基于稳态流体的粉煤灰水力分级及矿物学特征研究*

祁 超，张晓民，李亚航，陈天星，王 欣

(1.西安建筑科技大学 资源工程学院，陕西 西安 710055；2.甘肃酒钢集团宏兴钢铁股份有限公司，甘肃 嘉峪关 735100)

0 引言

粉煤灰又称飞灰，是燃煤电厂煤粉经高温燃烧后从烟道气体中经收尘装置收集的一种类似火山灰质的细灰，是一种复杂的细分散相固体废弃物[1]。粉煤灰外观呈灰白色，由空心微珠、磁珠、碳颗粒和不规则铝硅酸盐等颗粒构成。粉煤灰中各种颗粒密度差异较大，范围在0.4～4.0 g/cm3；粒径主要分布在0.5～300 μm，平均粒径10～30 μm[2-3]。粉煤灰主要化学成分为Al2O3、SiO2、CaO、Fe2O3等，并含有未燃尽的碳和其他微量元素[4]。

目前，粉煤灰的分级有干法分级和湿法分级，采用的设备有：根据颗粒尺寸分级的机械振动筛[5]，根据重力沉降分级的流幕式气力分级机、返流分级机和微米分离器[6-7]，根据推力和重力共同作用分级的摇床[8]，根据离心力分级的涡轮分级机[9]、水力旋流器等[10]。例如：单雪媛[5]采用机械振动筛将粉煤灰筛分成+200、-200+240、-240+260、-260目等粒级；周晓君等[6]采用流幕式气力分级机对粉煤灰分级，将粉煤灰分成50～70、70～100、100～150、150～250、250 μm以上等粒级；张玉龙等[10]采用水力旋流器对粉煤灰分级，溢流中分离粒径d50为43.9 μm，溢流中小于45 μm粉煤灰的质量分数达到90.58%。但是由于粉煤灰颗粒细、密度小，粒径分布范围广、界限模糊，导致重力分级效果不佳；同时分级机内物料浓度对分级过程中颗粒间的干扰性强，粗颗粒夹带细颗粒，大量的细颗粒混入粗颗粒中，分级效率下降；此外，由于微细粒级颗粒物对流体有良好的跟随性，常规分级设备内部流场的不均匀性对颗粒分级扰动大，等移和等降等混级现象明显，导致分级精度下降[11-12]。

本研究通过湿式筛分探究不同粒级粉煤灰的颗粒物组成及微观形貌，采用稳态水力分级装置实现粉煤灰在粒径和密度上的精细化分级，可为粉煤灰资源综合利用提供参考。

1 试验和方法

1.1 材料

对四川某燃煤发电厂粉煤灰进行了XRD、XRF检测，结果见图1和表1。

图1 粉煤灰的XRD图谱

表1 粉煤灰的化学成分 单位：%

由图1可知，粉煤灰含莫来石、石英、硅线石和氧化铝等，0°～30°内存在宽化的驼峰，表明存在非晶相，非晶相为硅铝氧化物玻璃体。由表1可知，该粉煤灰的主要化学成分是Al2O3、SiO2、Na2O和Fe2O3，此外还有少量的SO3、K2O、CaO、TiO2以及微量元素。粉煤灰的CaO质量分数低于10%，表明该粉煤灰为低钙灰。

采用扫描电子显微镜(SEM)表征粉煤灰及其特征颗粒物的外观形貌，结果见图2。由图2可知，粉煤灰中含有空心微珠、磁珠、碳颗粒、实心微珠和形状不规则的铝硅酸盐颗粒，且粒径分布范围广。

图2 粉煤灰中颗粒物的SEM图

1.2 筛分试验

采用LK-MVS数字控制筛分系统，将粉煤灰样品筛分成+100、-100+230、-230+300、-300+400、-400+600、-600目等粒级产物。为保证筛分效果，将配制的粉煤灰矿浆质量分数定为3%。

1.3 稳态水力分级试验及装置

图3为稳态水力分级装置的结构示意图。稳态水力分级装置主体由5根管径依次增大的玻璃管串联组成，每根管的上端有一个进气管，下端有一个排料管，第一根管的下部有一个磁珠回收区域。颗粒在稳态水流中运动，当其受到的向下的重力与向上的阻力相等时会达到沉降末速度，此时颗粒的加速度为零。若颗粒的沉降末速度小于管中向上水流的速度，颗粒则跟随水流运动到下一个分级管；若颗粒的沉降末速度大于管中向上水流的速度，颗粒则下沉至当前分级管的底部。

颗粒的沉降末速度由雷诺数(Re)决定。当体系的Re<1时，沉降末速度为

(1)

当1

(2)

式中：g为重力加速度，m/s2；Dp为颗粒的平均直径，m；μ为流体的黏度，Pa·s；ρp为颗粒的密度，kg/m3；ρ为流体的密度，kg/m3。

图3 稳态水力分级装置示意图

采用稳态水力分级装置对-400+600目的粉煤灰样品进行水力分级试验，所用样品质量为60 g，配制的矿浆质量分数为1%，水流流速为10 L/h，运转时间为8 h。

