某火电厂粉煤灰空心微珠的精细化分级及物化性质规律探究

李亚航 张晓民 陈天星 贺攀阳 马莲净

（西安建筑科技大学资源工程学院）

空心微珠是粉煤灰中具有中空结构的球形颗粒，在建筑建材、航空等领域应用广泛［1-2］。由于原煤性质和燃烧参数的差异，空心微珠的矿物组成等性质波动很大［3-4］，因此高效地分离富集空心微珠，探究空心微珠的基本物理化学性质和其内在规律，对粉煤灰的高值化利用具有重要意义。

空心微珠的选别方法分为湿法和干法。干法主要依据不同颗粒的沉降末速度差异实现分离，常用的设备有气动分离器［5］和微米分离器［6］；湿法主要基于颗粒比重不同实现分离，常用的方法为重选法［7-8］等。这些研究为空心微珠的选别提供了借鉴，但由于空心微珠在粉煤灰中分布广泛，粒度、密度、表面性质等物化特性和杂质组分差别小，因此用传统选矿方法富集空心微珠的效果并不理想，需探究分离富集空心微珠沉珠的新方法。为此，研究采用自制的重力沉降分级装置，通过湿式筛分—重力沉降分级工艺针对粉煤灰进行分级试验，采用SEM、激光粒度仪、XRF 等测试手段对产物进行表征，分析其物化性质规律。

1 试验与方法

（1）原料。试验用粉煤灰取自河南三门峡某火力发电厂，粉煤灰原灰SEM图像见图1。

由图1 可见，粉煤灰的颗粒组成比较复杂，颗粒外观形状各异；其中包含空心微珠、炭颗粒、不规则硅酸盐杂质颗粒、黏聚颗粒等。根据SEM 图像统计，原灰的空心微珠含量为37.68%。

原灰粒度测试结果见图2、表1。

由图2、表1可知，粉煤灰粒度分布较宽，从0.5～120 μm 均有分布，但整体较细，D50为8.34 μm，D90为14.63 μm，最高含量微分区间为7.68～8.41 μm，30 μm以上的粗颗粒很少。

原灰XRF 分析结果表明，CaO 含量5.49%，该粉煤灰属于高钙粉煤灰；原灰主要化学成分为Al2O3和SiO2，含量分别为32.90%和49.33%。

（2）湿式筛分。选取粉煤灰原灰样品，配制成矿浆浓度15%的矿浆，采用高频振动湿筛将原灰筛分为+23 μm、-23+13 μm、-13 μm 3 个粒级，产物分别命名为S1、S2、S3。

（3）重力沉降分级。分级试验采用自制的重力沉降分级装置，该装置主要由搅拌桶、4 级串联分级管、矿浆泵组成（图3）。分级管的管径分别为35，45，55，65 mm。矿浆由下向上流动，依次通过4 级分级管，由于分级管内径逐渐增大，分级管内部矿浆流速依次降低。设置矿浆泵流量为2.50 mL/s，则各分级管矿浆上升速度分别为5.09，2.60，1.57，1.05，0.75 mm/s。1号分级管外部安装有磁瓦，用于截留磁性颗粒物。

分级过程中，颗粒物承受竖直向下的重力和向上的流体黏性阻力。其中，重力恒定不变，但黏性阻力与颗粒、流体界面的相对速度有关，颗粒沉降越快，流体黏性阻力越大。当重力和反方向的黏性阻力达到平衡时，颗粒开始匀速沉降，此时的速度即为颗粒的沉降末速度［9］

式中，v为固体颗粒在层流中的自由沉降末速度，m/s；dv为颗粒的体积当量直径，m；ρ为固体颗粒的密度，kg/m3；ρc为流体介质的密度，kg/m3；μ为流体介质的动力黏度，Pa·s；g为重力加速度，m/s2。

当v大于上升水流速度时，颗粒沉降至底部，反之颗粒进入下一级分级管。选取S3作为样品，在搅拌桶中配制浓度为2%的矿浆，5 个分级产物分别命名为S3-H1、S3-H2、S3-H3、S3-H4、S3-H5。

（4）测试表征。采用扫描电子显微镜分析样品的颗粒成分和表观形貌，采用激光粒度仪测定样品的粒度分布，采用全自动真密度分析仪测定样品的真密度，采用X 射线荧光光谱仪测定样品的化学组成，采用X射线衍射仪分析样品的矿物相。

