粉煤灰中的晶體礦物
玻璃體通常是粉煤灰的主要組成部分，但晶體物質(zhì)的含量有時(shí)也比較高，范圍在11%～ 48%之間。主要晶體相物質(zhì)有莫來(lái)石、石英、赤鐵礦、磁鐵礦、鋁酸三鈣、黃長(zhǎng)石、默硅鎂鈣石、方鎂石、石灰石等，在所有晶相中莫來(lái)石所占比例大，可達(dá)到總量的6%～ 15%，此外粉煤灰中還含有未燃盡的炭粒(錢(qián)覺(jué)時(shí)，2002)。
表 4. 1是 Rohatgi等( 1995)列出的粉煤灰中可能的晶體礦物，其中高鈣粉煤灰中的礦物要比低鈣粉煤灰中的礦物復(fù)雜得多。Vassilev等( 1996)對(duì)保加利亞 11個(gè)熱電廠(chǎng)煤灰(包括飛灰、底灰、結(jié)渣和儲(chǔ)灰池灰)的研究識(shí)別出礦物和其他物相多達(dá) 71種，其中絕大多數(shù)含量都在 1%以下，含量為 1%～ 10%的主要是石英、高嶺石、長(zhǎng)石、磁鐵礦、赤鐵礦、硬石膏和炭粒，含量在 10%以上的主要是莫來(lái)石和玻璃體。我國(guó)粉煤灰的物相及組成范圍見(jiàn)表 4. 2。
Vassilev等( 1996，2003)將粉煤灰中礦物或相的成因分為 3種原生成因( prima-ry)、次生成因( secondary)和后生成因( tertiary)。
原生成因是指原來(lái)存在于煤中的礦物或相，在煤的燃燒過(guò)程中未經(jīng)歷任何相的轉(zhuǎn)變;次生成因是指在煤燃燒過(guò)程中形成的新礦物或相;后生成因則是指粉煤灰在經(jīng)水處理、干燥、存儲(chǔ)和運(yùn)輸過(guò)程中形成的新礦物或相。根據(jù) Vassilev等( 1996，2003)的研究，粉煤灰中的礦物和相主要為次生(包括各種硅酸鹽、氧化物、硫酸鹽、碳酸鹽、炭粒和玻璃體)，少量為原生(包括部分硅酸鹽、氧化物、硫酸鹽、碳酸鹽和磷酸鹽)，后生的數(shù)量為少(常見(jiàn)的是硫酸鹽、碳酸鹽和氯化物)。這種差異主要與煤中礦物種類(lèi)、數(shù)量、燃燒條件和后期處理方式有關(guān)。在粉煤灰的常見(jiàn)礦物中，石英、長(zhǎng)石、方解石、磷灰石一般都是原生成因，而莫來(lái)石、磁鐵礦、赤鐵礦、硬石膏基本屬于次生成因，后生礦物主要是石膏。粉煤灰中的原生礦物主要以分散的粒狀和集合體出現(xiàn)，次生礦物主要存在于玻璃體或玻璃體的外表面以及炭?？紫吨?，而后生礦物則主要以集合體的形式存在。
表 4. 1粉煤灰中的晶體礦物組成
(據(jù)Ｒohatgi等，1995)
表 4. 2我國(guó)粉煤灰的物相組成及范圍
圖 4. 3顯示不同礦物及其含量隨溫度的變化情況( Huffman等，1991)，大約在 900℃以下，樣品中所觀察到的礦物基本上都能與煤中的礦物相對(duì)應(yīng)。方鐵礦和富鐵的鐵酸鹽相主要來(lái)自富鐵礦物，如黃鐵礦、菱鐵礦和硫酸鐵等。900℃以下時(shí)玻璃體中的鐵含量正比于含鉀黏土礦物和煤中伊利石中鐵的含量，通常認(rèn)為這是由于在 K2O-SiO2-Al2O3相圖中有很多低熔點(diǎn)的共熔區(qū)域。在 900～ 1000℃之間，方鐵礦和其他富鐵氧化物將會(huì)和石英、高嶺石發(fā)生反應(yīng)而熔融。在 1000～ 1200℃之間，由于鐵尖晶石和鋁酸鐵等的形成，鐵的這種熔融反應(yīng)停止，超過(guò) 1200℃所有的鐵將會(huì)與液態(tài)的硅酸鹽結(jié)合。
圖 4. 1 FeO-SiO2-Al2O3相圖(陰影為粉煤灰區(qū)域)
圖 4. 2 CaO-SiO2-Al2O3相圖(陰影為粉煤灰區(qū)域)
圖 4. 3煤灰礦物含量隨溫度的變化曲線(xiàn)