1.4 空心微珠质量分数的统计方法

将水力分级得到的产物制备成树脂薄片，用装有快速自动计数仪的透射光学显微镜分析其中的空心微珠，将中心为亮色区域的球形颗粒确定为空心微珠，计算空心微珠总数与被检测颗粒总数的比值，并将其作为空心微珠的质量分数[13]。

1.5 稳态水力分级产物的表征

采用LS-800型激光粒度仪测定稳态水力分级产物的粒径分布，采用全自动真密度仪测定稳态水力分级产物的密度，采用X射线荧光光谱仪表征稳态水力分级产物的元素分布特征。

2 结果与讨论

2.1 筛分试验分析

为揭示不同粒级粉煤灰中颗粒物的分布规律，对筛分后的物料进行SEM检测，分析不同粒级颗粒物的组成，并采用点计数法统计不同筛分物料中空心微珠的质量分数，结果见图4和图5。

图4 各粒级粉煤灰的SEM图

由图4可知：-100+300目筛分产物的颗粒物组成成分主要为碳颗粒、不规则的硅酸盐颗粒和少量表面粗糙的球形颗粒；随着粒径的减小，-300+400目筛分产物中的碳颗粒质量分数有所降低，且硅酸盐颗粒的形状趋近球形，并存在少量表面光滑的球形颗粒；当颗粒粒级为-400+600目和-600目时，其颗粒物成分主要为表面光滑的球形颗粒。

由图5(a)可知，空心微珠的质量分数随着筛分产物粒径的减小而升高，且粒径分布呈递增趋势。由图5(b)可知，粉煤灰中的空心微珠为中空结构，可透光且表观呈亮色，而碳粒、磁珠和不规则铝硅酸盐等实心颗粒均不透光，表观呈黑色。

图5 空心微珠的表征

2.2 稳态水力分级试验分析

2.2.1 分级产物微观形貌分析

通过稳态水力分级装置对-400+600目粉煤灰进行进一步的精细化分级，对不同的分级产物进行微观形貌分析，结果见图6。由图6可知：1号分级管中产物主要为磁珠和少量密度较大的不规则颗粒物，且磁珠为密实的球形颗粒；3号、4号分级管和溢流中产物以表面粗糙的球形颗粒为主，含有少量的不规则铝硅酸盐颗粒、碳粒和表面光滑的球形颗粒；2号和5号分级管中产物以表面光滑的球形颗粒为主，只有少量的碳粒和不规则铝硅酸盐颗粒。

图6 -400+600目粉煤灰水力分级产物的SEM图

2.2.2 分级产物在粒径与密度上的分布特征

为探明不同分级管中粉煤灰在粒径和密度上的差异，测定了-400+600目粉煤灰水力分级产物的粒径分布和密度，结果见图7。

图7 -400+600目水力分级产物粒径分布和密度

由图7可知：通过稳态水力分级得到的不同粉煤灰产物的粒径和密度均呈递减趋势，分级产物平均粒径(d50)分别为57.85、56.15、52.49、46.54、39.53 μm；分级产物的密度分别为2.94、2.84、2.24、1.95、1.81 g/cm3；这是由于2号—5号分级管的管径依次减小，使得管中水流流速依次增大，因而实现了窄粒级范围内粉煤灰的分级。粉煤灰颗粒物粒级细、密度小、粒径分布范围大，对于空气分级设备和水力旋流分离设备而言，分离设备内部流场的不均匀会对颗粒沉降产生大的干扰，而稳态水流提供的均匀流场避免了流场不稳定对颗粒沉降的影响，能够实现粉煤灰在粒径和密度上的精细化分级。

2.2.3 元素分布特征

为探明同一粒级不同分级管中粉煤灰在元素分布上的差异，测定了-400+600目粉煤灰水力分级产物的元素质量分数，结果见表2。

表2 -400+600目水力分级产物的元素分布 单位：%

由表2可知：通过稳态水力分级得到的不同粉煤灰产物中，Al2O3质量分数随粒径减小而增大，SiO2质量分数随粒径减小先增大后减小，CaO、TiO2和Fe2O3质量分数均随粒径减小而减小。由于Ca、Ti、Fe为重质元素，CaO、TiO2和Fe2O3质量分数的变化趋势与密度变化趋势一致。

3 结论

a.通过对筛分试验的结果分析可知，空心微珠主要分布在细粒级粉煤灰中，空心微珠质量分数随粒径减小而增大。

b.利用稳态水流提供的均匀流场可避免流场不稳定对颗粒沉降的影响，能够实现粉煤灰在粒度和密度上的精细化分级。

c.通过稳态水力分级发现：不同粉煤灰产物中Al2O3质量分数随粒径减小而增大，SiO2质量分数随粒径减小先增大后减小，CaO、TiO2和Fe2O3质量分数均随粒径减小而减小。该研究成果可为粉煤灰的资源化综合利用提供参考。