粉煤灰组分特征的岩石学观察

粉煤灰组分特征的岩石学观察

随着能源工业的快速发展，采碳粉的排放量每天都在增加。目前，世界每年产生约2万吨碳粉，中国每年产生约4000万吨碳粉。因此,如何有效地利用粉煤灰已成为近十几年来国内外十分关注的课题。以往对粉煤灰的研究多侧重其物理化学性质、工艺性能及化学成分等方面,而对其显微组分特征未给予足够的重视。事实上,后者是粉煤灰分选、进一步深加工综合利用的基础。因此,笔者采用光学显微镜、电子显微镜等微观技术,从岩石学角度对粉煤灰的显微组分进行了详细而系统的研究,取得了一些新的认识。1样品及测试方法火力发电厂粉煤燃烧后的固体产物主要有两部分,一是飞灰(FlyAsh,简称FA),占75%～80%;二是底灰(BottomAsh,简称BA)。两者合称粉煤灰。本研究的样品采自广州黄埔电厂、珠江电厂和广州电厂。肉眼观察,FA呈灰色,粉末状,粒度大多在100μm以下,其中3～40μm占绝大多数。BA颜色多样,可呈灰绿、灰褐,灰白等色,土状光泽,气孔发育,孔径为0.5～3mm不等,除个别较坚硬外,一般疏松易碎。将样品配套制成光片和薄片,以备微观研究。2无机与有机组分的组成从岩石学角度的微观研究表明,无论是FA还是BA的组成都可以分为无机与有机组分两大类。无机组分来源于煤中矿物质,而有机组分则是未燃烬的煤粒(残炭)。2.1无线材料组成无机组分主要有玻璃微珠、磁铁微珠、不定形颗粒、碎屑石英和莫来石。2.1.1扫描电镜sem依结构可分出空心微珠、实心微珠、复合微珠和隐晶微珠等类型。①空心微珠,圆形,粒度分布范围广,为5～200μm,以60～100μm粗微珠为主,透射光下为无色透明或呈乳白色,反射光下多呈乳白色(图片略,下同),体视镜和扫描电镜下,一般表面不很光滑,多有微孔或小鼓包,但也有表面光滑者,依壁的厚薄可将其进一步分为薄壁空心微珠(壁厚<2μm)和厚壁空心微珠(壁厚>2μm)。②实心微珠,圆形或浑圆形,粒度一般较小,为20～80μm,单偏光下呈乳白色,正交下全消光或偶见莫来石析晶。③复合微珠,不规则圆形,两球合一珠或一珠包容数球,粒度较大,以50～150μm粗微珠为主。④隐晶微珠,不规则圆粒状,单偏光下呈乳白色,正交下呈十字消光,粒度较小,以20～30μm中微珠为主。个别玻璃微珠横切面上可见莫来石微晶,多呈放射状或沿切向分布,正交下有光性,一级灰干涉色。2.1.2煤中总磁铁矿呈圆球状,粒径不等,一般为20～50μm,具有磁性,主要成分为磁铁矿,含少量赤铁矿和玻璃相,反光下呈亮白色,表面常具某种规则结构,可能是煤中黄铁矿和菱铁矿颗粒经高温熔融快速冷却收缩的结果,透射光下呈黑、褐色。2.1.3x射线衍射分析BA和FA中均有碎屑石英,呈棱角状,粒度较小但较均匀,一般为5～15μm,边缘可见熔蚀现象,常成群成堆出现或充填于BA的气孔中,在透射单偏光下突起较高,无色或略带灰白色透明,而正交下除呈一级灰白干涉色外,还显示一级黄、一级红、甚至二级蓝等干涉色,X射线衍射分析(图1)和电子探针分析均证实为石英。因此,在光学显微镜下光性的改变可能是由于薄片较厚所致,也可能是石英经高温后光性发生变化之故。2.1.4莫来石析晶的制备不规则粒状、板状、浸染状,表面常混浊不清,颜色也较杂,可见有乳白、灰白、浅黄、暗绿等色,粒度一般较小,为1～50μm,多在10～20μm之间,正交偏光下可见细纤状莫来石析晶。2.1.5莫来石晶体的显微构造在天然矿物里很少见。我国在河北武安、河南林县有所发现,但迄今未见工业价值的矿床。在高铝质、粘土质耐火制品及其腐蚀砖中则是常见的矿物。它主要是由高岭石或高铝矾土及高铝矿物高温烧结而成。由于它具有良好的力学、化学及高温性能,使合成莫来石及其制品具有密度和纯度较高,高温强度高,高温蠕变率低,热膨胀率小,抗化学侵蚀性强,热震稳定性好等优点,因而促进了人工合成莫来石的发展。