粉煤灰与耐火材料应用领域的常规性能研究
发布日期： 2020-09-22 09:16:52 阅读量（726） 作者：邓学志前言
我国作为煤炭燃烧大国，每年燃烧煤炭产生大量粉煤灰固体污染物。与此同时，产生的污染物在没进行科学合理手段处理下，严重破坏了自然环境，对人们日常生活造成严重影响。为此，燃煤热电厂采用磨粉机将原料进行研磨，让其具备水硬活性，应用到各大生产制造中。目前，在建筑材料、施工中应用粉煤灰较多。
随着粉煤灰走进市场，在农业、造纸、催生材料等领域也逐渐开始使用粉煤灰。经研究显示，粉煤灰主要组成成分为Al2O3和SiO2，具有耐火属性，因此也广泛应用于耐火材料制造中。虽然粉煤灰在耐火材料中应用较广，但是其物理性质、化学性质、结构、性能等没有准确资料参考。故本文主要通过检测粉煤灰主要性质，分析其耐火性能，为粉煤灰开发利用提供参考。
1研究方法
1.1研究材料
我国以煤炭为主要能源，每年消耗煤炭数量约占全国煤炭产量的1/3。粉煤灰是当前排放量最大的工业废渣之一。其主要是在燃烧过程中，煤粉在炉膛中呈悬浮状态燃烧。煤粉中易燃物质燃在炉内燃尽，不燃物质在高温作用下形成圆形颗粒，在引风机抽气作用下流向炉尾，排入大气中。这些细小的圆形颗粒就是即为粉煤灰。
1.2检查方法
(1)分析粉煤灰化学成分。使用美国公司提供的ER/S型电感耦合等离子体发射光谱仪。
(2)分析粉煤灰晶相。使用荷兰公司提供的X射线衍射仪器。将X射线衍射仪器管压力维持在40kV，管电流维持在40mA，在CuKα辐射源作用喜爱，以2°/min的速度进行扫描。
(3)分析粉煤灰热重。使用德国公司提供的STA449/6/G型热综合分析仪。将粉煤灰原料过滤，除去颗粒较大粉煤灰，将细小粉煤灰与少量清水进行混合均匀，制作成三角锥立体形状。将三角锥放入热综合分析仪内，在不同温度测量下，检查粉煤灰耐火性能。
(4)分析粉煤灰表面积与空隙率。使用美国公司提供的Autosorb-1-MP/LP型全自动比表面及孔隙率分析仪。
(5)分析粉煤灰颗粒分布情况。使用英国公司提供的MS2000G型激光粒度分析仪。将粉煤灰让入水中进行检测。
(6)分析粉煤灰形状。使用香港公司提供的Nova400Nano高分辨场发射扫描显微镜观察。首先将粉煤灰放入无水乙醇中进行分散，再取分散后溶剂放置载玻片中，将温度维持在110℃且干燥条件下，放置12h后进行喷金处理，最后在扫描显微镜下观察粉煤灰形状。
2研究结果
2.1化学组成成分
粉煤灰化学组成成分包括Al2O3、SiO2、CaO、Fe2O3、MgO、TiO2、K2O、Na2O、S、P、C化学成分，其中Al2O3、SiO2含量最多，约占粉煤灰质量的88.5%。碱性金属氧化物K2O、Na2O含量较少。C元素为易燃物，在燃烧过程中可除尽。
2.2晶相分析
通过研究显示，刚于相和莫来石相是粉煤灰主要物相。通过上述研究显示，粉煤灰中含有微量CaO、Fe2O3、TiO2杂质，在通过X射线衍射仪器时，显示器上没有明确显示。据显示器物质含量数据显示，经计算得出粉煤灰中莫来石相与理论上的莫来石相有较大差别，但是其主要成分还是Al2O3、SiO2。如果粉煤灰中莫来石相按照理论莫来石相进行计算，应该为Al4.5Si1.5O9.75。实际上，通过X射线衍射显示，粉煤灰中莫来石相为Al4.75Si1.25O9.63。耐火材料主要成分为Al2O3、SiO2，在莫来石相中Al2O3、SiO2具有耐火性能，所以在制造耐火材料时可选用粉煤灰。
2.3综合热分析
通过热综合分析仪显示，在不同温度，粉煤灰损耗不同。随着温度的上升，损耗逐渐增大。温度小于200℃时，粉煤灰损失最小，为0.13%;温度达到1200℃时，温度损耗最大，为4.46%。这是因为粉煤灰是煤炉中不易燃烧的颗粒物，成分中不含有结晶水、结合水等，所以在温度较高情况下损耗也不大。在温度升高过程中产生的损耗，主要是通入空气中含有水分，水分与粉煤灰反应引起的损耗。温度在200℃-100℃期间，粉煤灰损耗约为4%，此阶段的损耗主要是，在煤炭燃烧过程中有少部分物质未完全燃烧，在加热过程中受热氧化，引起的损耗。从热综合分析仪显示，在627.2℃和1030.7℃有明显放热峰。在627.2℃产生放热峰，主要原因是粉煤灰中残留未燃烧的物质，随着温度上升达到燃烧值后，燃烧放热;在1030.7℃产生放热峰，主要原因是粉煤灰中Al2O3、SiO2在高温条件下发生化学反应，形成莫来石。
2.4耐火程度
将粉煤灰放置不同温度下检查其耐火程度。经过耐火度炉热处理后，粉煤灰有不同程度的损害，在1580℃和1610℃情况下，粉煤灰已完全变形，在1630℃情况下，粉煤灰有轻微弯曲，说明粉煤灰的耐火范围在1630℃-1610℃之间。材料耐火程度是指在高温作用下，不易发生变形、软化等，起到保护物体原始形态作用，但是耐火程度不等同于熔点。在粉煤灰中Al2O3、SiO2具备耐火性质，由Al2O3、SiO2组成的莫来石，莫来石的熔点在(1890±90)℃。但是由于粉煤灰中含有其他杂质，在燃烧过程中不能完全去除，所有其耐火温度不高，一般小于1200℃。
2.5比表面和孔隙率
通过全自动比表面及孔隙率分析仪显示，粉煤灰吸附、脱附程度较低，总吸附量在0-30ml/g范围内，吸附效果不强。由此说明粉煤灰表面积较小、孔隙较少。接下来研究粉煤灰不同孔隙的吸附强度，据数据研究显示，孔隙大小在2-10nm内，具有吸附性;孔隙大于102nm时，随着孔隙的增大，孔隙数量增多，其吸附效果增强。这是由于粉煤灰中存在空心结构颗粒，空心结构颗粒孔隙大、孔隙数量多，所以吸附性强。但是在粉煤灰中只有少部分空心结构颗粒，所以粉煤灰整体吸附性不强。
2.6颗粒分布
通过激光粒度分析显示，粉煤灰颗粒大小、分布情况呈正态分布，且分布范围较广。说明粉煤灰整体颗粒大小均匀，但是分布较为分散。
2.7形状分析
在扫描显微镜观察粉煤灰形状结构。研究显示，粉煤灰分布均匀，呈规则球状，表面光滑，颗粒较小。在观察过程中，还发现存在一些不规则颗粒物，这一些不规则颗粒物可能是在温度冷却后形成的颗粒物。同时，在显微镜观察下，观察到小部分空心结构粉煤灰，可用于制作隔热耐火材料。
3结语
综上所述，在煤炭燃烧过程中产生大量污染环境物质，其中粉煤灰是主要固体污染物质。为减少粉煤灰对环境的污染，根据粉煤灰不同性能，用于制造不同材料，提高资源利用率。
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