Spears( 2000)對(duì)英國(guó)煤燃燒過(guò)程中黏土礦物的轉(zhuǎn)化行為也做過(guò)詳細(xì)研究，他認(rèn)為粉煤灰中的莫來(lái)石主要來(lái)源于煤中高嶺石礦物的轉(zhuǎn)化，而粉煤灰中的玻璃相和空心微珠主要得益于煤中的伊利石礦物。我國(guó)學(xué)者邵靖邦等( 1996)也詳細(xì)給出了煤中 12種礦物在不同溫度下的化學(xué)反應(yīng)及其礦物相。盛昌棟等( 1998)綜合國(guó)內(nèi)外研究成果評(píng)述了煤中含鐵礦物在煤粉燃燒過(guò)程中的行為。不同人給出的化學(xué)反應(yīng)式基本一致，存在的差異主要是礦物轉(zhuǎn)變過(guò)程中的溫度問(wèn)題。
Demir等( 2001)根據(jù)多人研究成果列出煤中礦物不同溫度下的化學(xué)反應(yīng)及其礦物相轉(zhuǎn)變?nèi)缦?/p>
高鋁粉煤灰特及其在合成莫來(lái)石和堇青石中的應(yīng)用
高鋁粉煤灰的物相組成與普通粉煤灰也有很大差別。XRD分析( SIROQUANT軟件)表明，準(zhǔn)格爾電廠(chǎng)高鋁粉煤灰中含有 55. 2%的玻璃相和 44. 8%的結(jié)晶礦物相，結(jié)晶礦物主要為 35. 6%莫來(lái)石和 8. 4%剛玉，另有次要礦物 0. 5%方解石、0. 2%石英和 0. 2%金紅石(表 4. 3;圖 4. 4，圖 4. 5)。
表 4. 3 XRD和 SIROQUANT軟件測(cè)得的高鋁粉煤灰物相組成(%)
莫來(lái)石和剛玉均為煤燃燒過(guò)程中形成的二次礦物相，特別是剛玉相在普通粉煤灰中幾乎難以尋覓，但在準(zhǔn)格爾電廠(chǎng)高鋁粉煤灰中高達(dá) 8. 4%，這種情況十分少見(jiàn)。
莫來(lái)石礦物含量高達(dá) 35. 6%，也比普通粉煤灰中常見(jiàn)的含量 20%左右高出許多。粉煤灰中高含量的莫來(lái)石主要來(lái)源于煤中豐富的高嶺石在高溫下的分解和轉(zhuǎn)化產(chǎn)物;莫來(lái)石的另一來(lái)源途徑是，煤中豐富的勃姆石礦物失水轉(zhuǎn)變?yōu)棣?Al2O3再與高嶺石分解產(chǎn)生的非晶態(tài) SiO2反應(yīng)生成莫來(lái)石。剛玉則主要來(lái)自煤中勃姆石礦物失水后的晶體轉(zhuǎn)化。
粉煤灰中極其少量的石英主要是原生( primary)或次生( secondary)礦物。在普通粉煤灰中石英是常見(jiàn)的礦物( Vassilev等，1996)，呈多角形到渾圓狀(熔點(diǎn) 1713℃，軟化溫度≥1300℃)。石英在準(zhǔn)格爾電廠(chǎng)高鋁粉煤灰中含量極少，與電廠(chǎng)爐前煤中石英含量很少有關(guān)(邵龍義等，1996)，也說(shuō)明準(zhǔn)格爾電廠(chǎng)高鋁粉煤灰中的石英主要為原生殘余礦物。
粉煤灰中的金紅石主要是原生礦物(熔點(diǎn) 1827℃)，但 Vassilev等( 1995)認(rèn)為，若煤中礦物含有銳鈦礦時(shí)也可以次生形成。從爐前煤礦物組成看(邵龍義等，1996)，準(zhǔn)格爾電廠(chǎng)粉煤灰中的金紅石應(yīng)為原生礦物。
圖 4. 4準(zhǔn)格爾電廠(chǎng)高鋁粉煤灰 XRD圖譜
圖 4. 5測(cè)定的(上)和計(jì)算的(中) XRD圖譜及其二者之間的差分(下)
粉煤灰中的方解石主要是原生或后生( Tertiary)的，幾乎沒(méi)有次生成因的，當(dāng)溫度低于 700～ 950℃時(shí)，較粗顆粒的方解石可能出現(xiàn)不完全分解而殘留下來(lái)( Vassilev等，1996)。
趙蕾( 2007)測(cè)得準(zhǔn)格爾電廠(chǎng)高鋁粉煤灰樣品中的主晶相和玻璃相含量與我們的研究結(jié)果基本一致，且莫來(lái)石含量在飛灰中明顯高于底灰，而燒失量則與之相反(表 4. 4);利用 120、160、300、360和 500目分級(jí)篩將準(zhǔn)格爾電廠(chǎng)高鋁粉煤灰按粒度分為 6級(jí)，測(cè)得不同粒度段粉煤灰中的礦物相和玻璃相含量見(jiàn)表 4. 5。
