矸石电厂粉煤灰的活化及应用

近年来，以循环流化床燃烧技术为特征的煤矸石电厂蓬勃发展，但是矸石电厂所用煤矸石燃料的灰分较高，粉煤灰的排放量是燃煤电厂的2倍左右，排放数量相当巨大，造成了资金和土地资源的浪费，以及严重的环境污染。且产出粉煤灰含碳量较高，品质低于国家建材标准中的三级灰品质标准，按现有的粉煤灰活性理论，此种粉煤灰的应用价值不高。又由于燃烧条件、燃料类型不同，矸石电厂粉煤灰理化性质与燃煤电厂粉煤灰差别较大，以往对燃煤电厂粉煤灰性质及应用的研究在很多情况下不再适用于矸石电厂粉煤灰，从而限制了其在传统领域的应用。
为能够进一步拓展矸石电厂粉煤灰的应用领域，加强工业废弃物资源化利用的途径，实现生态环境保护和循环经济，笔者带领团队一直致力于矸石电厂粉煤灰理化特征、活化技术、提铝技术及其应用领域的研究，并将十余年的科研成果编著成本书。
矸石电厂粉煤灰是一种火山灰质材料，具备一定的潜在活性，含有大量的硅、铝等可利用的元素，这些特点为矸石电厂粉煤灰的资源化利用奠定了基础，对循环经济政策的贯彻执行具有重要意义。随着我国经济的持续、高速发展，今后相当长的时期内，电力能源结构将继续以煤电为主的基本格局，矸石电厂粉煤灰的排放量必然会逐年增加。
本研究针对目前矸石电厂粉煤灰活化技术以及煤矿巷道壁后充填材料中存在的问题，通过对矸石电厂粉煤灰的化学成分、形貌特征、矿物组成分析，采用物理活化、化学活化和物理化学活化技术，对粉煤水泥胶砂体系进行激活，得出合理、经济的矸石电厂粉煤灰激活方案，通过配方设计、工艺优化以及影响因素研究，开发研制出矸石电厂粉煤灰基充填材料，以粉煤灰较大比例地替代水泥、河砂，不仅可减轻粉煤灰造成的经济和环境负担，而且可以显著地降低掘进成本，变废为宝，达到矸石电厂与煤矿的双赢。
此外，本研究还针对当前我国内蒙古自治区中西部和山西北部等地区高铝煤炭资源储量丰富，发电后产生的大量高铝粉煤灰问题，研究了高铝粉煤灰的理化性能。以粉煤灰提取氧化铝为目标，通过热力学分析、三元系相图分析和煅烧实验，系统研究了石灰煅烧法与纯碱煅烧法中粉煤灰热处理过程的热力学机理，并通过煅烧实验分析了其热力学行为。研究了纯碱煅烧法中粉煤灰热处理参数，确定了煅烧温度、煅烧时间以及物料配比，研究了氧化铝浸出过程中影响其浸出率的参数，以获得较高的氧化铝浸出率。通过建立浸出反应动力学模型研究了浸出动力学机理，实现粉煤灰的高附加值利用，对于实现循环经济具有重要意义。
多年来，笔者团队的石莹、高尚勇、李思琼、崔永峰、刘永、梁杨芝、李阳、褚运凯等参加了相关研究工作。本书的出版还得到了国家自然科学基金“浅埋煤层群开采煤柱群结构效应及其应力场与裂缝场耦合控制”（51674190）、陕西省科技厅社会发展科技攻关项目“生态修复与环境治理技术研究——矸石电厂粉煤灰活化技术及应用”（2010K11-02-08） 和“陕北生态脆弱区保水开采高砂基充填材料制备关键技术”（2016SF-421）、陕西省自然科学基础研究计划项目“煤层群开采致灾机理及预警与防治技术研究”（2019JLP-08）以及西安科技大学工科A类第一层次创新团队项目“浅埋煤层开采与环境保护”的资助，特此一并致谢。
由于笔者水平有限，书中难免存在不足之处，恳请读者批评指正。

