浅论湿排粉煤灰中空心微珠的分选工艺流程

摘要：论述了电厂湿排粉煤灰中空心微珠的物理性能、分选方法和分选原理，研究了粉煤灰中不同珠体所适用的分选流程，概述了空心微珠的应用前景。

关键词：空心微珠；分选；工艺；湿法排灰

中图分类号：TQ028.9 

作者简介：陈松涛（1965-），男，河南平顶山人，博士研究生，平顶山工学院副教授。 

中国是燃煤发电大国，到20世纪末，全国火电厂粉煤灰渣年排放量已达1. 6亿t，其利用仅5000多万t，利用率仅30%左右，每年尚有1亿t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400多km² ，严重污染着环境^[1]。而粉煤灰中的空心微珠是一种宝贵的多功能颗粒材料，它是燃煤电厂排出的粉煤灰中的一种细小、轻质、表面光滑、中空的球形颗粒，其主要化学成份是硅、铝、铁的氧化物，占粉煤灰总量的30%-50%，是粉煤灰高级利用的重要产品^[2]。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，可替代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^[3]。因此，研究湿排粉煤灰中空心微珠的分选，是空心微珠后续利用的必须步骤。

1  空心微珠的形成机理和性质

1.1  空心微珠的形成机理

粉煤灰空心微珠的生成与煤种、煤质、燃烧温度、燃烧方式有关。一般地说燃用烟煤的电厂，特别是发热量高、含硫量低的烟煤，粉煤灰中产生的空心微珠就多；燃用无烟煤的电厂其粉煤灰中空心微珠的含量就少；燃用褐煤的电厂几乎没有空心微珠^[4]。其次与燃烧方式即锅炉的种类有关，如悬浮燃烧的煤粉锅炉有利于空心微珠的形成，其它燃烧方式的锅炉如链条炉、沸腾炉、旋风炉等不易产生空心微珠^[5]。粉煤灰是由形状差别很大的颗粒组成，各种颗粒都是煤锅炉内燃烧时，其灰分熔融冷却而成。煤灰系粘土质矿物中的高岭石和伊利水云母，在550℃脱水排气，从单斜晶系相变为非晶质相，膨胀排气使质地变得疏松多孔，从1000-1300℃逐渐溶解分解，形成莫来石和石英玻璃的共生组合，如这时受到急冷作用，便形成含多量莫来石微晶的海绵状玻璃，化学反应如下：

Al₂O₃·2SiO₂·2H₂O →Al₂O₃·2SiO₂ + 2H₂O

→3(Al₂O₃·2SiO₂) →3Al₂O₃·2SiO₂ + 4Si

因急冷作用反应不完全，多量硅铝也形成了玻璃相，粘度大，颗粒有大量空隙，所以易粘连石英等碎屑矿物。当温度升到1400℃左右时，不规则状的海绵颗粒，先从棱角等尖薄部位开始钝化，继而表面熔融的颗粒受表面张力的作用成为球状，形成了石榴状、微孔环壳状等结构，冷却成为空心微珠。其中包着的气体是氮气以及由氧化铁和分散后的碳反应生成的CO₂ ，随着温度的升高，空心微珠内的气体不断膨胀，球体增大，球壳越来越薄。由于各空心珠内所包气体量不同，各空心珠形成温度，在高温区的停留时间、冷却速率等形成热力学条件不同，使得空心珠大小、珠壳厚度、密度不同^[6]。Essenhigh根据实验证实，由于煤粒所含挥发物的膨胀，导致了空心微珠的形成。

1．2  空心微珠的性质

粉煤灰空心微珠通常包含三种形态，即漂珠、沉珠和磁珠，漂珠是指密度小于1g/cm³的空心微珠，沉珠是指密度大于1g/cm³的空心微珠，磁珠是指具有磁性、能够被磁极吸附的空心微珠。粉煤灰空心微珠一般是指粒子尺寸在几十到几百微米且具有较为规则的球形结构的微粒，主要特征是中空部分的直径应在0.4D (D指整个微粒的直径)以上，如果中空部分的直径小于0.4 D ，则表示它在整个微粒中占有很小的比例，这种大小的中空部分对于微粒的密度所产生的影响是很小的或者说是可以忽略不记的。另外在高倍显微镜下观察，其中至少应有80%-90%以上的粒子是球状的，这样才能称这种微粒为空心的、球状的。由于燃烧条件和煤粉的成分、粒度等不同，其外观和化学成分也略有区别。粉煤灰空心微珠的物理性能见表1，化学组成见表2。