表 4. 4準(zhǔn)格爾電廠(chǎng)燃煤產(chǎn)物的物相組成
(據(jù)趙蕾，2007)
表 4. 5準(zhǔn)格爾電廠(chǎng)不同粒度粉煤灰的物相組成
(據(jù)趙蕾，2007)
高鋁粉煤灰特及其在合成莫來(lái)石和堇青石中的應(yīng)用
從表 4. 5可以看出，莫來(lái)石和剛玉相含量隨粉煤灰粒度減小其含量增多，而玻璃相含量則相應(yīng)減少; Goodarzi( 2006)研究加拿大火電廠(chǎng)普通粉煤灰時(shí)發(fā)現(xiàn)，同一電廠(chǎng)布袋除塵器收集到的飛灰顆粒粒徑小于靜電除塵器，并且前者飛灰中的莫來(lái)石含量高于后者，因此推斷莫來(lái)石更多地于細(xì)顆粒中。將磁飛灰與非磁飛灰相比，非磁飛灰中的莫來(lái)石和剛玉相含量明顯高于磁飛灰，而含鐵礦物明顯出現(xiàn)在磁飛灰中(表 4. 6)。
表 4. 6準(zhǔn)格爾電廠(chǎng)磁和非磁飛灰的物相組成
(據(jù)趙蕾，2007)
下面對(duì)準(zhǔn)格爾電廠(chǎng)高鋁粉煤灰中主要礦物的形成機(jī)理作詳細(xì)探討。
( 1)莫來(lái)石
莫來(lái)石是在 Al2O3-SiO2二元相圖中穩(wěn)定的結(jié)晶硅酸鹽，具有極好的化學(xué)穩(wěn)定，典型化學(xué)成分為 3Al2O3·2SiO2，但實(shí)際上莫來(lái)石的成分可以從 3Al2O3·2SiO2到 2Al2O3·SiO2連續(xù)變化。眾多的研究結(jié)果表明，莫來(lái)石并非一個(gè)固定的化學(xué)組成，它不僅有經(jīng)典的 3∶2型莫來(lái)石(α-莫來(lái)石)，也有 2∶1型莫來(lái)石(β-莫來(lái)石)，還存在 1∶1過(guò)渡型莫來(lái)石。莫來(lái)石的通式可以表示為 Al4+ 2xSi2－ 2xO10－ x，其中 x表示單位晶胞中的氧空位，0≤x≤1，氧空位是由于莫來(lái)石晶格中的兩個(gè)硅原子被兩個(gè)鋁原子替代所致 O2－+ 2Si4+→2Al3++□，見(jiàn)圖 4. 6。
圖 4. 6莫來(lái)石結(jié)構(gòu)沿( 001)面的投影(引自 Ban等，1992)
就結(jié)晶學(xué)觀點(diǎn)來(lái)說(shuō)，莫來(lái)石的晶體結(jié)構(gòu)符合終組成硅線(xiàn)石( x= 0)和具有莫來(lái)石結(jié)構(gòu)的氧化鋁( x=1)之間的任何結(jié)構(gòu)。實(shí)際上，在 1 atm下，硅線(xiàn)石和莫來(lái)石之間以及莫來(lái)石與具有莫來(lái)石結(jié)構(gòu)的氧化鋁之間分別存在非混熔區(qū)域，莫來(lái)石固熔體僅存在于組成為 x=0. 2和 x=0. 6之間，相當(dāng)于莫來(lái)石的 Al2O3含量為 58 mol%和 75 mol%( Schnei-der等，1990)。燒結(jié) 3∶2型莫來(lái)石 x= 0. 25，Al2O3≈72%;電熔 2∶1型莫來(lái)石 x= 0. 40，Al2O3≈78%;經(jīng)有機(jī)或無(wú)機(jī)先驅(qū)粉在< 1000℃合成條件下經(jīng)熱處理得到的化學(xué)莫來(lái)石( x> 0. 80，Al2O3> 90%)也已經(jīng)得到證實(shí)( Schneider等，2008)。我國(guó)學(xué)者高振昕等( 2002)也指出，介穩(wěn)態(tài)高鋁莫來(lái)石 x= 0. 57。
