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主办单位:煤炭科学研究总院出版传媒集团、中国煤炭学会学术期刊工作委员会

粉煤灰回收利用理论与技术

来源:洁净煤技术

粉煤灰由燃料(主要是煤)燃烧过程中排出的微小灰粒。其粒径一般在1~100μm之间。属于危险废物。由于表面张力作用,粉煤灰大部分呈球状,表面光滑,微孔较小。一部分因在熔融状态下互相碰撞而粘连,成为表面粗糙、棱角较多的蜂窝状组合粒子。粉煤灰的化学组成与燃煤成分、煤粒粒度、锅炉型式、燃烧情况及收集方式等有关。粉煤灰的排放量与燃煤中的灰分直接有关。据我国用煤情况,燃用1t煤约产生250~300kg粉煤灰。大量粉煤灰如不加控制或处理,会造成大气污染,进入水体会淤塞河道,其中某些化学物质对生物和人体造成危害。

行业视野

环境保护

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  • 作者(Author): 王敏, 王辉, 杨海瑞, 刘汉辉, 孙健伟

    摘要:为实现准东煤灰的绿色化综合利用,笔者研究设计了从准东煤灰中制取氧化铝和白炭黑的工艺流程,确定了最佳工艺条件,并通过SPSS双变量分析比较不同影响因素对提取率影响程度。试验采用准东煤——将军庙原煤,破碎并用马弗炉模拟煤粉炉静态燃烧方式制取灰样。准东煤灰的成分分析和元素分析表明:SiO2占48.84%,Al2O3占31.26%。参照标准制备灰样,对灰样进行SEM分析,发现粘黏性严重,因此试验前先进行机械研磨。采用煤灰与硫酸铵焙烧法制备氧化铝,工艺分为焙烧过程和酸浸过程。因滤液中含有大量杂质铁、钙等元素,采用pH调节法除杂并对除杂效果进行检验,检验结果为除杂率接近100%。从提铝渣中制备白炭黑分为碱浸过程和多次碳分过程。在提铝工艺焙烧过程中,通过提铝率变化曲线及节能角度确定了各因素的最佳试验条件为:焙烧温度600 ℃,焙烧时间60 min,焙烧配料比1∶6;在提铝工艺酸浸过程中,得到最佳试验条件为:酸浸温度60 ℃、酸浸时间20 min、H2SO4浓度0.2 mol/L、酸浸液固比50。从提铝渣制备白炭黑研究中,通过SEM观察到提铝渣疏松多孔,有利于进一步的提硅试验。通过XRD对提铝渣分析,得出提铝渣中含有大量硅、钙元素;用K值法(RIR法)求得提铝渣中Si含量及经提铝后的Si损失率为7.64%。得出碱浸过程最佳试验条件为:碱浸温度60 ℃、碱浸时间30 min、碱浸NaOH浓度3 mol/L、碱浸液固比70,此时Si提取率为99%。采用多次碳分法进行提硅能够满足不同硅含量纯度要求,得到最佳碱浸工艺条件为碳分pH=9.5、CO2通气速率24 mL/min、碳分NaOH浓度0.2 mol/L、碳分液固比80。通过双变量相关性分析,得到各因素对提铝率、SiO2提取率及H2SiO3沉淀率影响程度大小分别为:焙烧温度>焙烧时间>焙烧配料比,酸浸时间>酸浸温度>H2SO4浓度>酸浸液固比,碱浸液固比>碱浸温度>NaOH浓度>碱浸时间,碳分pH>碳分液固比>碳分NaOH浓度>CO2通气速率。通过经济性及可行性分析,说明提出的工艺能有效实现准东煤灰的绿色化综合利用。从提铝后的滤液中重新提取(NH4)2SO4,实现生产原料的再利用;碳分过程后的Na2CO3溶液可通过加入石灰苛化的方式实现NaOH可循环利用于提取工艺生产;本工艺除生产氧化铝和白炭黑外,还能获得Na2SO4等附加产品。
  • 作者(Author): 王庭苇, 郑正旗, 贺行洋, 刘永明

