景德鎮電廠粉煤灰的理化性質分析與表征

摘要:粉煤灰是燒煤發電后產生的一種工業廢渣。本文采用Mastersizer2000型激光粒度分析儀、DSC/TG、XRD與SEM等測試手段，對景德鎮電廠粉煤灰的理化性質進行了分析和表征。結果表明:景德鎮電廠粉煤灰是由平均粒徑大小為31.5μm的細微顆粒組成，粒度主要分布在1～100μm;其化學成分主要為SiO2、A12O3與Fe2O3，三者總含量高達84.4 %，其次是MgO、K2O、CaO、Na2O;其物相成分主要有石英、莫來石、赤鐵礦與玻璃相。

關鍵詞:景德鎮電廠;粉煤灰;理化性質

1引 言

粉煤灰是燒煤發電后產生的一種工業廢渣，其細顆粒多，外觀多為深灰色。粉煤灰排放目前大多是濕排，需耗用大量的水，堆放需占用大量的土地。1999年，我國粉煤灰排放量達到1.6億噸，據有關資料統計分析和預測，按目前排灰狀況和利用水平，排灰用水達10億多噸/年;貯灰占地約達50萬畝，歷年累積堆放總量已達10億噸以上，雖每年利用量在不斷增加，但總利用率還不足每年排放量的50%。因此，粉煤灰的綜合利用意義重大。目前，已有用粉煤灰為原料制備陶瓷材料的相關報道，主要用于制備工藝玻璃[1]、外墻磚[2]、日用瓷[3]、多孔陶瓷[4]、陶粒[5]、燒結磚[6-7]、釉面磚[8]、透水磚[9]、陶瓷餐具[10-11]及多孔陶瓷膜[12]等。然而，要擴大對粉煤灰資源的利用，對粉煤灰的理化性能進行分析是非常有必要的。筆者就地取材，選取了景德鎮電廠粉煤灰，對其化學組成、礦物組成以及顆粒組成進行了研究，為景德鎮電廠粉煤灰的資源利用提供理論依據。

2實驗原料

本實驗原料取自江西景德鎮發電廠第一粉煤灰堆場，顆粒細小，顏色為深灰色。

3實驗方法與設備

(1) 粉煤灰化學成分測定:按照GB176-87《水泥化學分析方法》執行;

(2) 采用Mastersizer2000型激光粒度分析儀測定粉煤灰的粒徑分布;

(3) 煅燒粉煤灰:取一定量粉煤灰于電爐中煅燒，煅燒溫度為1100℃，保溫0.5h，自然冷卻后，放入干燥器中備用;

(4) 使用德國產的D8Advance型X射線儀(XRD) 分析原粉煤灰及經1100℃煅燒后粉煤灰的礦物組成;

(5)使用德國產的STA449C型聯合熱分析儀(DSC/TG)分析粉煤灰的熱性能;

(6) 利用中國科學儀器廠生產的KYKV-1000B型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察粉煤灰的形貌。

4實驗結果與分析

4.1 粉煤灰的化學成分

粉煤灰的化學成分測定結果見表1。從表1的數據可見:景德鎮電廠粉煤灰的SiO2、A12O3含量分別為57.5%、24.7%，均高于全國平均值50.6%、21.1%;而Fe2O3含量為2.2%，遠低于全國平均值7.2%;SiO2、A12O3與Fe2O3三者成分之和為84.4%;MgO、K2O、Na2O 與SO3含量都高于全國平均值，而CaO的含量為2.2%，低于全國平均值。按粉煤灰化學成分分類[15]，屬于低鈣粉煤灰。從表1可看出，景德鎮電廠粉煤灰的化學成分在全國波動范圍內;與弱塑性粘土相比，兩者的化學成分較為相似，因此，可用其部分替代弱塑性粘土用于生產陶瓷材料。此外，景德鎮電廠粉煤灰中的SiO2與A12O3含量之和高達82.2%，能有效提高陶瓷材料的強度。因此，從化學組成分析可知，景德鎮電廠粉煤灰完全可以作為陶瓷生產的原料使用，變廢為寶。