粉煤灰中的莫來(lái)石主要來(lái)源于煤中的黏土礦物，特別是高嶺石礦物，因?yàn)楦邘X石在3種常見(jiàn)的黏土礦物中 Al2O3/ SiO2質(zhì)量比高，為 0. 85( 41% Al2O3，48% SiO2，11%H2O)。
高鋁粉煤灰特及其在合成莫來(lái)石和堇青石中的應(yīng)用
高鋁粉煤灰特及其在合成莫來(lái)石和堇青石中的應(yīng)用
上述轉(zhuǎn)變過(guò)程中沒(méi)有鋁硅尖晶石中間相生成，這種情況也是存在的( Okada等，1992; Castelein等，2001)，但是大多數(shù)人認(rèn)為高嶺石在轉(zhuǎn)變?yōu)槟獊?lái)石過(guò)程中有鋁硅尖晶石中間相生成(林彬蔭等，1989;高振昕等，2002)，沃羅爾( 1980)給出的高嶺石高溫下轉(zhuǎn)變?yōu)槟獊?lái)石的過(guò)程如下
高鋁粉煤灰特及其在合成莫來(lái)石和堇青石中的應(yīng)用
上式中的預(yù)莫來(lái)石( Al2O3·SiO2)也就是現(xiàn)在所稱(chēng)的過(guò)渡組成 1∶1莫來(lái)石。從上述情況看，高嶺石轉(zhuǎn)化為莫來(lái)石在形成方式和轉(zhuǎn)化溫度上的爭(zhēng)議仍然會(huì)存在很長(zhǎng)一段時(shí)間。
勃姆石又稱(chēng)一水軟鋁石，化學(xué)式為γ-AlO( OH)或γ-Al2O3·H2O，其中含 85%Al2O3，15% H2O，成分中可能有少量 Fe3+替代 Al3+，晶體結(jié)構(gòu)屬層狀。加熱時(shí)于 530～600℃之間失水后相變?yōu)棣?Al2O3(林彬蔭等，1989)。γ-Al2O3結(jié)構(gòu)與尖晶石結(jié)構(gòu)相近，是具有缺陷的尖晶石結(jié)構(gòu)。在 1200℃以上高溫下，γ-Al2O3通過(guò)調(diào)整有缺陷的尖晶石結(jié)構(gòu)，與高嶺石分解出來(lái)的非晶質(zhì) SiO2反應(yīng)生成莫來(lái)石，即二次莫來(lái)石。
高鋁粉煤灰特及其在合成莫來(lái)石和堇青石中的應(yīng)用
準(zhǔn)格爾電廠(chǎng)燃煤中高含量的高嶺石和勃姆石為莫來(lái)石形成提供了充足的物質(zhì)來(lái)源，因?yàn)殡姀S(chǎng)鍋爐燃燒溫度在 1200～1700℃，中心溫度甚超過(guò) 1700℃，所以在準(zhǔn)格爾電廠(chǎng)粉煤灰中就形成了含量高達(dá) 35. 6%的莫來(lái)石。粉煤灰中的莫來(lái)石多數(shù)以顆粒骨架結(jié)構(gòu)存在，而骨架孔隙和表面通常被玻璃質(zhì)充填和覆蓋，所以在 SEM下不易直接識(shí)別，如果用鹽酸或氫氟酸侵蝕粉煤灰中的玻璃質(zhì)，就可以發(fā)現(xiàn)有大量的針狀莫來(lái)石晶體存在。
粉煤灰形成過(guò)程中結(jié)晶的莫來(lái)石，由于受到雜質(zhì)的影響常常混入其他陽(yáng)離子，特別是粉煤灰中的 Fe3+和 Ti4+可以進(jìn)入莫來(lái)石晶格替代部分鋁離子。Gomse等( 2000)對(duì)法國(guó)東部一家火電廠(chǎng)粉煤灰采用多種研究手段進(jìn)行了研究，得出粉煤灰中莫來(lái)石的平均化學(xué)式為 Al4. 61Fe0. 05Ti0. 02O9. 65，XRD和 NMR(核磁共振)等研究得到的化學(xué)式為 Al4. 70Si1. 30O9. 65(對(duì)應(yīng) x= 0. 35，Al2O3含量為 75. 5%)，其中鋁含量略高出經(jīng)典的莫來(lái)石化學(xué)式 Al4. 5Si1. 5O9. 75(對(duì)應(yīng) x= 0. 25，Al2O3含量為71. 8%)，介于燒結(jié)3∶2莫來(lái)石和電熔2∶1莫來(lái)石之間。粉煤灰形成過(guò)程中的瞬時(shí)冷卻使得莫來(lái)石并不能充分結(jié)晶和均一化，導(dǎo)致了莫來(lái)石在結(jié)構(gòu)和成分上的差異。
