强度、抗渗 性、耐磨性等) ，是早期活性的主要来源。 粉煤灰的活性主要来自活性s i o 。( 玻璃体s i o 。) 和活性h l 。0 。( 玻璃体a l 。0 。) ， 在一定碱性条件下的水化作用。因此，粉煤灰中活性s i o ：、活性a 1 。0 。和f - c a o ( 游 离氧化钙) 都是活性的有利成分，硫在粉煤灰中一部分以可溶性石膏的形式存在， 它对粉煤灰早期强度的发挥有一定作用，因此粉煤灰中的硫对粉煤灰活性也是有 利成分。粉煤灰中的钙含量在3 左右，它对胶凝体的形成是有利的。 粉煤灰中少量的m g o 、n a 2 0 、k z o 等生成较多的玻璃体，在水化反应中会促进 碱硅反应。但m g o 含量过高时，对安定性等带来不利影响。粉煤灰中的未燃炭粒 疏松多孔，使一种惰性物质，不仅对粉煤灰的活性有害，而且对粉煤灰的压实也 不利。过量的f e 。0 。对粉煤灰的活性也不利。 2 3 粉煤灰综合利用分析 2 3 1 综合利用可能分析 粉煤灰综合利用是指将粉煤灰视为资源而不再是废弃物，采取工艺技术回收 利用。煤粉经燃烧形成粉煤灰后颗粒变小，孔隙率提高，比面积增大，活性程度 和吸附能力增强，电阻值加大，耐磨强度变高，三维压缩系数和渗透系数变小。 粉煤灰所具备的多方面性质决定了其可以被再利用，而且综合利用途径十分 第二章粉煤灰的综合利用 广泛： l 、粉煤灰含有大量活性物质，可用于生产混凝土、水泥、砂浆等。 粉煤灰中含有大量活性s i o ：、a 1 ：0 。和c a o 等组分，当掺入少量生石灰和石膏 时，可生产无熟料水泥，也可掺入不同比例的熟料生产各种规格的水泥。粉煤灰 水泥具有水化热低、抗渗性和抗裂性好，对硫酸盐侵蚀和水侵蚀具有抵抗能力等 特点。 其次，可以用粉煤灰代替水泥配制粉煤灰砂浆和混凝土，不仅可以降低成本、 节约水泥，同时可改善砂浆的稠度、方便施工操作，也可改善混凝土性能、提高 混凝土制品质量和工程质量。由于粉煤灰的固有活性，它能与水泥水化过程中析 出的氢氧化钙缓慢进行“二次反应”，在表面形成一火山灰质反应物，与水泥浆 硬化体晶格坚固地结合，进而增长长龄期强度，提高混凝土的抗渗性和耐久性。 2 、粉煤灰的成分、结构与黏土相类似，可用作土建原料、建材生产。 粉煤灰可代替传统的砂、土或其他填筑材料，作为道路、机场等交通工程中 的填筑材料使用，其原因为渗透性好、密度较小、稳定性好、粒径适中、压缩系 数小。 由于粉煤灰类似黏土的性质，使其可替代黏土用于生产建材产品，如烧结、 蒸养砖、砌块、陶粒等。另外，还可利用粉煤灰中的未燃尽碳，从而代替部分煤。 3 、利用粉煤灰所含玻璃微珠的性质，用其做塑料、橡胶、沥青等制品的填 充料，制作功能材料。 由于粉煤含有大量玻璃微珠，无毛刺和棱角，有滚动轴承作用，有滚动轴承 作用，对成型设备、模具磨损小，可提高生产效率和延长机器的使用寿命、产品 成本低等特点，具有填充料的功能和特性。 空心玻璃微珠具有颗粒细小、质轻、空心、隔热、隔音、耐高温和低温、耐 磨、强度高及电绝缘等优异的多功能特性，可用于制作如保温、隔热、防水、防 火、耐火、防腐等功能性房建材料。 4 、提取粉煤灰中的、f e 、a 1 及稀有金属作为工业原料。 5 、利用粉煤灰中的s i 、p 、k 、s 等组分性质，用于制作农业肥料、土壤改 良剂。 6 、利用粉煤灰良好的物、化性能，可用作环保材料。 粉煤灰中含有s i o ：、a 1 。0 。和c a o 等活性组分，可处理含氟废水。 粉煤灰中含有沸石、莫来石、碳粒、硅胶等，具有吸附脱色作用和无机离子 交换特性，可处理电镀废水与含重金属离子废水。