4.2 粉煤灰的粒徑分布

景德鎮電廠粉煤灰的粒徑分布見圖1，其分析結果見表2。

從表2數據可知:景德鎮電廠粉煤灰的粒度主要分布在1～100μm，其中粒徑小于5μm的占29.7%;小于20μm的顆粒占59.2%;大于80μm的顆粒僅占3.4%;大于100μm的顆粒占1.0%。粒徑范圍在5～10μm、10～20μm、20～80μm與80～100μm的分別占15.2%、14.3%、37.2%和2.4%;粉煤灰的平均粒徑(DM)=31.5μm、D10=1.5μm、D50=15.0μm、D90=65.3μm。以上說明景德鎮電廠粉煤灰的平均粒徑小，主要集中在20μm以下，可作為一種細微顆粒組成的陶瓷原料使用，不僅可提高陶瓷坯料的可塑性，降低產品燒成溫度，還能改善陶瓷材料的性能如機械強度等。

4.3 粉煤灰的TG-DSC與礦物組成分析

景德鎮電廠粉煤灰的TG-DSC差熱分析曲線見圖2。

從圖2可知，景德鎮電廠粉煤灰DSC曲線有兩個明顯的吸熱峰，峰值分別位于125℃和910℃。第一個吸熱峰是由于粉煤灰排除吸附水所致;第二個吸熱峰與粉煤灰中碳酸鹽與硫酸鹽的分解、結構水的排出有關。另外，曲線還有兩個放熱峰，分別位于850℃和1110℃，這是由于粉煤灰中未完全燃燒的物質在850℃附近繼續燃燒放熱所致;而粉煤灰中的SiO2和非晶態Al2O3 在1100℃附近形成莫來石[14]，因而在該區域又出現一放熱峰。TG曲線表明，景德鎮電廠粉煤灰的總失重為9.95%，分別來源于粉煤灰中吸附水與結構水的排出、碳酸鹽與硫酸鹽的分解以及粉煤灰中未完全燃燒的物質繼續燃燒。

為了進一步分析1100℃放熱峰的來源，圖3給出了原粉煤灰與經1100℃煅燒后粉煤灰的XRD圖譜。與曲線A相比，可發現曲線B中莫來石(3Al2O3· 2SiO2) 衍射特征峰增強，石英(SiO2)與赤鐵礦(Fe2O3)的峰強減弱。這是由于景德鎮電廠粉煤灰中的赤鐵礦、含硅鋁玻璃體易與石英(SiO2)在1100～1150℃生成共熔體[15]，生成的共熔體促進了SiO2和非晶態Al2O3在1100～1150℃溫度下形成莫來石，這也正是粉煤灰DSC曲線中1100℃附近出現放熱峰的緣由。此外，曲線A說明景德鎮電廠粉煤灰的晶相成分主要有SiO2、3Al2O3·2SiO2與Fe2O3;同時出現了彌散峰，表明玻璃體的存在。其中SiO2來源于煤燃燒過程中未來得及與其它無機物化合的石英;3Al2O3·2SiO2是由煤中的高嶺土、伊利石以及其它粘土礦物分解而成;Fe2O3由高溫下煤中的FeS與熔融的硅酸鹽反應所形成。顯然，景德鎮電廠粉煤灰中的莫來石(3Al2O3·2SiO2)晶相能改善陶瓷材料的性能。

4.4 粉煤灰的SEM分析

景德鎮電廠粉煤灰的SEM圖片如圖4所示。從圖4可看出，景德鎮電廠粉煤灰由許多大小不均的顆粒組成，形狀有球狀、塊狀，其粒徑大小為1～100μm。圖4中存在一空心顆粒，其粒徑約為100μm，是煤在高溫下煅燒后急冷形成，為硅鋁玻璃體[15]，主要由非晶質的玻璃體和晶體礦物石英、少量莫來石與赤鐵礦構成(被圖3的XRD圖譜證實)。

