用粉煤灰生产超轻质球团块的试验研究

毕万利  李  晶  张丽华  关志刚

摘要:对粉煤灰进行造球和高温焙烧可使粉煤灰成为密度小而压缩强度大的超轻质球团块。采用正交试验法研究了用粉煤灰生产超轻质球团块的影响因素,确定了最佳试验条件。在此基础上进行补充试验,得出在黏土质量分数4 %、焙烧温度1 100 ℃、焙烧时间10 min、硼酸加入量0.005 %的条件下,可以制得符合要求的粉煤灰超轻质球团块。

关键词:粉煤灰;超轻质球团块;正交试验

粉煤灰是现代燃煤电厂的副产品,它是在燃煤供热、发电过程中,具有一定细度的煤粉在煤粉炉中高温燃烧时,由烟道气带出并经收尘器收集的粉尘。随着电力工业的迅速发展,粉煤灰的排放量急剧增加。粉煤灰的排放造成了严重的大气污染、土壤污染和水资源污染,而粉煤灰作为一种二次资源可以再生利用,因此开展粉煤灰的综合利用研究,使其变废为宝、变害为利,已成为我国经济建设中一项重要的技术经济政策,是解决我国电力生产与环境污染之间矛盾的任务之一。利用粉煤灰生产超轻质球团块是粉煤灰综合利用的一项新突破。利用冶金工业中球团焙烧技术,将粉煤灰造球焙烧,使之成为具有一定压缩强度且密度小的球团块,可以在抗震房屋建筑、桥梁工程中作为骨料加以应用。本试验研究了用粉煤灰生产超轻质球团块的影响因素,并测定了所生产的超轻质球团块的相关性能。

1 试验原料和方案

1.1 试验原料

试验所用粉煤灰取自鞍钢发电厂,其化学成分见表1 。

1.2 试验方案

影响粉煤灰球团块质量的因素有很多,试验考察了焙烧温度、焙烧时间、黏土用量和锯末用量4 个因素,每个因素选3 个水平。正交试验因素水平见表2 。

在圆盘造球机中,被水湿润的粉煤灰在滚动过程中靠机械力和毛细管作用形成球体。细粒之间靠毛细管作用力、分子引力、摩擦力等使生球具有一定强度。

 造球过程中,水的添加要适量,一般控制在30 %左右;造球时间为15 min ;小球直径控制在6～12 mm。造球结束后,于150 ℃下干燥2h ,去除生球中的水分,之后放在电炉中焙烧。焙烧时,小球直接放入焙烧区。

2 试验结果与讨论

2.1 正交试验

正交试验安排及结果见表3 。

第1 ,5 ,9 组试验,焙烧时间很短,仅1 min ,固相没有完全扩散,反应不完全,球体强度低,压缩强度无法测量;第6 ,8 组试验,焙烧温度1 000℃,球体中锯末未完全燃烧,球体压缩强度较低;第2 ,3 组试验,焙烧温度分别为1 100 ℃和1 200℃,焙烧时间分别为5 min 和10 min ,虽然黏土用量低,锯末用量高,但球体仍具有一定压缩强度;第4 ,7 组试验,锯末添加量最少,黏土用量较大,粉煤灰有较好的成球性,焙烧时,小球容易粘结,焙烧之后压缩强度较高。

从表3 可知:影响压缩强度的因素依次为焙烧时间、焙烧温度、锯末添加量和粘土添加量;最佳试验条件为:黏土用量4 % ,锯末添加量0.2 % ,焙烧温度1 200 ℃,焙烧时间10 min 。

2.2 优化试验

根据正交试验结果确定了优化试验条件,即黏土和锯末添加量分别为4 %和0.2 % ,焙烧温度1 200 ℃,焙烧时间10 min 。按此优化条件进行试验,但在焙烧以后,小球却相互粘结变形,无法测定其压缩强度。这主要是由于原料中的SiO2 、Fe2O3 等在1 200 ℃下形成了低熔点化合物,产生了液相,使小球发生变形,而小球中黏土含量很低,无法使小球保持原有形状。为此,把焙烧温度降至1 100 ℃,重新确定优化试验条件为:黏土用量4 %,锯末添加量0.2 % ,焙烧温度1 100 ℃,焙烧时间10 min 。根据重新确定的优化条件进行试验,试验后测得小球的压缩强度平均值为1.21kN。

按新确定的优化条件进行的试验中,黏土起粘结作用,加入量为4 %时,物料的成球性增强;粉煤灰中碳的质量分数为16.46 %,其主要作用是焙烧时为小球内部提供热源,节约能耗;另外,粉煤灰中的碳在焙烧时在小球内部也会形成大量气孔,从而起到降低小球密度的作用;锯末添加量为0.2 % ,可进一步降低小球密度。但是随着小球密度的降低,小球的压缩强度也降低。

另外,小球在焙烧冷却之后,表面有粉化现象,对强度有一定影响。

2.3 补充试验

为进一步提高小球强度,进行了补充试验。不添加锯末,依靠粉煤灰中的碳在焙烧时形成的气孔来降低小球密度,结果小球压缩强度明显提高,平均值为1.43 kN ;为防止球体表面粉化,在粉煤灰中加入少量硼酸(BHO3 ) 。因此,确定补充试验条件为: 黏土用量4 % , 硼酸添加量0.005 % ,焙烧温度1 100 ℃,焙烧时间10 min 。

补充试验中,微量硼酸的加入完全抑制了小球的粉化,使球体表面光泽度提高,压缩强度有明显改善。因硼酸在粉煤灰中弥散,与粉煤灰充分接触,在焙烧时与氧化物生成固溶体,使粉煤灰的粘结性增强,因此提高了球体强度。

2.4 密度的测定

从表3 可以看出,第3 ,4 ,7 组试验中的小球压缩强度较大,因此,对这3 组小球进行了密度测量。测定结果表明: 第3 组小球的密度为0.72g/ cm3 ;第4 组小球的密度为1.08 g/ cm3 ;第7 组小球密度为0.87 g/ cm3 。据此重新确定的优化试验中,小球密度平均值为0.81 g/ cm3 。补充试验中,小球密度平均值为0.88 g/ cm3 。球体密度均在0.70～1.10 g/ cm3 之间,就密度而言,此种球团可作为轻质骨料应用于建筑中。

3 结论

1) 用粉煤灰可以生产超轻质球团块。在黏土用量4 % ,硼酸添加量0.005 % ,焙烧温度1 100℃,焙烧时间10 min 条件下, 所得球体密度为0.88 g/ cm3 ,压缩强度为1.43 kN ,达到建筑用材料的一般要求。

2) 粉煤灰中加入锯末,可使小球密度减小,但压缩强度也随之降低。

3) 粉煤灰中加入硼酸,可抑制小球的粉化,使焙烧后的小球具有良好的强度指标。硼酸作为粉煤灰添加剂,在粉煤灰料中高度弥散,能有效抑制焙烧后的小球的粉化,是一种理想的粘结添加剂。

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