除此之外，粉煤灰还可广泛用 于有机废水、制药废水、造纸废水的处理等。 1 2 第二章粉煤灰的综合利用 2 3 2 综合利用政策分析 粉煤灰综合利用就是将废弃物粉煤灰资源化( 即进行综合利用) ，而该如何 合理的进行粉煤灰综合利用，从而进一步提高利用率、利用水平是本文粉煤灰综 合利用研究的目的与要解决的核心问题。在粉煤灰综合利用可能分析的基础上， 通过几个方面的考虑直接或间接利用、利用量大小、是否需要投资、依存性 大小等，对各种粉煤灰综合利用途径进行对比分析，提出以下思路： 1 、粉煤灰应优先用于建筑工程 粉煤灰用于建筑工程，包括粉煤灰生用于生产水泥、混凝土、砂浆；粉煤灰 用于回填；粉煤灰用于道路交通工程。粉煤灰( 原灰或加工灰) 用于建筑工程是 直接的、无需再投资的。这种利用途径往往利用量大、节约成本，工程质量有保 证，利用效果非常好。但是，由于对建筑工程量的依存性很高，存在着利用波动 性强、利用量不稳定的特点。 2 、粉煤灰用于建材生产是个发展重点 粉煤灰可用于建材生产，包括粉煤灰用于生产烧结砖、烧结陶粒、蒸养砖、 轻质板材、砌块等。相对于前面用于建筑工程方面，将这种利用途径定义为间接 利用，主要是因为这种方式以粉煤灰为原料而不是配料进而经过一系列加工工艺 而最终形成新的产品的。它的特点是需要进行再投资，投资成本相对低，利用量 很大、稳定，但是存在着一定的经济风险性( 即粉煤灰建材产品市场价格的波动、 生产成本的高低等) 。 3 、粉煤灰用于水泥生产应因地制宜 之所以粉煤灰水泥生产单独列出，主要是由于以下两点： ( 1 ) 利用粉煤灰生产水泥虽然属于建筑工程方面应用，但是由于是间接利 用、二期需要进行再投资，因此未将其列入第一点。 ( 2 ) 与建材应用方面相比，水泥厂投资成本高，而且粉煤灰并不是水泥生 产的主要原料，因而亦未将其列入建材生产。 另外从粉煤灰的综合利用角度来看，可以在电场周围建若干建材厂，但为了 利用粉煤灰而建一座水泥厂既不经济、也不实际。因而粉煤灰用于水泥生产也存 在着一定的依存性。 4 、逐步推进粉煤灰用于其他生产 粉煤灰用于其他生产：包括粉煤灰用于化工行业，作为填充材料、回收有价 元素；粉煤灰用于农业，制作农业肥料、土壤改良剂：粉煤灰用于环保行业，生 产环保材料；粉煤灰用于生产功能性建材。其他行业对于粉煤灰的利用主要针对 于粉煤灰中所含的组分，如回收c 、f e 、a 1 及稀有金属作为工业原料：利用s i 、 第二章粉煤灰的综合利用 p 、k 、s 等组分性质，用于制作农业肥料、土壤改良剂；利用空心玻璃微珠的特 性，用作填充料、制作功能性房建材料；利用粉煤灰良好的物、化性能制作环保 材料。这些利用途径的性质决定了其粉煤灰利用量小，应作为辅助( 这里指利用 量所占比例相对较小，位于次要位置) ，并逐步推进。 第三章粉煤灰用于建筑工程 3 1 粉煤灰混凝土 第三章粉煤灰用于建筑工程 在前面叙述粉煤灰的特性时提到粉煤灰具有火山灰活性。所谓“火山灰活性 是指其能在常温下与石灰起化学反应生产具有胶凝性能的水化产物的性能。由于 硅酸盐水泥在水化过程中要产生游离石灰( 以氢氧化钙的形式存在) ，对混凝土 性能弊多利少而粉煤灰的火山灰活性使其能与这些游离石灰结合成新的胶凝物 质，制成比普通混凝土性能优良的优质混凝土。因此，在混凝土中掺入粉煤灰， 不但能部分代替水泥，降低工程造价，而且能改善和提高混凝土的性能，是高性 能混凝土的理想掺合料。在现代混凝土中，粉煤灰已经与水泥、集料、水、外加 剂的混凝土。