( 2)剛玉
剛玉是次生礦物，其熔融溫度為2050℃，在準(zhǔn)格爾電廠(chǎng)爐前煤中并沒(méi)有檢測(cè)到。Vas-silev等( 1996)認(rèn)為，剛玉主要是黏土礦物熔融后重新結(jié)晶形成的，也可能是鋁的氫氧化物發(fā)生脫羥基化作用形成。從準(zhǔn)格爾電廠(chǎng)爐前煤礦物組成看，高鋁粉煤灰中的剛玉主要來(lái)自煤中的勃姆石，即
高鋁粉煤灰特及其在合成莫來(lái)石和堇青石中的應(yīng)用
表 4. 7過(guò)渡型氧化鋁的結(jié)晶參數(shù)
(據(jù)高振昕等，2002)
( 3)石英
石英是粉煤灰中的常見(jiàn)礦物，石英在粉煤灰形成過(guò)程中是否熔融及其熔融溫度也是一個(gè)頗具爭(zhēng)議的問(wèn)題。在常壓下石英的同質(zhì)多像轉(zhuǎn)變形式為(武漢地質(zhì)學(xué)院礦物教研室，1979)
高鋁粉煤灰特及其在合成莫來(lái)石和堇青石中的應(yīng)用
在低溫范圍鱗石英和方石英的轉(zhuǎn)變?yōu)?/p>
高鋁粉煤灰特及其在合成莫來(lái)石和堇青石中的應(yīng)用
石英、磷石英和方石英均有低溫(α)變體和高溫(β)變體，這種高低溫變體間的轉(zhuǎn)變，結(jié)構(gòu)中的［SiO4］四面體只有稍微移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)，其他變體的轉(zhuǎn)變［SiO4］四面體則需要斷開(kāi)和重新排列。所以，同一晶型不同變體α、β間轉(zhuǎn)變較快，各晶型間的轉(zhuǎn)變速度較慢。
通常情況下，煤中的石英均為α-石英，也就是我們經(jīng)常所說(shuō)的石英，其化學(xué)成分較純( SiO2通常接近 100%)，化學(xué)質(zhì)相當(dāng)穩(wěn)定。有人認(rèn)為石英在燃煤過(guò)程中只存在礦物相的轉(zhuǎn)變，不存在熔融，因?yàn)殄仩t的燃燒溫度并不高，達(dá)不到石英的熔融溫度(鱗石英的熔點(diǎn)為 1670℃，方石英的熔點(diǎn)為 1713℃)，但大部分人認(rèn)為存在部分熔融( Demir等，2001; Spears，2000)。根據(jù) Mitchell和 Gluskoter( 1976)的報(bào)道，將石英暴露于大約 1200～ 1300℃的氧化條件下 30 min，石英可以轉(zhuǎn)化為玻璃相( Demir等，2001)。由于燃煤中的石英顆粒大小不一，小的可能全部熔融，大的則可能存在部分熔融或表面熔融，因?yàn)閺?XRD曲線(xiàn)上基本都能夠發(fā)現(xiàn)石英的衍射峰，用 FESEM-EDX分析，也能夠發(fā)現(xiàn)粉煤灰中的石英顆粒，而且基本保持了原來(lái)的粒狀特征。粉煤灰中的石英可以是原生的(石英的軟化溫度≥1300℃，有熔融的，也有半熔融的)，也可以是次生的，但以原生為主，部分石英(主要是骨架形)還可來(lái)源于熔融物的重結(jié)晶作用( Vassilev等，1996)。
準(zhǔn)格爾電廠(chǎng)粉煤灰中的石英數(shù)量較少，呈分散的粒狀，具多角形或不規(guī)則形，基本保持一定的外形，但也可以發(fā)現(xiàn)有的石英邊緣有熔融現(xiàn)象，根據(jù)形態(tài)和成分( FESEM-EDX分析)仍然可以區(qū)分出來(lái)，它們?cè)诘谆抑械臄?shù)量略高于飛灰。
( 4)其他次要礦物