5結 論

(1) 景德鎮電廠粉煤灰的化學成分主要為SiO2、A12O3與Fe2O3，三者總含量高達84.4%;其次是MgO、K2O及一定量CaO、Na2O等。其化學成分與弱塑性粘土較相似。

(2) 景德鎮電廠粉煤灰的粒度主要分布在1～ 100μm，其平均粒徑為31.5μm，是一種由細微顆粒組成的原料。

(3) 景德鎮電廠粉煤灰的物相成分主要為石英、莫來石與赤鐵礦，同時存在玻璃相。

(4) 景德鎮電廠粉煤灰可作為陶瓷原料加以利用，既經濟又環保。

參考文獻

[1] 繆松蘭.工業廢渣粉煤灰、高嶺土尾砂和瓷石尾砂在工藝玻璃中的應用研究[J].玻璃與搪瓷，2001，29(5):21-25.

[2] 劉屬興，永國，黃勝發等.以瓷石尾砂、粉煤灰、紅粘土等劣質原料試制外墻磚[J].陶瓷學報，2005，4:38-40.

[3] 錢錦，劉文茂，章慧芳等.粉煤灰在陶瓷中的應用研究[J].景德鎮高專學報，2008，23(2):40-41.

[4] 陳猛，吳也凡，石紀軍等.新型鋁硅酸鹽基多孔陶瓷材料合成工藝研究[J].硅酸鹽通報，2008，27(3):499-502.

[5] 趙云雁.利用工業廢渣制備各陶瓷濾球的研究[D].長沙:中南大學，2007.

[6] 王樹忠.粉煤灰燒結磚的試驗研究[J].四川建材，2003，4: 39-55. [7] 楊鋒.淺談高摻量粉煤灰燒結磚的研究與應用[J].吉林建 材，2005，1:38-40.

[8] 陳巍.粉煤灰釉面磚試驗研究[J].陶瓷，2005，5:22-25.

[9] 饒玲麗，曹建新，張洪波等.粉煤灰透水磚的制備研究[J]. 新型建筑材料，2006，7:49-50.

[10] 周家正.利用粉煤灰配制陶瓷餐具與工藝品[J].粉煤 灰，1995，3:36-40.

[11] 徐研.用粉煤灰生產陶瓷制品[J].粉煤灰綜合利用， 2005，5:27-28.

[12] 任祥軍，張學斌，劉杏芹等.粉煤灰基多孔陶瓷膜的制備研 究[J].材料科學與工程學報，2006，24(4):484-488.

[13] 錢覺時.粉煤灰特性與粉煤灰混凝土[M].北京:科學出版社，2002，95-120.

[14] 李方文，魏先勛，馬淞江等.煅燒對粉煤灰合成4A沸石的作 用[J].環境科學與技術，2003，26(4):13-17.

[15] 田娟.從粉煤灰中提取多種微細氧化物的研究[D].貴陽:貴 州大學，2008.

Analysis of Physical and Chemical Property of Fly Ash in Jingdezhen Power Plant

Yang Chao1，Zhou Yan-hua2

(1.School of Art Ceramic，Jingdezhen Ceramic Institute，Jingdezhen 333001，China

2.Department of Civil Engineering，Jiangxi Bluesky University，Nanchang 330000，China )

Abstract:Fly ash is an industrial waste produced by coal burning.The physical and chemical properties of fly ash in Jingdezhen power plant was analysed by Mastersizer 2000 laser particle size analyzer， DSC/TG， XRD and SEM.The results indicated that the fly ash in Jingdezhen power plant was made up of fine particles whose average size was 31.5μm， andmain particle size distribution was 1～100μm， with main chemical contents as SiO2， A12O3 and Fe2O3 ，whose content was 84.4%，followed by MgO， K2O， CaO， Na2O. The main minerals phases was quartz，mullite，hematite and glass phase.The intensity of mullite characteristic diffraction peak was strengthened after fly ash was calcined at 1100℃.

Key words:Jingdezhen power plant;fly ash;physical and chemical property