粉煤灰在煤炭行业中的应用综述
时间：2021-02-11 20:01:48 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
摘要:粉煤灰亦称飞灰或漂灰(Fly-ash),是火力发电厂煤粉燃烧后随烟气排放的细灰状残留物,为煤炭燃烧的副产品。文章从粉煤灰的危害入手,对其物理化学性能和矿物组成进行了介绍,综述了粉煤灰在煤炭行业中的主要应用,对其作用机理和产生的效益进行了分析,并对粉煤灰应用的注意事项和发展方向进行了剖析。
关键词:粉煤灰;煤炭行业;作用机理;形态效应;活性效应;矿用浇筑料;填充技术
中图分类号:TU528文献标识码:A文章编号:1009-2374 (2010)10-0093-03
一、粉煤灰的分类
粉煤灰亦称飞灰或漂灰(Fly-ash),是火力发电厂煤粉燃烧后随烟气排放的细灰状残留物,为煤炭燃烧的副产品。我国是煤炭生产和消费大国,燃煤发电占据着电力发展的主要地位,由此产生的粉煤灰排放量逐年增加。到目前为止,我国粉煤灰年排放量已达2亿吨左右,已成为最大的工业固体废弃物。
粉煤灰的大量堆放,对环境有着极大的危害,大致分为以下四种:
(一)土壤危害
粉煤灰的大量堆放,不仅占用大量土地,还对土壤造成严重污染。每1万吨粉煤灰贮存将占地1334m2,到目前为止全国占地已约60万亩,造成土地资源的极大浪费。
(二)水域危害
粉煤灰若排入水系会造成河流淤塞;堆放在储灰场的粉煤灰,在日晒、风吹、雨淋、冻溶等作用下,一方面粉煤灰颗粒会随风飘落水体中,另一方面粉煤灰中一些可渗虑的有害物质易随天然降水进入地表水循环或渗入地下水,使水质恶化。
(三)大气危害
由于粉煤灰颗粒小,体积轻,易通过空气进行污染扩散,在四级以上风力的气候条件下,长时间漂浮在大气中,严重影响周围的空气质量;大于2μm的粉尘颗粒可沉积在人体的鼻咽区,小于2μm的颗粒会沉积在支气管、肺泡区;悬浮颗粒落在地面后,会对建筑物、露天雕塑品的表面造成严重侵蚀,影响市容市貌。
(四)放射性危害
有些低等级原煤放射性核元素含量较高,燃烧后粉煤灰中的放射性元素相对集中。其在衰变过程中放出的α、β、γ射线,可以影响几代甚至几十代人,引起人体的远期效应(如遗传效应)。
二、粉煤灰的主要性质
粉煤灰的物理、化学性质取决于煤的品种、煤粉的细度、燃烧方式及温度、粉煤灰收集与排灰方法等。物理性质影响早期水化反应,而化学成分影响后期的反应。
(一)物理特性
粉煤灰的粒径范围为0.5～300μm,大部分的颗粒要比水泥细得多,为灰黑～灰白色的粉状物。含水、含炭量大的粉煤灰颜色相对较深,颜色浅的燃烧完全,变异程度较高。
粉煤灰的物理性质是化学成分及矿物组成的宏观反映。细度越小,细粉占的比重越大,其活性也越大。以古交坑口电厂产生的粉煤灰为例,其物理性质指标见表1:
表1粉煤灰的物理性质指标
密度(g/cm3)堆积密度(g/cm3)细度(45μm筛余)(%)比表面积(cm2/ g)需水量比(%)烧失量(%)含水率(%)SO3(%)
2.010.62～0.79≤10.93500～3700≤83≤3≤0.51.5
(二)化学成分及矿物组成
1.化学成分。化学成分对粉煤灰的性质有重要影响,主要有二氧化硅 (SiO2)、三氧化二铝 (A12O3)、三氧化二铁(Fe2O3)和未燃炭 (C),约占总量的80%以上;次要的化学成分为氧化钙 (CaO)、氧化镁 (MgO)、三氧化硫 (SO3)、氧化钠(Na2O)及氧化钾 (K2O)等,另外还有少量的铜 (Cu)、锌 (zn)等微量元素,约占总量的20%左右。上述成分中,SiO2及A12O3为酸性氧化物,而CaO及MgO为碱性氧化物。