用 XRD法鑒定礦物的不足之處是對(duì)含量較低的礦物不敏感，也就是說(shuō)，對(duì)于含量在1%～ 2%以下的礦物 XRD衍射峰不明顯，很難做出準(zhǔn)確的判斷。所以，我們?cè)谟?XRD鑒定粉煤灰中礦物的同時(shí)，采用了 FESEM-EDX方法對(duì)所有樣品進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)除上述礦物外，仍然有少量的磁鐵礦、赤鐵礦和金紅石礦物，它們通常富集在玻璃體的表面或構(gòu)成玻璃微珠的骨架。用磁選法很容易分選出粉煤灰中的磁顆粒，其表面大部分比較粗糙，為粉煤灰冷卻過(guò)程中析出的晶體，可以通過(guò) FESEM-EDX分析得以確認(rèn)。
在粉煤灰中，磁鐵礦通常表現(xiàn)為樹(shù)枝狀、粒狀或八面體晶型;而赤鐵礦多表現(xiàn)為薄板狀或薄片狀或硬殼狀晶體，通常形成“鐵玫瑰”或“足球”狀，極少數(shù)情況下可以繼承黃鐵礦晶型，呈現(xiàn)出立方體或立方體-八面體復(fù)合晶型。一般來(lái)說(shuō)，粗顆粒的飛灰和底灰中容易富集磁鐵礦，而細(xì)顆粒的飛灰中容易富集赤鐵礦，這是因?yàn)榧?xì)顆粒飛灰形成時(shí)具有相對(duì)較高的氧化條件( Vassilev等，1996)，我們的研究也基本如此，但在飛灰中也并不缺乏磁鐵礦微珠顆粒。此外，粉煤灰中還存在未完全燃燒的炭粒和殘余黏土礦物，它們?cè)诘谆抑械暮棵黠@高于飛灰?？招奶吭诘谆抑懈患^多，絲質(zhì)體組分的碎片呈光滑或帶有瘤狀的桿狀顆粒，既存在于底灰也存在于飛灰中。此次研究，在個(gè)別粉煤灰微珠顆粒中還發(fā)現(xiàn)有針狀或柱狀的金紅石礦物，形成球體的骨架，有玻璃質(zhì)或多或少充填于金紅石骨架孔隙之中。金紅石通常是粉煤灰中 TiO2的主要物質(zhì)來(lái)源，其熔點(diǎn)高達(dá) 1827℃，主要為原生成因，但也可以來(lái)自熔體的結(jié)晶作用或者來(lái)自銳鈦礦同質(zhì)異像的轉(zhuǎn)變( Vassilev等，1996)。圖 4. 7是準(zhǔn)格爾電廠(chǎng)粉煤灰 FESEM-EDX分析得到的部分礦物圖像和主要成分特征。
高鋁粉煤灰特及其在合成莫來(lái)石和堇青石中的應(yīng)用
圖 4. 7準(zhǔn)格爾電廠(chǎng)粉煤灰中的晶體礦物(附有 EDX能譜點(diǎn)的顆粒)
布袋除塵器和電除塵器有哪些不同
1前言
煙塵是造成大氣污染的主要因素之一，減少大氣污染的根本措施就是減少有害物質(zhì)向大氣的排放。目前國(guó)內(nèi)處理煙塵等粒狀污染物的設(shè)備主要為袋式除塵器和電除塵器。在選擇除塵設(shè)備時(shí)，應(yīng)充分考慮其經(jīng)濟(jì)、可靠、適用和社會(huì)等。在選擇除塵技術(shù)時(shí)，應(yīng)考慮使用當(dāng)?shù)貤l件、現(xiàn)場(chǎng)條件、燃燒煤種特、排放標(biāo)準(zhǔn)和需要達(dá)到的除塵效率等多種因素。本文針對(duì)目前對(duì)環(huán)保的要求以及袋式除塵器和電除塵器在能上的差異和在各行各業(yè)中應(yīng)用的實(shí)際情況，對(duì)兩種除塵器在實(shí)際應(yīng)用中的基本特指標(biāo)做一簡(jiǎn)單客觀的對(duì)比。
2原理的對(duì)比
（1）袋式除塵器
采用不同的多孔濾料制作成袋狀過(guò)濾元件（即濾袋），當(dāng)含塵氣體通過(guò)濾袋時(shí)，塵粒因慣的作用與濾袋碰撞而被攔截，細(xì)微的塵粒（粒徑為1μm或更小）則因擴(kuò)散作用（布朗運(yùn)動(dòng)）不斷改變運(yùn)動(dòng)方向，從而增加了塵粒與濾袋接觸的機(jī)會(huì)。塵粒與濾袋碰撞時(shí)產(chǎn)生的粘附作用與靜電作用使塵粒堆積在濾袋表面，形成濾餅（或稱(chēng)濾床），這種濾餅又通過(guò)篩分作用，得以捕集更細(xì)的塵粒。若除塵器的過(guò)濾方式為內(nèi)濾式，則塵粒會(huì)被阻留在濾袋的內(nèi)表面，而干凈氣體會(huì)通過(guò)濾袋纖維間的縫隙逸袋外；若除塵器的過(guò)濾方式為外濾式，則反之。當(dāng)塵粒堆積到一定程度后，借助重力的作用采用氣力或機(jī)械的方法，將塵粒從濾袋上除去，粉塵收集后輸送走。
