基于穩態流體的粉煤灰水力分級及礦物學特征研究*

祁 超，張曉民，李亞航，陳天星，王 欣

(1.西安建筑科技大學 資源工程學院，陜西 西安 710055；2.甘肅酒鋼集團宏興鋼鐵股份有限公司，甘肅 嘉峪關 735100)

0 引言

粉煤灰又稱飛灰，是燃煤電廠煤粉經高溫燃燒后從煙道氣體中經收塵裝置收集的一種類似火山灰質的細灰，是一種復雜的細分散相固體廢棄物[1]。粉煤灰外觀呈灰白色，由空心微珠、磁珠、碳顆粒和不規則鋁硅酸鹽等顆粒構成。粉煤灰中各種顆粒密度差異較大，范圍在0.4～4.0 g/cm3；粒徑主要分布在0.5～300 μm，平均粒徑10～30 μm[2-3]。粉煤灰主要化學成分為Al2O3、SiO2、CaO、Fe2O3等，并含有未燃盡的碳和其他微量元素[4]。

目前，粉煤灰的分級有干法分級和濕法分級，采用的設備有：根據顆粒尺寸分級的機械振動篩[5]，根據重力沉降分級的流幕式氣力分級機、返流分級機和微米分離器[6-7]，根據推力和重力共同作用分級的搖床[8]，根據離心力分級的渦輪分級機[9]、水力旋流器等[10]。例如：單雪媛[5]采用機械振動篩將粉煤灰篩分成+200、-200+240、-240+260、-260目等粒級；周曉君等[6]采用流幕式氣力分級機對粉煤灰分級，將粉煤灰分成50～70、70～100、100～150、150～250、250 μm以上等粒級；張玉龍等[10]采用水力旋流器對粉煤灰分級，溢流中分離粒徑d50為43.9 μm，溢流中小于45 μm粉煤灰的質量分數達到90.58%。但是由于粉煤灰顆粒細、密度小，粒徑分布范圍廣、界限模糊，導致重力分級效果不佳；同時分級機內物料濃度對分級過程中顆粒間的干擾性強，粗顆粒夾帶細顆粒，大量的細顆?；烊氪诸w粒中，分級效率下降；此外，由于微細粒級顆粒物對流體有良好的跟隨性，常規分級設備內部流場的不均勻性對顆粒分級擾動大，等移和等降等混級現象明顯，導致分級精度下降[11-12]。

本研究通過濕式篩分探究不同粒級粉煤灰的顆粒物組成及微觀形貌，采用穩態水力分級裝置實現粉煤灰在粒徑和密度上的精細化分級，可為粉煤灰資源綜合利用提供參考。

1 試驗和方法

1.1 材料

對四川某燃煤發電廠粉煤灰進行了XRD、XRF檢測，結果見圖1和表1。

圖1 粉煤灰的XRD圖譜

表1 粉煤灰的化學成分 單位：%

由圖1可知，粉煤灰含莫來石、石英、硅線石和氧化鋁等，0°～30°內存在寬化的駝峰，表明存在非晶相，非晶相為硅鋁氧化物玻璃體。由表1可知，該粉煤灰的主要化學成分是Al2O3、SiO2、Na2O和Fe2O3，此外還有少量的SO3、K2O、CaO、TiO2以及微量元素。粉煤灰的CaO質量分數低于10%，表明該粉煤灰為低鈣灰。

采用掃描電子顯微鏡(SEM)表征粉煤灰及其特征顆粒物的外觀形貌，結果見圖2。由圖2可知，粉煤灰中含有空心微珠、磁珠、碳顆粒、實心微珠和形狀不規則的鋁硅酸鹽顆粒，且粒徑分布范圍廣。

圖2 粉煤灰中顆粒物的SEM圖

1.2 篩分試驗

采用LK-MVS數字控制篩分系統，將粉煤灰樣品篩分成+100、-100+230、-230+300、-300+400、-400+600、-600目等粒級產物。為保證篩分效果，將配制的粉煤灰礦漿質量分數定為3%。

1.3 穩態水力分級試驗及裝置

圖3為穩態水力分級裝置的結構示意圖。穩態水力分級裝置主體由5根管徑依次增大的玻璃管串聯組成，每根管的上端有一個進氣管，下端有一個排料管，第一根管的下部有一個磁珠回收區域。顆粒在穩態水流中運動，當其受到的向下的重力與向上的阻力相等時會達到沉降末速度，此時顆粒的加速度為零。若顆粒的沉降末速度小于管中向上水流的速度，顆粒則跟隨水流運動到下一個分級管；若顆粒的沉降末速度大于管中向上水流的速度，顆粒則下沉至當前分級管的底部。

顆粒的沉降末速度由雷諾數(Re)決定。當體系的Re<1時，沉降末速度為

(1)

當1

(2)

式中：g為重力加速度，m/s2；Dp為顆粒的平均直徑，m；μ為流體的黏度，Pa·s；ρp為顆粒的密度，kg/m3；ρ為流體的密度，kg/m3。

圖3 穩態水力分級裝置示意圖

采用穩態水力分級裝置對-400+600目的粉煤灰樣品進行水力分級試驗，所用樣品質量為60 g，配制的礦漿質量分數為1%，水流流速為10 L/h，運轉時間為8 h。

