矸石電廠粉煤灰的活化及應用（簡體書）

本書詳細闡述了煤矸石電廠粉煤灰的產生、特點、研究和應用現狀，系統論述了其化學成分、微觀形貌及礦物組成等理化特徵，建立了矸石電廠粉煤灰火山灰反應動力學模型，揭示了矸石電廠粉煤灰的活化機理，提出了活化技術及活化參數。並系統闡述了矸石電廠粉煤灰製備礦山膏體充填材料的工藝及性能。此外還系統論述了粉煤灰提取氧化鋁過程中熱處理參數對浸出率的影響規律，建立了浸出反應動力學模型，揭示了其浸出機理。

本書適用於從事礦山工程、環境工程的科研人員、專業技術人員閱讀，也可作為礦業工程、材料工程、環境工程專業研究生參考用書。

近年來，以迴圈流化床燃燒技術為特徵的煤矸石電廠蓬勃發展，但是矸石電廠所用煤矸石燃料的灰分較高，粉煤灰的排放量是燃煤電廠的2倍左右，排放數量相當巨大，造成了資金和土地資源的浪費，以及嚴重的環境污染。且產出粉煤灰含碳量較高，質量低於國家建材標準中的三級灰質量標準，按現有的粉煤灰活性理論，此種粉煤灰的應用價值不高。又由於燃燒條件、燃料類型不同，矸石電廠粉煤灰理化性質與燃煤電廠粉煤灰差別較大，以往對燃煤電廠粉煤灰性質及應用的研究在很多情況下不再適用於矸石電廠粉煤灰，從而限制了其在傳統領域的應用。

為能夠進一步拓展矸石電廠粉煤灰的應用領域，加強工業廢棄物資源化利用的途徑，實現生態環境保護和迴圈經濟，筆者帶領團隊一直致力於矸石電廠粉煤灰理化特徵、活化技術、提鋁技術及其應用領域的研究，並將十餘年的科研成果編著成本書。

矸石電廠粉煤灰是一種火山灰質材料，具備一定的潛在活性，含有大量的矽、鋁等可利用的元素，這些特點為矸石電廠粉煤灰的資源化利用奠定了基礎，對迴圈經濟政策的貫徹執行具有重要意義。隨著我國經濟的持續、高速發展，今後相當長的時期內，電力能源結構將繼續以煤電為主的基本格局，矸石電廠粉煤灰的排放量必然會逐年增加。

本研究針對目前矸石電廠粉煤灰活化技術以及煤礦巷道壁後充填材料中存在的問題，通過對矸石電廠粉煤灰的化學成分、形貌特徵、礦物組成分析，採用物理活化、化學活化和物理化學活化技術，對粉煤水泥膠砂體系進行啟動，得出合理、經濟的矸石電廠粉煤灰啟動方案，通過配方設計、工藝優化以及影響因素研究，開發研製出矸石電廠粉煤灰基充填材料，以粉煤灰較大比例地替代水泥、河砂，不僅可減輕粉煤灰造成的經濟和環境負擔，而且可以顯著地降低掘進成本，變廢為寶，達到矸石電廠與煤礦的雙贏。

此外，本研究還針對當前我國內蒙古自治區中西部和山西北部等地區高鋁煤炭資源儲量豐富，發電後產生的大量高鋁粉煤灰問題，研究了高鋁粉煤灰的理化性能。以粉煤灰提取氧化鋁為目標，通過熱力學分析、三元系相圖分析和煆燒實驗，系統研究了石灰煆燒法與純鹼煆燒法中粉煤灰熱處理過程的熱力學機理，並通過煆燒實驗分析了其熱力學行為。研究了純鹼煆燒法中粉煤灰熱處理參數，確定了煆燒溫度、煆燒時間以及物料配比，研究了氧化鋁浸出過程中影響其浸出率的參數，以獲得較高的氧化鋁浸出率。通過建立浸出反應動力學模型研究了浸出動力學機理，實現粉煤灰的高附加值利用，對於實現迴圈經濟具有重要意義。