它以优异的耐久性为主要特征，也就是说，任何强度等级的混凝土 都可以做成高耐久性混凝土。 表3 1 ：用于建筑工程的粉煤灰的技术指标 序号指标级别 ii im 】 细度( o 0 4 5 r a m 方孔筛筛余)1 22 04 5 2 需水量比 9 5 1 0 51 1 5 3 烧失量 581 5 4含水量11 不规定 5三氧化硫333 3 1 1 粉煤灰混凝土的发展 l 、国外发展简况 1 9 3 5 年美国学者r e 戴维斯首先进行了粉煤灰混凝土应用的研究，他是粉 煤灰混凝土科学技术的先驱。1 9 4 8 - 一1 9 5 3 年美国垦务局在建造蒙大拿州马坝工 程中使用了1 0 余万吨粉煤灰，取得了改善混凝土性能、节约水泥的优良效果。 2 0 世纪5 0 年代，英国、法国、德国、前苏联、波兰、日本、印度等国在水利工 程中也都使用了粉煤灰。从6 0 年代开始，美英等国对粉煤灰混凝土的研究与开 发，进入了一个新的发展阶段。他们在所承包的香港地铁工程和东南亚港口工程 中，不惜以每吨6 5 美元接近于水泥的价格从我国购买粉煤灰掺入混凝土中，可 见粉煤灰在混凝土中所起的重大作用已受到了极大的重视。同时，6 0 年代世界 第三章粉煤灰用于建筑工程 各国相继实施防止空气污染法令后，电厂增加了电除尘装置，粉煤灰的质量大大 提高，干排灰的数量增加，为发展粉煤灰混凝土创造了更好的条件。至8 0 年代， 粉煤灰以逐步发展成为混凝土的基本组分。1 9 8 2 年在英国利兹召开了“粉煤灰 在混凝土中应用”第一届学术讨论会，会议对粉煤灰在混凝土中的作用做了新的 评价，认为它是一种具有独特性能的新材料，可以在结构混凝土中加以应用。在 大量试验研究和工程实践的基础上，不少国家相继制订了粉煤灰标准，如美国在 1 9 6 5 年颁发的“a s t m c 6 1 8 ”粉煤灰暂行标准，1 9 8 2 年英国颁发的“b s 3 8 9 2 ： p a r t l ”作为结构混凝土中胶凝物质组分的粉煤灰标准。 2 、我国发展简况 我国从1 9 5 8 年以来，先后在黄河三门峡、刘家峡、陈村、合山、欧阳海灌 渠、台湾雾社坝等水利工程中，使用粉煤灰混凝土取得了降低水化热、改善性能、 节约水泥的良好效果。在工业与民用建筑工程中，也已于2 0 世纪5 0 年代开始使 用，如桂林沙河电厂的地下钢筋混凝土工程掺原状粉煤灰1 0 2 5 ，1 9 5 6 年在 齐齐哈尔钢厂轧钢车间的预制钢筋混凝土柱中也掺入了1 2 的原状粉煤灰。 1 9 7 6 年底北京市建材科研所、石景山电厂和北京电力建设研究所等单位开 始了磨细粉煤灰的性能及其应用的研究，1 9 7 7 年开展了地铁混凝土工程掺用粉 煤灰的试验研究，随后北京市建成了年产1 0 万t 的北京西郊烟灰制品厂( 现为 北京现代建材公司) 磨细粉煤灰车间，为向全市混凝土工程施工单位提供磨细粉 煤灰创造了条件。1 9 9 0 年浙江杭州半山电厂建成 了年产7 万8 万t 的磨细粉煤灰厂，为杭州6 家商品混凝土厂供灰。 上海市是我国发展粉煤灰混凝土的先进城市，上海市建筑科学研究院己故教 授级高级工程师沈旦申同志是我国粉煤灰混凝土科学技术研究和开发事业的奠 基者之一。建设部所属的中国城乡粉煤灰利用技术开发中心也设在上海建科院。 早在2 0 世纪5 0 年代，上海市就开始了粉煤灰混凝土的科学研究，1 9 5 8 年在上 海地下工程采用了粉煤灰混凝土，8 0 年代上海成为全国发展粉煤灰混凝土新技 术试点城市。