（5）空心微珠含量统计。将SEM 图像均分为16个区域，随机选取其中的6 个区域，统计其中的总颗粒数量和空心微珠数量，将空心微珠数量与总颗粒数量的比值记为每个区域的空心微珠含量，取平均值后作为样品的空心微珠含量。

2 结果与讨论

2.1 SEM分析

筛分产物的SEM 图像及其产率、空心微珠含量和空心微珠回收率见图4、图5。

注：原灰微珠含量37.68%。

由图4、图5 可见，3 个筛分产物的粒度有明显区别，且湿式筛分作业可对空心微珠起到一定的富集效果；+23 μm 筛分产物中含有大量的炭颗粒、不规则铝硅酸盐颗粒，几乎不含有空心微珠；-23+13 μm 筛分产物中的空心微珠较多，此外还含有一定量的不规则铝硅酸盐颗粒和较多炭颗粒；-13 μm 筛分产物中的空心微珠数量更多，杂质颗粒含量相对较少。该粉煤灰的粒度整体较细，-13 μm 粒级的颗粒占比达86.36%，且空心微珠主要集中在-13 μm 粒级颗粒中，空心微珠含量随筛分粒级的增大逐渐减少，-13 μm、-23+13 μm、+23 μm 筛分产物中的空心微珠含量分别为42.99%，12.51%，3.28%。

重力沉降分级产物的SEM 图像及其产率、空心微珠含量、空心微珠回收率见图6、图7。

注：-13 μm筛分产物空心微珠含量42.99%。

由图6、图7 可见，从S3-H1至S3-H5，重力沉降分 级产物的粒度整体上呈现逐渐减小的趋势；5 个重力沉降分级产物中的颗粒类型没有明显差异，都为空心微珠、各类不规则硅酸盐颗粒、炭颗粒等，但各类型颗粒的含量各不相同；从S3-H1至S3-H4，重力沉降分级产物的产率逐渐降低，由24.47% 降低至11.46%，空心微珠含量逐渐升高，由29.67%升高至78.43%；S3-H5的产率最高，为27.96%，空心微珠含量最低，为20.57%。

2.2 粒度分析

重力沉降分级产物的粒度分布测试结果见图8、表2。

由表2 可知，与原灰相比，重力沉降使粉煤灰的粒度范围得到了有效限定；从S3-H1至S3-H5，重力沉降分级产物的粒度整体上逐渐减小，5 个重力沉降分级产物的D50分别为11.04，8.89，5.47，3.26，2.46 μm，最高含量微分区间分别为10.07～11.02 μm，7.02～7.68 μm，5.36～5.86 μm，4.09～4.47 μm，2.38～2.60 μm。

重力沉降分级产物的D50和密度见图9。

由图9可见，从S3-H1至S3-H5，重力沉降分级产物的密度呈现出与中值粒度相同的变化规律，即随着重力沉降等级的增大逐渐减小，中值粒度由11.04 μm减小至2.46 μm，密度由2.79 g/cm3减小至1.49 g/cm3。

2.3 化学成分分析

筛分产物、重力沉降分级产物的XRF 分析结果见表3。

由表3 可知，不同产物样品的化学成分差异不大，但其中Na2O、SiO2、CaO、TiO2、Fe2O3的含量呈现出一定的规律性。

湿式筛分产物的SiO2、CaO、TiO2、Fe2O3含量及重力沉降分级产物的Na2O、SiO2、CaO、TiO2、Fe2O3含量和硅铝比见图10。

由图10 可见，随着筛分粒级的减小，CaO、TiO2、Fe2O3的含量均升高，SiO2含量均降低；CaO、TiO2、Fe2O3含量随着重力沉降等级的提高降低，这与重力沉降分级产物的粒度、密度变化趋势一致，Na2O、SiO2含量则随着重力沉降等级的提高上升；硅铝比随重力沉降等级的提高升高，由1.367 8升高至1.500 6。

结合图10（a）和表3 可知，Si 元素在粗粒级相对富集，这是由于SiO2是粉煤灰中含量最高的化合物，粗粒级颗粒中大多是不规则硅酸盐颗粒，其为实心结构，粒度相对较大，因此含量更高；Ca、Ti、Fe 等重质元素在-13 μm 颗粒物中相对富集，这可能是由于煤粉燃烧时重质元素（尤其是Fe）富集在了磁珠中，也正因如此，磁珠多为粒度小、密度大的高球形度颗粒。