表1  粉煤灰空心微珠的物理性能

表2  粉煤灰空心微珠的化学组成

2  空心微珠的分选原理和方法

2.1  空心微珠的分选原理

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于粉煤灰中，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：未燃尽炭粒、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合分选。对于湿排粉煤灰，可首先以水为介质分选漂珠（漂珠密度小于1g/cm³），利用磁选方法分离磁珠、铁粉和铁氧化物，利用炭粒表面特性，以浮选法选取炭粒，利用重力分选法分离沉珠。

2.2  分选空心微珠的方法

2.2.1  漂珠的分选

粉煤灰中的漂珠密度小于1g/cm³，密度一般在400-750g/cm³之间，而粉煤灰中的其它成分密度均大于1g/cm³，对于湿法排灰来说，很容易利用水为介质将漂浮于水面上的漂珠分选出来，经干燥、净化得到粉煤灰漂珠，具体工艺流程为：

湿排灰→高压水冲洗(使珠灰分离) →浮选(得到漂珠) →采集(得到湿的漂珠原料) →脱水干燥→混珠→除杂→后处理

2.2.2  磁珠的分选

粉煤灰中铁磁性物质主要包括：Fe、Fe₂O₃、Fe₃O₄，是由于含铁煤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：Fe₃O₄、α-2Fe₂O₃、γ-2Fe₂O₃和Fe³⁺-玻璃相，因此可根据铁磁性物质同其他微粒的磁性差别将铁磁性物质分选出来，而后依据磁珠与其他微粒的粒度差异将磁珠筛分出来，具体工艺流程为：

湿排灰→混合→磁选（湿式磁选机）→干燥→筛分→磁珠

2.2.3  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，比表面积大，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116-117g/cm³，视密度一般为0166-0174g/cm³。目前排放粉煤灰含碳量超过12%的火力发电厂占全国电厂的30%，超过8%的占40%，其他火力发电厂粉煤灰含碳量也多在5%-7%之间。因此，每年随火力发电厂粉煤灰排放出来的热值达33MJ/kg的炭粒达数百万吨之多，不仅造成资源的极大浪费，更重要的是，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。粉煤灰中未燃尽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，为粉煤灰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润湿性和可浮性与煤炭相近，其接触角在60°左右，而粉煤灰中其他颗粒的接触角较小，只有10°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→混浆→浮选（加浮选药剂）→炭粒→干燥→成品

2.2.4  沉珠的分选

当从粉煤灰中分选出漂珠、磁珠和炭粒后，粉煤灰中只剩下沉珠、少量单体石英和杂质等，由于它们在粒径、密度、形状、表面特性等方面有很大不同，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→重力分选→干燥→筛分→不同等级沉珠

3  湿排灰分选空心微珠的原则工艺流程

对于湿排粉煤灰来说，湿法分选是最佳选择，分选工艺流程的选择应根据粉煤灰的物化性质，各珠体的含量、组成及分选特性等综合因素确定。本着先易后难、整体考虑的原则，合理布局整个分选工艺流程。

若粉煤灰中含炭量高，三种珠体（漂珠、沉珠、磁珠）均有回收价值，可采用图1所示，先分选漂珠，次选炭粒，再选磁珠，最后分选沉珠的工艺流程。   

若粉煤灰中含炭粒较少，但炭粒的存在会影响沉珠质量，三种珠体有回收价值，可采用图2所示，先分选漂珠，次选磁珠，再选沉珠，并对分选出的沉珠进行炭粒分选的工艺流程。

由于各燃煤电厂煤源不同，燃烧方式不同，因此所产生的粉煤灰中所含空心微珠的数量、质量也不相同，在确定湿法分选粉煤灰中空心微珠的工艺流程时，应根据各自所产粉煤灰含炭及空心微珠情况和对空心微珠的质量要求，选择合适的工艺流程。

尽管湿法分选粉煤灰中空心微珠的工艺基本上是采用比较成熟的采矿设备，关于此方面的研究也比较多，但实际上湿法分选空心微珠的工艺尚未广泛推广，应加强推广与应用。

随着越来越多的电厂采用干法排灰以保证粉煤灰的活性，干法分选粉煤灰中空心微珠工艺的研究应当是以后研究的重点。

参考文献

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[22] 周志宏,朱振江,黄兆敏.粉煤灰中微珠含量及其性能实验研究[J].粉煤灰,1999(6):13-15.

[33] 全兆平,徐宏,古宏晨,丁文江.粉煤灰空心微珠的研究与应用进展[J].化工矿物与加工,2003(11):31-33.

[44] 李云凯,王勇,高勇,钟家湘.空心微珠简介[J].兵器材料科学与工程,2002,25(3):51-54.

[55] 邵龙义,陈江峰,吕劲.燃煤电厂粉煤灰矿物学研究[J].煤炭学报,2004,29(4):448-452.

[66] 林介东,黄乾凯,江潮全.电厂粉煤灰综合利用技术[J].节能与环保,2002,(2):31-33.

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