（2）電除塵器
在電除塵器的正負(fù)極上通以高壓直流電，使兩極間維持一個(gè)足以令氣體電離的電場(chǎng)，當(dāng)含塵氣體通過(guò)高壓電場(chǎng)時(shí)塵粒荷電（一般荷負(fù)電），并通過(guò)電場(chǎng)力的作用，使帶電塵粒向極相反的集塵極（正極）移動(dòng)，沉積在集塵極上，從而將塵粒從含塵氣體中分離出來(lái)，然后通過(guò)振打電極的方法使粉塵降落到除塵器下部的集料斗內(nèi)收集并輸走。
3除塵效率的對(duì)比
袋式除塵器的除塵效率比電除塵器高，并且對(duì)有嚴(yán)重影響的重金屬粒子及亞微米級(jí)塵粒的捕集更為有效。通常除塵效率可達(dá)99.99%以上，排放煙塵濃度能穩(wěn)定低于50mg/Nm3，甚可達(dá)10mg/Nm3以下，幾乎實(shí)現(xiàn)了零排放。
從目前國(guó)內(nèi)電力行業(yè)燃煤鍋爐的應(yīng)用情況來(lái)看，袋式除塵器處理后的煙塵排放濃度能保證在30mg/Nm3以下。如呼和浩特電廠(chǎng)的兩臺(tái)200MW機(jī)組的鍋爐煙氣凈化采用了袋式除塵器，從CEMS系統(tǒng)長(zhǎng)期自動(dòng)監(jiān)測(cè)的結(jié)果和權(quán)威檢測(cè)機(jī)構(gòu)的人工采樣測(cè)試結(jié)果來(lái)看，排放濃度均低于27mg/Nm3。
袋式除塵器高效的過(guò)濾機(jī)理決定了它不受燃燒煤種物化能變化的影響，具有穩(wěn)定的除塵效率。針對(duì)目前的排放標(biāo)準(zhǔn)和排放費(fèi)用的征收辦法，袋式除塵器所帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益是顯而易見(jiàn)的。
電除塵器的除塵效率雖然亦可達(dá)到99.9%以上,但由于控制及維護(hù)技術(shù)的要求較高,且電除塵器對(duì)粉塵的比電阻比較敏感,所以其除塵效率并不穩(wěn)定,但在一般情況下也可達(dá)到排放要求。隨著環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)一步提高和越來(lái)越多的電廠(chǎng)燃用低硫煤（或者經(jīng)過(guò)了高效脫硫），就電除塵器而言，要排放達(dá)標(biāo)會(huì)變得越來(lái)越困難。
4鍋爐系統(tǒng)變化對(duì)除塵器的影響的對(duì)比
燃煤電廠(chǎng)的煤種相對(duì)穩(wěn)定，但也會(huì)遇到煤種或煤質(zhì)發(fā)生變化的情況；鍋爐系統(tǒng)是一個(gè)會(huì)經(jīng)常變動(dòng)和調(diào)節(jié)的系統(tǒng)，因此從鍋爐中產(chǎn)生的煙氣的物化能、煙塵濃度、溫度等參數(shù)也會(huì)發(fā)生變化。這些變化，也會(huì)引起除塵器的不同變化。系統(tǒng)的幾個(gè)主要變化對(duì)不同除塵器的影響如下：
（1）送、引風(fēng)機(jī)風(fēng)量不變，鍋爐出口煙塵濃度變化
對(duì)袋式除塵器：煙塵濃度的變化只會(huì)引起袋式除塵器濾袋負(fù)荷的變化，從而導(dǎo)致清灰頻率的改變（自動(dòng)調(diào)節(jié)）。煙塵濃度高的濾袋上的積灰速度快，相應(yīng)的清灰頻率高，反之清灰頻率低，而對(duì)排放濃度不會(huì)引起變化。