对比图9 和图10（b）可知，5 个重力沉降分级产物的CaO、TiO2和Fe2O3含量的变化趋势与密度变化趋势一致，说明化学组成（尤其是CaO、TiO2和Fe2O3含量）的改变是空心微珠密度变化的主要原因，这与Prabir K.Kolay 等［7］的结论一致。结合图7 可以确定，CaO、Fe2O3主要富集在杂质颗粒物中，而TiO2在粉煤灰各类型颗粒物中的富集程度相对均匀，导致杂质颗粒物的密度大于空心微珠。

3 讨论

重力沉降分级产物的粒度与Na2O、SiO2、CaO、TiO2、Fe2O3含量密切相关，这是由于在空心微珠的形成过程中，这些成分影响难挥发组分熔融形成熔滴，熔滴黏度决定了空心微珠的壁厚、粒度等性质，而特定温度下的熔滴化学成分又决定了它的黏度［10-11］；黏度越大、表面张力越大，熔滴内部膨胀气体产生高压时的抵抗能力越强，形成的空心微珠的粒度越小。

SiO2、Na2O 含量越高，空心微珠粒度越小，这与Youngjae Kim 等［12］试验结果一致，这是由于熔滴黏度很大程度上取决于Si-O 离子基团的复杂程度，Si-O离子基团越复杂，熔滴黏度越大；Na2O 有利于增加熔滴黏度，钠作为氯气的载体，可以提高硅酸盐结构的连通性。CaO、TiO2和Fe2O3含量越高，空心微珠粒度越大，这是由于CaO和Fe2O3是碱性氧化物，碱性氧化物在煤粉燃烧过程中易与熔滴网络中的O2-连接形成非桥接氧，破环Si-O 共价键，降低熔滴网络的稳定性，进而降低熔滴黏度［12］；而TiO2会降低熔滴中铝硅酸盐网络结构的聚合度［13-14］。硅铝比越小，空心微珠的粒度越大，这是由于硅铝比会影响煤粉的烧结温度，硅铝比越大，烧结温度越低［15］，熔滴的黏度越大，越不利于大粒度空心微珠的形成。

4 结论

（1）某火电厂粉煤灰原灰CaO 含量5.49%，属于高钙粉煤灰。原灰空心微珠含量37.68%，原灰粒度分布较宽，但整体较细，D50为8.34 μm，D90为14.63 μm，最高含量微分区间为7.68～8.41 μm。

（2）湿式筛分可对空心微珠起到一定的富集效果，-13 μm粒级在原灰中占比86.36%，-13 μm、-23+13 μm、+23 μm筛分产物的空心微珠含量分别为42.99%，12.51%，3.28%。重力沉降使粉煤灰的粒度、密度范围得到了进一步有效限定，并使空心微珠得到进一步富集，从S3-H1至S3-H4，重力沉降分级产物的产率逐渐降低，由24.47%降低至11.46%，空心微珠含量逐渐升高，由29.67%升高至78.43%；S3-H5的产率最高，为27.96%，空心微珠含量最低，为20.57%。

（3）从S3-H1至S3-H5，重力沉降分级产物的粒度、密度整体上增大：中值粒度D50分别为2.46，3.26，5.47，8.89，11.04 μm，密度由1.49 g/cm3增大至2.79 g/cm3。

（4）随着筛分粒级的减小，CaO、TiO2、Fe2O3含量升高，SiO2含量降低；CaO、Fe2O3主要富集在杂质颗粒物中，TiO2在粉煤灰各类型颗粒中的富集程度相对均匀。从S3-H1至S3-H5，CaO、TiO2、Fe2O3的含量升高，Na2O、SiO2的含量和硅铝比下降。化学组成（尤其是CaO、TiO2和Fe2O3含量）的改变是空心微珠密度变化的主要原因，空心微珠的粒度与硅铝比、SiO2和Na2O含量负相关，与CaO、TiO2和Fe2O3含量正相关。空心微珠的化学成分会影响熔滴黏度，进而对空心微珠的粒度产生影响。