粉煤灰在陶瓷板中的应用*

潘利敏

（蒙娜丽莎集团股份有限公司 广东 佛山 528211）

前言

粉煤灰是煤或煤粉在锅炉中经过1 100～1 500℃燃烧后，再由除尘器收集得到的细粒分散状残余物质。它主要来源于火力发电厂所用的煤粉炉及沸腾炉［1～2］。随着我国电力工业的迅速发展，导致粉煤灰的排放量急剧增加，此类发电厂粉煤灰的排放量每年达2.2亿t以上［3～4］。

粉煤灰的化学成分与陶瓷板原料成分相似。因此，根据其所含的特有成分研制出相应的陶瓷板产品，开拓出工业废渣综合利用的新途径，既降低了产品的生产成本、提高了市场竞争力，又可治理环境污染，利于环境，具有重要的经济意义和社会意义。

1 粉煤灰理化性能研究

1.1 粉煤灰物理性能研究

本研究所采用的粉煤灰来源于山西朔州，其中粉煤灰的比重与流速的测试条件为取500g烘干后的粉煤灰，加入水300g﹑三聚磷酸钠3g，球磨16min，用比重杯﹑50ml流速杯分别测得浆料比重为1.57g／cm3，流速为31s。

1.2 粉煤灰化学成分分析

对粉煤灰样品进行荧光分析，其化学成分如表1所示。

表1 粉煤灰的化学成分（质量%）

朔州粉煤灰的主要成分是：Al2O3、SiO2、CaO、Fe2O3，其中CaO﹑MgO的含量偏高，这会影响球磨后浆料的流动性，具体表征为浆料流速慢或流不尽，从而影响喷雾干燥的粉体收成率。

1.3 粉煤灰的物相及显微结构分析

粉煤灰是晶体矿物和非晶体矿物的混合物，其矿物组成的波动范围较大。研究采用的粉煤灰矿物成分分析结果如图1所示。

图1（a）为粉煤灰的XRD图谱。从图1（a）可以看出，其矿物组成以玻璃相为主，约占70%～80%，同时，还含有少量的结晶矿物石英和莫来石。从图1（b）扫描电镜研究表明，粉煤灰的微观形态为球状玻璃微珠。这种球状微珠具有较高的硬度和较高的熔点，在瓷体中发挥着重要作用［5～7］。

图1 粉煤灰的XRD图谱及SEM照片

1.4 粉煤灰的粒度分析

粉煤灰的粒度经马尔文激光粒度分布仪分析可得知，其粒度分布曲线见图2。

图2 粉煤灰粒度分布曲线

从图2可知，粉煤灰D50＝58.54μm，与现有建筑陶瓷原料的中位径（30～50μm）基本接近，作为建筑陶瓷基料可以节约球磨时间，提高球磨效率。

2 粉煤灰在陶瓷板中的应用

2.1 坯体配方研究

掺入粉煤灰的陶瓷板的配方设计要遵循陶瓷板的配方原则，配方的化学成分应与常规配方设计一致。另外，粉煤灰含铁量高（Fe2O3：3.28%），较难氧化且易出现黑心和鼓包现象，因此使用时要进行严格的除铁处理［8］。

经试验确定了掺粉煤灰陶瓷板配方，并对烧制后样品进行物理、化学性能检测，表2为设计坯体配方，表3为坯体配方的化学成分。试验采用德国耐驰DIL402PC型热膨胀仪测试烧 结温度范围，测试结果见图3。

表2 坯体配方（质量%）

表3 坯体配方的化学成分（质量%）

图3 烧结温度范围对比

其中a试样是未添加粉煤灰坯体烧结温度范围，烧结点为1 296.7℃，烧结温度为1 283.3～1 308.5℃。b试样为添加粉煤灰坯体烧结温度范围，其烧结点为1 295.3℃，烧结温度为1 280.4～1 308.6℃（根据经验实际烧结温度比测试温度要低90℃左右）。可见添加粉煤灰的坯体烧结范围比普通坯体略宽，可能是由于铝含量较高使坯体烧成时高温液相粘度增大，熔融范围增宽，其烧结范围越宽，越有利于烧成工序的调节。

2.2 烧成制度研究

相比于现有的陶瓷板产品烧成制度，加入粉煤灰后窑炉需要适当调整。在设计烧成曲线时，应该考虑氧化带的温度时间设计，适当延长氧化段保温时间，以确保氧化完全，烧成温度曲线见图4。

图4 普通陶瓷板和掺杂粉煤灰陶瓷板的烧成曲线对比

2.3 产品性能

掺杂粉煤灰后的产品的理化性能如表4所示。

表4 普通陶瓷板和掺杂粉煤灰陶瓷板的部分性能对比

由表4可知，掺杂粉煤灰的陶瓷板吸水率基本保持不变，断裂模数、热稳定性与普通生产的陶瓷板相差不大。但当加入粉煤灰后，会降低产品的白度，因此，这仅适用于生产颜色较暗的陶瓷板产品。

3 结论

1）对山西朔州粉煤灰的物理性能、化学组成、物相及显微结构以及相关工艺性能进行了研究。朔州粉煤灰的主要成分是：SiO2、Al2O3、CaO、Fe2O3等；其矿物组成以玻璃相为主，约占70%～80%，并含有少量的结晶矿物石英和莫来石；粉煤灰的微观形态为球状玻璃微珠。

2）由于粉煤灰中铁含量高，较难氧化导致产生黑心和鼓包，用于陶瓷板中要进行严格的除铁处理；加入粉煤灰后烧成制度需要适当调整，应适当延长氧化段保温时间，以确保氧化完全。

3）掺入粉煤灰的陶瓷板与普通生产的陶瓷板相比，吸水率、断裂模数、热稳定性等产品内在性能指标基本保持稳定，但加入粉煤灰后，可降低产品的白度。

1 韩敏芳，原建民，李伯涛.粉煤灰综合利用技术进展［J］.中国非金属矿工业导刊，2004，41（21）：44～46

2 Radomir Sokolar，Lucie Vodova.The effect of fluidized fly ash on the properties of dry pressed ceramic tiles based on fly ash－clay body［J］.Ceramics International，2011，37：2 879～2 885

3 Zimmer A，Bergmann C P.Fly ash of mineral coal as ceramic tiles raw material［J］.Waste Management，2007，27：59～68

4 Zhang Haiying，Zhao Youcai，Qi Jingyu.Study on use of MSWI fly ash in ceramic tile［J］.Journal of Hazardous Materials，2007，141：106～114

5 Bhasin S，Amritphale S S，Chandra N.Effect of pyrophyllite additions on sintering characteristics of fly ash based ceramic wall tiles［J］.British Ceramic Transactions，2003，12：83～86

6 梁天仁.粉煤灰矿物相及显微结构的形成机理［J］.硅酸盐通报，1984，4（5）：28～35

7 汪庆刚，潘炳宇，潘利敏，等.粉煤灰在有釉瓷质砖中的应用［J］.佛山陶瓷，2014（5）：25～27

8 邢伟宏.粉煤灰陶瓷墙地砖黑芯及鼓泡形成原因分析［J］.全国性科技核心期刊——陶瓷，1999（1）：40～41