1 9 7 8 年一l 海市建成了年产5 0 0 0 t 的磨细粉煤灰中试车间，1 9 8 2 年 建成了闵行年产1 0 万t 的磨细粉煤灰厂，1 9 8 9 年以后又相继建设了几座年产1 0 万t 的磨细粉煤灰厂，这类工厂现共有5 座，总生产能力5 0 万t 。 上海在粉煤灰混凝土的应用技术方面也取得了举世瞩目的成绩，突出表现在 用磨细粉煤灰配制大流动度泵送混凝土，用于南浦大桥( c 4 卜泵至1 5 4 m 高) 、 杨浦大桥( c 5 卜泵至2 3 0 m 高，c 4 0 - - 3 5 0 m 高) 和8 8 层的金茂大厦( c 4 卜泵至 3 8 0 m 高) 等重大市政工程和超高层建筑。 为了保证粉煤灰混凝土积极而又稳妥地发展，上海市制订了一系列的方针政策 和技术规程，例如，上海市建委在1 9 8 8 年颁发了利用磨细粉煤灰节约水泥实行 第三章粉煤灰用于建筑工程 专项奖励的规定，1 9 9 4 年颁布了“上海市粉煤灰综合利用管理规定”的8 9 号市 长令，1 9 9 2 年制订了“d b j 0 8 - 2 7 - 9 2 ”粉煤灰渣在混凝土和砂浆中应用技术规 程，1 9 9 8 年又颁布了高钙混凝土应用技术规程。 举世瞩目的三峡工程于1 9 9 4 年正式开工，整个工程混凝土量为2 7 9 9 万m 。其 中大坝混凝土工程量为1 5 2 7 万时。在大坝混凝土中，确定掺加i 级粉煤灰量高 达3 0 ，通过高掺i 级粉煤灰和高效减水剂、引气剂制备出水泥用量少、水化热 低、用水量少、抗渗性好、耐久性好的高性能混凝土。 现在，我国粉煤灰混凝土新技术已经发展到了一个相当成熟的水平，1 9 7 9 年，国家颁布了“b g l 5 9 6 - 7 9 ”用于水泥和混凝土中的粉煤灰，对掺入混凝土 的粉煤灰明确限定了质量指标；1 9 8 6 年，建设部颁布了“j b j 2 8 - 8 6 ”粉煤灰在 混凝土和砂浆中应用技术规程；1 9 9 0 年，国家又颁布了“g b j l 4 6 - 9 0 ”粉煤灰 混凝土应用技术规范，这些标准、规程和规范的贯彻实施，可以确保我国的粉 煤灰混凝土沿着健康的轨道快速发忌 3 1 2 粉煤灰在高性能混凝土中的作用机理 过去，经常认为粉煤灰只是一种节约水泥的混合材，掺入粉煤灰将是混凝土 强度降低，以至于人们总是以消极的态度对待粉煤灰在混凝土中的应用，认为在 混凝土中掺入粉煤灰是以降低强度为代价的。但是，自从2 0 世纪8 0 年代后期高 性能混凝土开始发展并获得广泛应用后，粉煤灰的作用发生了变化。高性能混凝 土的特点是：胶凝材料用量大，水胶比低，利用高效减水剂来获得较大的流动性。 在这种混凝土中，如果不掺粉煤灰，由于拌和用水量小，使早期水泥水化的水分 不足，不能充分发挥全部胶凝材料的活性作用，而且由于会产生较大的水化热， 不利于形成完好、密实的混凝土结构。掺入粉煤灰后，正好解决了上述问题，也 就是说，掺入粉煤灰可以改善早期水泥的水化条件，提高混凝土的工作性，改善 水泥与外加剂的相容性，降低水化热，使混凝土形成密实的内部结构。因此，粉 煤灰不是水泥的代替物，而是混凝土的一个独立组分，使用它的目的在于提高混 凝土的某一种或某一些重要性能。 对于粉煤灰在高性能混凝土中的作用机理，清华大学土木工程系覃维祖教授 通过研究作出如下解释： 长期以来，混凝土通常是在水灰比( 或水胶比) 相当大的条件下制备的( 例 如w c 0 6 ) ，这时浆体中水分所占体积大约为2 3 ，而悬浮在其中的水泥颗粒 仅占1 3 ，因此需要大量的水化生产物填充于骨料与水泥颗粒的间隙，才能将其 粘结为一个整体。在这种情况下，水泥的水化活性是决定因素；水化活性越大，