莫来石晶体在FA中少见,在BA中常见,透射单偏光下无色透明,正交下一级灰干涉色,单体多呈针状,少量呈短柱状,集合体呈现各种各样的显微构造:①纤维状构造,由莫来石针状晶体互相紧密平行排列而成;②放射状构造,针状莫来石晶体垂直于气孔壁或某个颗粒表面生长,呈放射状排列;③交织状构造,由多组呈放射状的针状莫来石晶体复合交织而成;④平行状构造,多由短柱状的莫来石断续平行排列而成;⑤旋向构造,细纤状、针状或短柱状的莫来石晶体沿着气孔壁呈切向排列;⑥毯状构造,由两组相互垂直的平行状构造复合交织而成。此外,尚有少量新生成的砂物如硬石膏、钙长石等(图1)。2.1.6透射单偏光晶型主要指BA中的玻璃基质,无一定形态,呈基质状产出,透射单偏光下呈淡褐黄、黄绿等色,透明度较好,局部可见微小莫来石析晶,正交下有微弱光性反应。2.2有机成分有机组分主要包括未燃烬的残炭和未变化或变化不明显的煤粒两大类。2.2.1空心炭与网状炭根据显微结构特征可识别出如下几个类型:①空气炭,呈圆形或浑圆形,由一个大气孔和圆形的炭壁组成,直径一般在50～250μm之间,炭壁的厚度变化较大,因此可进一步分为薄壁空心炭(壁厚<2μm)和厚壁空心炭(壁厚>2μm);②网状炭,外形不规则,粒径在50～200μm之间,反射光下,整个颗粒由许多大小不等的气孔构成网格状,扫描电镜下则显示熔渣状,气孔呈圆形或椭圆形,孔径5～20μm不等,一般排列不规则;③结构炭,粒度为30～150μm,按形态、结构和光学特征,与惰质组的丝质体无异,炭壁为原始成煤植物的木质部细胞壁,其中的空腔不是挥发分逸出造成的气孔,而是植物的细胞腔;④未熔炭,外形不规则,粒度为30～150μm,内部比较致密,不发育气孔,突起较高。残炭的类型及丰度主要与煤岩组成、变质程度和燃烧方式有关。空心炭和网状炭源自镜质组。镜质组比惰质组有较高的挥发分产率,在高温热解过程中,会出现不同程度的膨胀,塑性变形,甚至流动,同时不断释放挥发分,因而产生大量的气孔;结构炭和未熔炭主要源自惰质组,它们在加热过程中既不变形也不软化,挥发分产率很低,未经塑性变化过程,燃烧时可导致炭壁即细胞壁逐渐断裂,所以由惰质组形成的残炭几乎没有气孔,同时也程度不同地保存有原惰质组的形态,结构乃至光性特征。研究表明空心炭和网状炭在燃烧时,热化学反应首先发生在挥发分析出所产生的气孔中,随着燃烧的进行,表现出密度不断变化、直径不变的燃烧特征,即服从所谓的“等直径”燃烧方式,而结构炭和未熔炭则表现出从颗粒表面向内部燃烧,即密度不变,直径不断缩小的燃烧过程,服从所谓的“等密度”燃烧方式。2.2.2颗粒表面的不均匀性这类颗粒的光性特征基本与原煤颗粒类似,未发生变化,有时反射率可能略高一些或由于有极短暂的受高热史,从颗粒边缘到中心表现出一些不均匀性。根据光性和结构特征仍能划分出镜质组和惰质组等组分,而稳定组一般因含量少而难于见及。3灰色微群系统特征根据前述的形态、结构和成分特征,首次对粉煤灰显微组分进行系统分类,详见表1。4x射线衍射xrd对所采集的FA,BA样品,制成光、薄片后,在光学显微镜下进行详细的显微组分定量,结果(表2)表明:①FA无机组分中以玻璃微珠(占无机组分的60.3%)特别是空心微珠和实心微珠为主,两者之和占玻璃微珠的78.2%;②BA中莫来石常见,结晶好,反映了有较充分的结晶时间,而FA在镜下难以见到莫来石晶体,只在X射线衍射谱图上有所反映(图1);③有机组分在FA(占8.5%)较BA(占5.7%)中多,而且前者以残炭为主,占有机组分的84.8%,后者则煤粒较多,占有机组分的58.5%;④FA中各残炭类型的丰度较均匀,只是空心炭的比例略高一些,占残炭的35.2%,BA中则以未熔炭和结构炭占绝对优势,两者之和占残炭的93.9%,反映了不同煤炭组分燃烧方式差异对残炭分布特征的影响。服从“等直径”燃烧方式的空心炭因其密度减小而主要分布于FA中,而服从“等密度”燃烧方式的未熔炭和结构炭则富集于BA中。5粉煤灰系统分类研究尚有待进一步深化原煤中含粘土矿物、黄铁矿、方解石、石英等多种矿物,在煤燃烧过程中会发生脱水、同质多象转变、分解、熔化、沸腾、重结晶及生成新矿物等变化。