陈杰
2019年8月

本书详细阐述了煤矸石电厂粉煤灰的产生、特点、研究和应用现状，系统论述了其化学成分、微观形貌及矿物组成等理化特征，建立了矸石电厂粉煤灰火山灰反应动力学模型，揭示了矸石电厂粉煤灰的活化机理，提出了活化技术及活化参数。并系统阐述了矸石电厂粉煤灰制备矿山膏体充填材料的工艺及性能。此外还系统论述了粉煤灰提取氧化铝过程中热处理参数对浸出率的影响规律，建立了浸出反应动力学模型，揭示了其浸出机理。 
本书适用于从事矿山工程、环境工程的科研人员、专业技术人员阅读，也可作为矿业工程、材料工程、环境工程专业研究生参考用书。

1绪论001
1.1研究背景001
1.2矸石电厂粉煤灰的产生及特点003
1.3矸石电厂粉煤灰的研究与应用004
1.3.1在混凝土、蒸压砖方面的研究与利用004
1.3.2提铝技术研究005
参考文献005

2矸石电厂粉煤灰的理化特征007
2.1粒度分析007
2.2微观形貌010
2.3化学组成012
2.4矿物组成014
2.5本章小结016
参考文献016

3矸石电厂粉煤灰火山灰反应动力学研究017
3.1实验原料及设备017
3.2实验方法018
3.2.1试样制备018
3.2.2粉煤灰的化学未溶量及反应率测定018
3.3结果与讨论019
3.3.1实验结果019
3.3.2粉煤灰的火山灰反应性020
3.3.3粉煤灰火山灰反应动力学模型021
3.4本章小结023
参考文献023

4矸石电厂粉煤灰的活化技术及活化机理研究025
4.1实验原料与设备025
4.1.1实验原料025
4.1.2实验主要设备025
4.2矸石电厂粉煤灰的物理活化026
4.2.1研究方案026
4.2.2物理活化结果及其形貌分析027
4.3矸石电厂粉煤灰的化学活化030
4.3.1活化剂种类及掺量研究030
4.3.2化学活化正交实验035
4.3.3陈腐工艺对化学活化的影响041
4.4矸石电厂粉煤灰的复合活化043
4.4.1研究方案043
4.4.2复合活化强度结果及其形貌分析043
4.5三种活化方式对比研究046
4.6本章小结047
参考文献047

5矸石电厂粉煤灰基膏体充填材料及性能研究049
5.1配比设计实验049
5.1.1实验原料和研究方案049
5.1.2胶砂比对比实验050
5.1.3粉煤灰掺量对比实验050
5.1.4正交实验设计052
5.2输送性能研究053
5.2.1坍落度053
5.2.2流动度056
5.2.3凝结时间与泌水率059
5.3抗压强度研究061
5.3.1膏体充填材料抗压强度实验061
5.3.2强度影响因素063
5.3.3抗压强度实验结果及其形貌分析065
5.4膏体充填材料的效益分析069
5.4.1经济效益069
5.4.2社会效益070
5.4.3其他效益071
5.5本章小结071
参考文献072

6矸石电厂粉煤灰提铝技术研究073
6.1概述073
6.2高铝粉煤灰的理化性能075
6.2.1实验075
6.2.2化学组成075
6.2.3物相分析076
6.2.4颗粒组成077
6.3高铝粉煤灰热处理过程的热力学分析078
6.3.1粉煤灰与氧化钙煅烧体系078
6.3.2粉煤灰与碳酸钠煅烧体系085
6.3.3石灰煅烧法与纯碱煅烧法对比分析088
6.4纯碱煅烧法工艺参数研究089
6.4.1实验原料及实验设备089
6.4.2实验方法090
6.4.3性能与表征091
6.4.4纯碱煅烧法工艺参数研究092
6.5熟料浸取反应参数及反应动力学研究103
6.5.1熟料浸取反应基本原理103
6.5.2浸取条件对氧化铝浸出率的影响103
6.5.3粉煤灰提铝中熟料的浸取反应动力学研究106
6.6本章小结110
参考文献111