淺論濕排粉煤灰中空心微珠的分選工藝流程
摘要：論述了電廠濕排粉煤灰中空心微珠的物理性能、分選方法和分選原理，研究了粉煤灰中不同珠體所適用的分選流程，概述了空心微珠的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞：空心微珠；分選；工藝；濕法排灰
中國是燃煤發(fā)電大國，到20世紀(jì)末，全國火電廠粉煤灰渣年排放量已達(dá)1.6億t，其利用僅5000多萬t，利用率僅30左右，每年尚有1億t以上的粉煤灰渣無法利用，基本上采用濕排法排到貯灰場存放。我國至今貯灰場累計占地達(dá)400多km2，嚴(yán)重污染著環(huán)境[1]。而粉煤灰中的空心微珠是一種寶貴的多功能顆粒材料，它是燃煤電廠排出的粉煤灰中的一種細(xì)小、輕質(zhì)、表面光滑、中空的球形顆粒，其主要化學(xué)成份是硅、鋁、鐵的氧化物，占粉煤灰總量的30-50，是粉煤灰高級利用的重要產(chǎn)品[2]。它具有質(zhì)輕、粒徑小、耐磨性強(qiáng)、抗壓強(qiáng)度高、分散流動性好、反光、無毒等優(yōu)良性能，可替代造價較高的人造空心微珠，廣泛應(yīng)用于建材、橡膠、塑料、化工、電子、航天等領(lǐng)域[3]。因此，研究濕排粉煤灰中空心微珠的分選，是空心微珠后續(xù)利用的必須步驟。
1空心微珠的形成機(jī)理和性質(zhì)
1.1空心微珠的形成機(jī)理
粉煤灰空心微珠的生成與煤種、煤質(zhì)、燃燒溫度、燃燒方式有關(guān)。一般地說燃用煙煤的電廠，特別是發(fā)熱量高、含硫量低的煙煤，粉煤灰中產(chǎn)生的空心微珠就多；燃用無煙煤的電廠其粉煤灰中空心微珠的含量就少；燃用褐煤的電廠幾乎沒有空心微珠[4]。其次與燃燒方式即鍋爐的種類有關(guān)，如懸浮燃燒的煤粉鍋爐有利于空心微珠的形成，其它燃燒方式的鍋爐如鏈條爐、沸騰爐、旋風(fēng)爐等不易產(chǎn)生空心微珠[5]。粉煤灰是由形狀差別很大的顆粒組成，各種顆粒都是煤鍋爐內(nèi)燃燒時，其灰分熔融冷卻而成。煤灰系粘土質(zhì)礦物中的高嶺石和伊利水云母，在550℃脫水排氣，從單斜晶系相變?yōu)榉蔷з|(zhì)相，膨脹排氣使質(zhì)地變得疏松多孔，從1000-1300℃逐漸溶解分解，形成莫來石和石英玻璃的共生組合，如這時受到急冷作用，便形成含多量莫來石微晶的海綿狀玻璃，化學(xué)反應(yīng)如下：
Al2O3·2SiO2·2H2O→Al2O3·2SiO2 2H2O
→3(Al2O3·2SiO2)→3Al2O3·2SiO2 4Si
因急冷作用反應(yīng)不完全，多量硅鋁也形成了玻璃相，粘度大，顆粒有大量空隙，所以易粘連石英等碎屑礦物。當(dāng)溫度升到1400℃左右時，不規(guī)則狀的海綿顆粒，先從棱角等尖薄部位開始鈍化，繼而表面熔融的顆粒受表面張力的作用成為球狀，形成了石榴狀、微孔環(huán)殼狀等結(jié)構(gòu)，冷卻成為空心微珠。其中包著的氣體是氮氣以及由氧化鐵和分散后的碳反應(yīng)生成的CO2，隨著溫度的升高，空心微珠內(nèi)的氣體不斷膨脹，球體增大，球殼越來越薄。由于各空心珠內(nèi)所包氣體量不同，各空心珠形成溫度，在高溫區(qū)的停留時間、冷卻速率等形成熱力學(xué)條件不同，使得空心珠大小、珠殼厚度、密度不同[6]。Essenhigh根據(jù)實驗證實，由于煤粒所含揮發(fā)物的膨脹，導(dǎo)致了空心微珠的形成。
1.2空心微珠的性質(zhì)
粉煤灰空心微珠通常包含三種形態(tài)，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、能夠被磁極吸附的空心微珠。粉煤灰空心微珠一般是指粒子尺寸在幾十到幾百微米且具有較為規(guī)則的球形結(jié)構(gòu)的微粒，主要特征是中空部分的直徑應(yīng)在0.4D(D指整個微粒的直徑)以上，如果中空部分的直徑小于0.4D，則表示它在整個微粒中占有很小的比例，這種大小的中空部分對于微粒的密度所產(chǎn)生的影響是很小的或者說是可以忽略不記的。另外在高倍顯微鏡下觀察，其中至少應(yīng)有80-90以上的粒子是球狀的，這樣才能稱這種微粒為空心的、球狀的。由于燃燒條件和煤粉的成分、粒度等不同，其外觀和化學(xué)成分也略有區(qū)別。
2空心微珠的分選原理和方法
2.1空心微珠的分選原理