多年來，筆者團隊的石瑩、高尚勇、李思瓊、崔永峰、劉永、梁楊芝、李陽、褚運凱等參加了相關研究工作。本書的出版還得到了國家自然科學基金“淺埋煤層群開採煤柱群結構效應及其應力場與裂縫場耦合控制”（51674190）、陝西省科技廳社會發展科技攻關項目“生態修復與環境治理技術研究——矸石電廠粉煤灰活化技術及應用”（2010K11-02-08） 和“陝北生態脆弱區保水開採高砂基充填材料製備關鍵技術”（2016SF-421）、陝西省自然科學基礎研究計畫項目“煤層群開採致災機理及預警與防治技術研究”（2019JLP-08）以及西安科技大學工科A類第一層次創新團隊項目“淺埋煤層開採與環境保護”的資助，特此一併致謝。

由於筆者水準有限，書中難免存在不足之處，懇請讀者批評指正。



陳傑

2019年8月

1緒論001

1.1研究背景001

1.2矸石電廠粉煤灰的產生及特點003

1.3矸石電廠粉煤灰的研究與應用004

1.3.1在混凝土、蒸壓磚方面的研究與利用004

1.3.2提鋁技術研究005

參考文獻005



2矸石電廠粉煤灰的理化特徵007

2.1細微性分析007

2.2微觀形貌010

2.3化學組成012

2.4礦物組成014

2.5本章小結016

參考文獻016



3矸石電廠粉煤灰火山灰反應動力學研究017

3.1實驗原料及設備017

3.2實驗方法018

3.2.1試樣製備018

3.2.2粉煤灰的化學未溶量及反應率測定018

3.3結果與討論019

3.3.1實驗結果019

3.3.2粉煤灰的火山灰反應性020

3.3.3粉煤灰火山灰反應動力學模型021

3.4本章小結023

參考文獻023



4矸石電廠粉煤灰的活化技術及活化機理研究025

4.1實驗原料與設備025

4.1.1實驗原料025

4.1.2實驗主要設備025

4.2矸石電廠粉煤灰的物理活化026

4.2.1研究方案026

4.2.2物理活化結果及其形貌分析027

4.3矸石電廠粉煤灰的化學活化030

4.3.1活化劑種類及摻量研究030

4.3.2化學活化正交實驗035

4.3.3陳腐工藝對化學活化的影響041

4.4矸石電廠粉煤灰的複合活化043

4.4.1研究方案043

4.4.2複合活化強度結果及其形貌分析043

4.5三種活化方式對比研究046

4.6本章小結047

參考文獻047



5矸石電廠粉煤灰基膏體充填材料及性能研究049

5.1配比設計實驗049

5.1.1實驗原料和研究方案049

5.1.2膠砂比對比實驗050

5.1.3粉煤灰摻量對比實驗050

5.1.4正交實驗設計052

5.2輸送性能研究053

5.2.1坍落度053

5.2.2流動度056

5.2.3凝結時間與泌水率059

5.3抗壓強度研究061

5.3.1膏體充填材料抗壓強度實驗061

5.3.2強度影響因素063

5.3.3抗壓強度實驗結果及其形貌分析065

5.4膏體充填材料的效益分析069

5.4.1經濟效益069

5.4.2社會效益070

5.4.3其他效益071

5.5本章小結071

參考文獻072



6矸石電廠粉煤灰提鋁技術研究073

6.1概述073

6.2高鋁粉煤灰的理化性能075

6.2.1實驗075

6.2.2化學組成075

6.2.3物相分析076

6.2.4顆粒組成077

6.3高鋁粉煤灰熱處理過程的熱力學分析078

6.3.1粉煤灰與氧化鈣煆燒體系078

6.3.2粉煤灰與碳酸鈉煆燒體系085

6.3.3石灰煆燒法與純鹼煆燒法對比分析088

6.4純鹼煆燒法工藝參數研究089

6.4.1實驗原料及實驗設備089

6.4.2實驗方法090

6.4.3性能與表徵091

6.4.4純鹼煆燒法工藝參數研究092

6.5熟料浸取反應參數及反應動力學研究103

6.5.1熟料浸取反應基本原理103

6.5.2浸取條件對氧化鋁浸出率的影響103

6.5.3粉煤灰提鋁中熟料的浸取反應動力學研究106

6.6本章小結110

參考文獻111