    摘要:粉煤灰是一种火力发电厂的废弃粉体材料,炭黑是橡胶产品中所用的主要补强填料,一般来源于石油和煤炭相关产业,但从节约能源和保护环境的角度出发,必须要降低炭黑的生产量。由于粉煤灰和炭黑的性质相近,因而可采用粉煤灰替代部分炭黑用于橡胶补强材料中。笔者论述了粉煤灰填充橡胶补强材料的工艺研究进展,主要包括直接填充、物理分离、化学提取及表面活性剂改性等4个方式,同时指出了粉煤灰在橡胶填充材料中工业化应用现状,并对粉煤灰提取橡胶用补强材料的方法,用于填充橡胶的处理方法,以及实现工业化的研究方向进行了展望。结果表明,粉煤灰直接填充,分散效果差,掺量较少;化学提纯虽能提升产品质量,但提纯工艺复杂;物理改性方式获得的超细颗粒存在分散性难题;机械化学改性方式采用湿法改性方法效果较明显,但生产效率低,需干燥后使用,难以实现工业化。目前,粉煤灰填充在橡胶材料中的工业化应用主要有耐压橡胶管、阻燃橡胶、氯化聚乙烯胶管等方面,应用范围存在一定的局限性。为实现粉煤灰在橡胶制品中的大规模应用,还需针对上述应用难题,结合多种改性方法,提升改性效果和效率,如结合物理改性法时应减少球磨、超声时间,降低能耗;结合化学改性法时,可引入低成本偶联剂提升改性效果和效率,以寻找一种低成本、高附加值的改性粉煤灰方法。
  • 作者(Author): 竹小宇, 黄科林, 孙振华, 李少鹏, 李会泉, 文朝璐, 张建波

    摘要:我国内蒙古中西部以及山西北部地区的高铝粉煤灰中氧化铝含量高达50%以上,伴生的镓 含量可达60mg/kg,是重要的含铝、镓二次资源。 为进一步提升高铝粉煤灰资源化利用附加值,实现 粉煤灰提铝过程低浓度含镓溶液的高效提取,本文基于高铝粉煤灰预脱硅拜耳-亚熔盐联合法提铝 工艺中的含镓碱液体系,研究了含镓模型溶液中镓离子的静态吸附规律,系统考察了不同吸附时间、 吸附温度、镓初始浓度以及碱浓度对螯合树脂吸附镓离子的影响,完成了吸附动力学与吸附等温线的 考察,并采用吸附柱进行了低浓度含镓碱液动态吸附及淋洗试验验证。 静态吸附试验结果表明:采用 LSC-600型螯合吸附树脂可实现低浓度含镓碱液中镓离子的高效吸附,树脂的平衡吸附容量随静态 吸附时间增大而增大,吸附24h后树脂吸附容量达到平衡;镓离子初始浓度低于400mg/L,树脂的平 衡吸附容量受吸附温度影响较小,在镓离子浓度高于400mg/L体系中,树脂的平衡吸附容量随吸附 温度升高而降低,其中吸附温度为50℃时树脂对镓离子的平衡吸附容量最大;随含镓碱液碱浓度增 加,螯合树脂对镓离子的吸附容量先增大后减小,螯合树脂对镓离子的平衡吸附容量随镓离子初始浓 度增大而增大,镓离子初始浓度高于1200mg/L时树脂吸附容量达到饱和,吸附温度为50℃,镓离 子初始浓度为1200mg/L,碱浓度为5mol/L时树脂的最大吸附容量为36mg/g。 动力学拟合结果表 明:碱体系树脂对镓离子的吸附动力学过程符合准二级动力学方程,属于化学吸附过程;吸附等温线 拟合结果表明,LSC-600型螯合树脂对镓离子的吸附满足Langmuir等温方程,说明镓离子的螯合吸 附过程为单层吸附。 树脂的动态吸附和淋洗结果表明,液体流速越大,树脂达到吸附平衡时的穿透床 层数越小,树脂对镓离子的吸附容量和吸附率均较低,镓离子初始浓度50mg/L,吸附温度为50℃, 吸附流速为2.5BV/h时,树脂对低浓度含镓碱液吸附效果最优,最大吸附容量为3.13mg/g,淋洗过 程淋洗液镓离子浓度随着床层数增加先增大后降低,淋洗流出液达到0.7BV时镓浓度最高为1936 mg/L,高浓度段(0.3~1.5BV)溶液中镓离子浓度为1248mg/L,富集倍数达25倍。 
  • 作者(Author): 张建波, 李占兵, 杨晨年, 李少鹏, 李会泉