通過對粉煤灰組成和性質(zhì)的研究可知，組成粉煤灰的各組分均是單體，各自以游離單體形式存在于粉煤灰中，且表現(xiàn)形式及物理化學(xué)性質(zhì)各不相同，具備了進(jìn)行分選的基礎(chǔ)和可能。粉煤灰中各組分大致包括以下幾種：未燃盡炭粒、漂珠、沉珠、磁珠、鐵粉及鐵氧化物、尾灰等，可以根據(jù)各組分的特性進(jìn)行單獨分選或組合分選。對于濕排粉煤灰，可首先以水為介質(zhì)分選漂珠（漂珠密度小于1g/cm3），利用磁選方法分離磁珠、鐵粉和鐵氧化物，利用炭粒表面特性，以浮選法選取炭粒，利用重力分選法分離沉珠。[Page]
2.2分選空心微珠的方法
2.2.1漂
珠的分選
粉煤灰中的漂珠密度小于1g/cm3，密度一般在400-750g/cm3之間，而粉煤灰中的其它成分密度均大于1g/cm3，對于濕法排灰來說，很容易利用水為介質(zhì)將漂浮于水面上的漂珠分選出來，經(jīng)干燥、凈化得到粉煤灰漂珠，具體工藝流程為：
濕排灰→高壓水沖洗(使珠灰分離)→浮選(得到漂珠)→采集(得到濕的漂珠原料)→
脫水干燥→混珠→除雜→后處理
2.2.2磁珠的分選
粉煤灰中鐵磁性物質(zhì)主要包括：Fe、Fe2O3、Fe3O4，是由于含鐵煤粉在高溫燃燒過程中還原、氧化作用所形成的，鐵在鐵質(zhì)微珠中有四種存在狀態(tài)：Fe3O4、α-2Fe2O3、γ-2Fe2O3和Fe3 -玻璃相，因此可根據(jù)鐵磁性物質(zhì)同其他微粒的磁性差別將鐵磁性物質(zhì)分選出來，而后依據(jù)磁珠與其他微粒的粒度差異將磁珠篩分出來，具體工藝流程為：
濕排灰→混合→磁選（濕式磁選機(jī)）→干燥→篩分→磁珠
2.2.3炭粒的分選
粉煤灰中未燃盡的炭大部分以單體形式存在，炭粒呈海綿狀和蜂窩狀，比表面積大，疏松多孔，親油疏水，具有良好的吸附活性，炭粒較軟，強(qiáng)度較低，部分石墨化，具有潤滑性，密度較低，真密度一般為116-117g/cm3，視密度一般為0166-0174g/cm3。目前排放粉煤灰含碳量超過12的火力發(fā)電廠占全國電廠的30，超過8的占40，其他火力發(fā)電廠粉煤灰含碳量也多在5-7之間。因此，每年隨火力發(fā)電廠粉煤灰排放出來的熱值達(dá)33MJ/kg的炭粒達(dá)數(shù)百萬噸之多，不僅造成資源的極大浪費(fèi)，更重要的是，由于粉煤灰中含有未燃盡的炭粒，嚴(yán)重影響了粉煤灰資源的開發(fā)與利用。粉煤灰中未燃盡炭粒的分選不僅回收了未燃盡的炭粒，更降低粉煤灰的含碳量，為粉煤灰的綜合利用奠定了基礎(chǔ)。對于濕排粉煤灰來說，粉煤灰中炭粒的表面潤濕性和可浮性與煤炭相近，其接觸角在60°左右，而粉煤灰中其他顆粒的接觸角較小，只有10°左右，因此采用浮選法分選粉煤灰中的炭粒是最佳選擇。具體工藝流程為：
濕排灰→混漿→浮選（加浮選藥劑）→炭?！稍铩善?/FONT>
2.2.4沉珠的分選
當(dāng)從粉煤灰中分選出漂珠、磁珠和炭粒后，粉煤灰中只剩下沉珠、少量單體石英和雜質(zhì)等，由于它們在粒徑、密度、形狀、表面特性等方面有很大不同，因此可采用重力分選的方法將沉珠分選出來，具體工藝流程為：
濕排灰→重力分選→干燥→篩分→不同等級沉珠
3濕排灰分選空心微珠的原則工藝流程
對于濕排粉煤灰來說，濕法分選是最佳選擇，分選工藝流程的選擇應(yīng)根據(jù)粉煤灰的物化性質(zhì)，各珠體的含量、組成及分選特性等綜合因素確定。本著先易后難、整體考慮的原則，合理布局整個分選工藝流程。
若粉煤灰中含炭量高，三種珠體（漂珠、沉珠、磁珠）均有回收價值，可采用圖1所示，先分選漂珠，次選炭粒，再選磁珠，最后分選沉珠的工藝流程。
若粉煤灰中含炭粒較少，但炭粒的存在會影響沉珠質(zhì)量，三種珠體有回收價值，可采用圖2所示，先分選漂珠，次選磁珠，再選沉珠，并對分選出的沉珠進(jìn)行炭粒分選的工藝流程。[Page]
由于各燃煤電廠煤源不同，燃燒方式不同，因此所產(chǎn)生的粉煤灰中所含空心微珠的數(shù)量、質(zhì)量也不相同，在確定濕法分選粉煤灰中空心微珠的工藝流程時，應(yīng)根據(jù)各自所產(chǎn)粉煤灰含炭及空心微珠情況和對空心微珠的質(zhì)量要求，選擇合適的工藝流程。
盡管濕法分選粉煤灰中空心微珠的工藝基本上是采用比較成熟的采礦設(shè)備，關(guān)于此方面的研究也比較多，但實際上濕法分選空心微珠的工藝尚未廣泛推廣，應(yīng)加強(qiáng)推廣與應(yīng)用。
隨著越來越多的電廠采用干法排灰以保證粉煤灰的活性，干法分選粉煤灰中空心微珠工藝的研究應(yīng)當(dāng)是以后研究的重點。
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