1.4 空心微珠質量分數的統計方法

將水力分級得到的產物制備成樹脂薄片，用裝有快速自動計數儀的透射光學顯微鏡分析其中的空心微珠，將中心為亮色區域的球形顆粒確定為空心微珠，計算空心微珠總數與被檢測顆?？倲档谋戎担⑵渥鳛榭招奈⒅榈馁|量分數[13]。

1.5 穩態水力分級產物的表征

采用LS-800型激光粒度儀測定穩態水力分級產物的粒徑分布，采用全自動真密度儀測定穩態水力分級產物的密度，采用X射線熒光光譜儀表征穩態水力分級產物的元素分布特征。

2 結果與討論

2.1 篩分試驗分析

為揭示不同粒級粉煤灰中顆粒物的分布規律，對篩分后的物料進行SEM檢測，分析不同粒級顆粒物的組成，并采用點計數法統計不同篩分物料中空心微珠的質量分數，結果見圖4和圖5。

圖4 各粒級粉煤灰的SEM圖

由圖4可知：-100+300目篩分產物的顆粒物組成成分主要為碳顆粒、不規則的硅酸鹽顆粒和少量表面粗糙的球形顆粒；隨著粒徑的減小，-300+400目篩分產物中的碳顆粒質量分數有所降低，且硅酸鹽顆粒的形狀趨近球形，并存在少量表面光滑的球形顆粒；當顆粒粒級為-400+600目和-600目時，其顆粒物成分主要為表面光滑的球形顆粒。

由圖5(a)可知，空心微珠的質量分數隨著篩分產物粒徑的減小而升高，且粒徑分布呈遞增趨勢。由圖5(b)可知，粉煤灰中的空心微珠為中空結構，可透光且表觀呈亮色，而碳粒、磁珠和不規則鋁硅酸鹽等實心顆粒均不透光，表觀呈黑色。

圖5 空心微珠的表征

2.2 穩態水力分級試驗分析

2.2.1 分級產物微觀形貌分析

通過穩態水力分級裝置對-400+600目粉煤灰進行進一步的精細化分級，對不同的分級產物進行微觀形貌分析，結果見圖6。由圖6可知：1號分級管中產物主要為磁珠和少量密度較大的不規則顆粒物，且磁珠為密實的球形顆粒；3號、4號分級管和溢流中產物以表面粗糙的球形顆粒為主，含有少量的不規則鋁硅酸鹽顆粒、碳粒和表面光滑的球形顆粒；2號和5號分級管中產物以表面光滑的球形顆粒為主，只有少量的碳粒和不規則鋁硅酸鹽顆粒。

圖6 -400+600目粉煤灰水力分級產物的SEM圖

2.2.2 分級產物在粒徑與密度上的分布特征

為探明不同分級管中粉煤灰在粒徑和密度上的差異，測定了-400+600目粉煤灰水力分級產物的粒徑分布和密度，結果見圖7。

圖7 -400+600目水力分級產物粒徑分布和密度

由圖7可知：通過穩態水力分級得到的不同粉煤灰產物的粒徑和密度均呈遞減趨勢，分級產物平均粒徑(d50)分別為57.85、56.15、52.49、46.54、39.53 μm；分級產物的密度分別為2.94、2.84、2.24、1.95、1.81 g/cm3；這是由于2號—5號分級管的管徑依次減小，使得管中水流流速依次增大，因而實現了窄粒級范圍內粉煤灰的分級。粉煤灰顆粒物粒級細、密度小、粒徑分布范圍大，對于空氣分級設備和水力旋流分離設備而言，分離設備內部流場的不均勻會對顆粒沉降產生大的干擾，而穩態水流提供的均勻流場避免了流場不穩定對顆粒沉降的影響，能夠實現粉煤灰在粒徑和密度上的精細化分級。

2.2.3 元素分布特征

為探明同一粒級不同分級管中粉煤灰在元素分布上的差異，測定了-400+600目粉煤灰水力分級產物的元素質量分數，結果見表2。

表2 -400+600目水力分級產物的元素分布 單位：%

由表2可知：通過穩態水力分級得到的不同粉煤灰產物中，Al2O3質量分數隨粒徑減小而增大，SiO2質量分數隨粒徑減小先增大后減小，CaO、TiO2和Fe2O3質量分數均隨粒徑減小而減小。由于Ca、Ti、Fe為重質元素，CaO、TiO2和Fe2O3質量分數的變化趨勢與密度變化趨勢一致。

3 結論

a.通過對篩分試驗的結果分析可知，空心微珠主要分布在細粒級粉煤灰中，空心微珠質量分數隨粒徑減小而增大。

b.利用穩態水流提供的均勻流場可避免流場不穩定對顆粒沉降的影響，能夠實現粉煤灰在粒度和密度上的精細化分級。

c.通過穩態水力分級發現：不同粉煤灰產物中Al2O3質量分數隨粒徑減小而增大，SiO2質量分數隨粒徑減小先增大后減小，CaO、TiO2和Fe2O3質量分數均隨粒徑減小而減小。該研究成果可為粉煤灰的資源化綜合利用提供參考。