    摘要:粉煤灰作为大型煤电基地的重要固体废弃物,年排放量超过6亿t,目前利用率仅为60%左右,大部分粉煤灰以堆存为主,造成严重污染,其资源化利用意义重大。以山西、内蒙古等大型能源基地产生的高铝粉煤灰为例,通过基础物性分析发现,粉煤灰中主要包括铝、硅、铁、钙等主量元素,主要以莫来石相、非晶相、铁质微珠相三类矿相形式赋存,其中莫来石相结构稳定,非晶相铝硅酸盐反应活性较高,但其配位结构复杂,反应活性不一。目前针对其丰富的铝硅资源,氧化铝提取和铝硅复合材料制备是主要高值化研究方向,其中非晶相硅的深度脱除是关键处理技术。针对非晶相硅的赋存形态及定量分析,首先采用核磁分析结合电子探针手段,明确非晶相中铝硅酸盐赋存结构复杂,其中硅原子主要以Q4(4Al)、Q4(3Al)、Q4(2Al)、Q4(0Al)、Q2(1Al)五种配位结构形式存在,其中Q4(0Al)含量高达56.5%;其次采用酸碱联合法,通过逐步削弱铝氧硅沸石自发反应可能性,选择性分离活性铝,促进活性作用位点大量暴露,从而实现非晶态铝硅酸盐的逐步梯级分离,进一步通过ICP、XRF、XRD、扫描电镜、电子探针等分析表征,明确莫来石晶相与铝硅酸盐非晶相之间的高效分离,并开展了2组平行试验,试验结果误差较小。结果表明:非晶相中硅含量为57%~58%,非晶相“鼓包峰”消失,其包裹的莫来石晶粒结构显现,证明非晶相二氧化硅得到高效脱除。该方法具有反应条件温和、误差小、操作弹性大等优点,对粉煤灰铝硅资源高值转化利用具有重要的指导意义。
  • 作者(Author): 胡永健, 王志刚, 付世辉, 厉云龙, 张鑫, 李峻坤

    摘要:为探究不同活化剂对粉煤灰活化作用机理,选取燃烧和气化2种工艺的粉煤灰,分别与碳酸钠、碳酸钙、硫酸铵和浓硫酸混合后焙烧活化,采用XRD分析焙烧活化后的矿物质变化规律,结果表明:燃烧灰中铝元素主要以莫来石形式存在,气化灰主要以透辉石形式存在,碳酸钠焙烧活化后主要形成霞石,最佳活化温度为1 000 ℃;碳酸钙焙烧活化后主要生成钙长石,最佳活化温度为1 300 ℃;硫酸铵焙烧活后主要形成硫酸铝铵,最佳活化温度为500 ℃,在550 ℃时硫酸铝铵分解生成硫酸铝,硫酸铵活化可生成含硫和含氮气体;硫酸焙烧活化后主要生成硫酸铝,最佳活化温度为400 ℃。活化过程中气化灰中的钙易形成硬石膏,提高活化剂硫酸铵和硫酸的用量。4种活化剂的活化温度依次为碳酸钙>碳酸钠>硫酸铵>浓硫酸,因此活化温度低的浓硫酸活化法更具有发展前景。
  • 作者(Author): 王英明, 姜亮, 董彦博, 张文广, 王梓宁, 杨国明, 张香兰