2.矿物组成。粉煤灰是多种颗粒的机械混合物,也就是所谓的“粒群”。包括珠状颗粒和渣状颗粒两大类。其矿物主要组成为:玻璃体、石英、莫来石、硅灰石、铁矿物、硅酸二钙、炭屑等。
粉煤灰的活性不仅决定于它的化学组成,而且与它的物相组成和结构特征有着密切关系。高温熔融并经过骤冷的粉煤灰,含大量的表面光滑的玻璃微珠,具有较高的化学内能,是粉煤灰活性的主要来源。
三、在煤炭行业中的应用
(一)沿空留巷巷旁填充
1.概述。沿空留巷巷旁填充技术是煤矿开采的一项创新技术,即在上一区段运输巷下侧预置一条充填带,下一区段回风巷掘进时,沿充填带掘进,不再预留煤柱,用充填带把上下两个工作面间留设煤柱置换出来,以提高煤炭回采率,节约煤炭资源,提高经济效益。
以往的沿空留巷巷旁填充采用密集支柱、木垛、矸石带等作为巷旁支护,巷内多采用木棚、工字钢梯形支架支护。其存在要求煤层厚度严格(在1.0～2.5m厚),工效低、劳动强度大、安全性差等缺点,应用范围受到极大限制。
随着沿空留巷巷旁填充理论和相关材料研究的不断发展,研制出一种以粉煤灰为主要原料的“新型矿用浇筑料代替煤柱”的沿空留巷巷旁填充新的施工技术。
2.新型矿用浇筑料代替煤柱填充技术。“新型矿用浇筑料代替煤柱填充技术”即在采煤过程中不留护巷煤柱,采用以粉煤灰为主要原料的新型矿用浇筑料来浇筑混凝土墙,代替煤柱维护巷道的开采技术。
该新型矿用浇筑料采用粉煤灰为主要原料(占40%以上),辅以水泥、砂等辅助材料,添加适量矿用外加剂经过一定比例的拌合制成,在浇筑现场只需加入规定用量的水搅拌均匀即可使用的材料。其具有快速脱模、输送距离远、免振动且充填效果好、浇筑体中后期强度高等特点,性能指标见表2、表3:
表2 拌合物工作性能指标
龄期坍落度≥(mm)坍落扩展度≥(mm)
初期260650
30min225500
表3 硬化体抗压强度指标
龄期4h3d28d
抗压强度(≥MPa)2.011.031.0
3.作用机理。粉煤灰在新型矿用浇筑料中的作用机理可归结为三种效应:形态效应、活性效应和微集料效应。这三种效应之间是互相联系、互为补充的。
(1)形态效应。粉煤灰中含有大量空心或实心的玻璃珠,具有粒形圆整、表面光滑、粒度较细、质地致密的形态特点,可使水泥浆体的需水量降低10%左右;同时比水泥熟料粒度更细、级配连续的粉煤灰微粒均匀地分布在浆体中,以增强保水性和匀质性,降低水泥浆体的屈服剪切应力和塑性粘度,提高拌合物的流变性能。
(2)活性效应。以酸性氧化物 (SiO2和A12O3)为主要成分的玻璃体,具有较高的化学内能,是粉煤灰活性的主要基团。所含的活性 SiO2、Al2O3 含量愈高,其活性愈强。
SiO2和A12O3在水泥中的石灰和石膏共同激发下,能生成稳定的钙矾石晶体,从而增加了水泥浆体的微中心质,有利于矿用浇筑料早期强度的形成。
(3)微集料效应。粉煤灰中厚壁的空心微珠有很高的抗压强度,约为7031kg/cm2。30μm以下的粉煤灰颗粒在水泥石中起未水化水泥熟料微粒的作用,可使水化后期粉煤灰表面生成低铝的C-S-H凝胶,加大界面粘结力,大大增强矿用浇筑料的硬化体强度。
4.效益分析。该项技术已在西山煤电集团公司屯兰矿18205工作面试验成功,并经过长期观测,满足巷道承载力和变形要求,可供不同条件的矿井使用,即将在山西焦煤公司内部大面积推广。
经济效益:每米巷道可增加经济效益4～6万元左右(据煤层厚度和煤质情况)。
社会效益:可以合理开发煤炭资源,提高煤炭资源的回采率,延长矿井的服务年限;可以少掘巷道,减少掘进成本,缓解采掘接续紧张的状况;可以实现Y型通风,极利于瓦斯抽放等。