    摘要:为探讨地质聚合物的制备条件对其孔隙结构和吸附性能的影响,以粉煤灰为原料、水玻璃为碱激发剂,分别改变水玻璃模数、液固比、养护温度、养护时间制备地质聚合物,改变溶液的pH值、地质聚合物加入量、吸附时间、Cu2+初始浓度进行Cu2+吸附试验,采用N2吸附法测量粉煤灰基地质聚合物的孔隙结构,并采用分光光度法分析粉煤灰基地质聚合物对Cu2+的吸附效果。结果表明:不同条件下制备的地质聚合物,孔径主要分布在13 nm和70110 nm;当液固比为0.9、养护温度80℃、养护时间3 d、水玻璃模数为1.4时,制备的地质聚合物比表面积最大,Cu2+吸附量达46.3 mg/g;液固比为1.1时,地质聚合物中1.56.0 nm孔含量最高,Cu2+吸附量为43.1 mg/g,养护温度对吸附效果的影响不大;随着养护时间的增加,地质聚合物对Cu2+吸附量增加;地质聚合物对Cu2+的单位吸附量与地质聚合物的比表面积有关,比表面积越大,吸附量越大。在Cu2+溶液pH<4的情况下,地质聚合物对铜离子的单位吸附量随p H值的降低而减少,其吸附等温线符合Freundlich吸附方程。
  • 作者(Author): 胡朋朋, 张建波, 李少鹏, 李占兵, 李会泉

    摘要:为了实现高铝粉煤灰的高值化利用,以高铝粉煤灰为单一铝硅原料,依次对其进行酸、碱预处理,将处理后的高铝粉煤灰与滑石粉混合,通过一步原位烧成制备堇青石-莫来石复合材料,进一步考察原料配比和烧成条件对烧成样品性能的影响规律。结果表明,烧成温度为1 370℃、烧成时间为2 h、堇青石和莫来石理论质量比为50∶50时,可制备出体积密度为1.96 g/cm~3、显气孔率为30.47%、常温抗折强度为66.44 MPa的堇青石-莫来石复合材料,其主要指标均达到YB/T 4549—2016《堇青石-莫来石窑具》的要求,该方法实现了以粉煤灰为主要原料,灵活制备具有不同堇青石和莫来石配比的复合材料,为高铝粉煤灰的高值化利用提供新途径。
  • 作者(Author): 李晓光, 丁书强, 卓锦德, 曾宇平, 王珂, 马宁

    摘要:我国铝土矿资源不足,铝矾土需求量不断增加,从粉煤灰尤其是高铝粉煤灰中提取Al2O3可有效补充我国铝资源量。分析了不同粉煤灰提取Al2O3工艺(酸法提铝、碱法提铝、碱烧结-酸浸出联合提铝技术)的特点、不足及工业化发展现状,探讨了粉煤灰提铝需解决的关键问题,并指出未来发展方向。酸法提铝工艺具有流程简单、能同时溶出Si、Al及其他元素等优点,但存在对提铝设备要求较高,废酸产量大、溶出率低等问题;碱法提取Al2O3工艺相对成熟,但存在硅钙渣产量大、能耗较高、成本高等问题,严重制约了其工业化发展;碱烧结-酸浸出联合提铝工艺可实现Al2O3的高效提取,但存在工艺复杂,强酸、强碱消耗大,Al2O3与Fe、Ti等杂质离子的分离较为困难等缺点。未来应优化完善现有提铝工艺,重视高附加值硅产品协同开发,重视粉煤灰中微量元素的提取和高附加值利用。低能耗、低成本、高效率、无二次污染产生是粉煤灰提铝技术的重要发展方向。

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