對(duì)電除塵器：煙塵濃度的變化會(huì)直接影響粉塵的荷電量，因此也就直接影響了電除塵器的除塵效率，終反映在排放濃度的變化上。通常煙塵濃度增加除塵效率提高，排放濃度會(huì)相應(yīng)增加；煙塵濃度減小除塵效率降低，排放濃度會(huì)相應(yīng)減小。
（2）鍋爐煙塵量不變，送、引風(fēng)機(jī)風(fēng)量變化
對(duì)袋式除塵器：風(fēng)量的變化會(huì)直接引起過(guò)濾風(fēng)速的變化，從而會(huì)引起設(shè)備阻力的變化，但對(duì)除塵效率基本沒(méi)有影響。風(fēng)量加大設(shè)備阻力提高，引風(fēng)機(jī)出力增加；反之引風(fēng)機(jī)出力減小。
對(duì)電除塵器：風(fēng)量的變化對(duì)設(shè)備沒(méi)有太大影響，但電除塵器的除塵效率隨風(fēng)量的變化會(huì)較為明顯。若風(fēng)量增大，電除塵器電場(chǎng)風(fēng)速提高，粉塵在電場(chǎng)中的停留時(shí)間縮短，雖然電場(chǎng)中的風(fēng)擾動(dòng)增強(qiáng)了荷電粉塵的有效驅(qū)進(jìn)速度，但不足以抵償高風(fēng)速引起的粉塵在電場(chǎng)中駐留時(shí)間的縮短和二次揚(yáng)塵加劇所帶來(lái)的負(fù)面影響，因此除塵效率的降低會(huì)非常明顯；反之，除塵效率會(huì)有所增加，但增加幅度不大。
（3）溫度的變化
對(duì)袋式除塵器：煙氣溫度太低，會(huì)發(fā)生結(jié)露并可能會(huì)引起“糊袋”及殼體腐蝕；煙氣溫度太高超過(guò)濾料允許溫度會(huì)造成“燒袋”而損壞濾袋。但如果溫度的變化是在濾料的承受溫度范圍內(nèi)，就不會(huì)影響除塵效率。引起不良后果的溫度是達(dá)到了極端的溫度（事故/不正常狀態(tài)），因此袋式除塵器必須設(shè)有對(duì)極限溫度控制的有效保護(hù)措施。
對(duì)電除塵器：煙氣溫度太低，結(jié)露就會(huì)引起殼體腐蝕或高壓爬電，但有利于提高除塵效率；煙氣溫度升高，會(huì)引起粉塵比電阻升高而不利于除塵。因此煙氣溫度會(huì)直接影響除塵效率，且影響較為明顯。
（4）煙氣物化成分（或燃燒煤種）變化
對(duì)袋式除塵器：煙氣的物化成分對(duì)袋式除塵器的除塵效率沒(méi)有影響。但如果煙氣中含有對(duì)所有濾料都有腐蝕破壞的成分時(shí)就會(huì)直接影響濾料的使用壽命。
對(duì)電除塵器：煙氣物化成分會(huì)直接引起粉塵比電阻的變化，從而影響除塵效率，而且影響很大。影響為直接的是煙氣中硫氧化物的含量。通常硫氧氣化物的含量越高，粉塵比電阻越低，粉塵越容易捕集，除塵效率就越高；反之，除塵效率就越低。另外，煙塵中的化學(xué)成分（如硅、鋁、鉀、鈉等含量）的變化也會(huì)引起除塵效率的明顯變化。
（5）氣流分布
對(duì)袋式除塵器：除塵效率與氣流分布沒(méi)有直接關(guān)系，即氣流分布不影響除塵效率。但除塵器內(nèi)部局部氣流分布應(yīng)盡量均勻，不能偏差太大，否則會(huì)由于局部負(fù)荷不均或射流磨損而造成局部破袋，影響除塵器濾袋的正常使用壽命。
對(duì)電除塵器：電除塵器對(duì)電場(chǎng)中的氣流分布非常敏感，氣流分布的好壞直接影響除塵效率的高低。在電除塵器的能評(píng)價(jià)中，氣流分布的均方根指數(shù)通常是評(píng)價(jià)一臺(tái)電除塵器好壞的重要指標(biāo)之一。
5運(yùn)行與管理的對(duì)比
（1）運(yùn)行與管理
對(duì)袋式除塵器：運(yùn)行穩(wěn)定，控制簡(jiǎn)單，沒(méi)有高電壓設(shè)備，安全好，對(duì)除塵效率的干擾因素少，排放穩(wěn)定。由于濾袋是袋式除塵器的核心部件，且相對(duì)比較脆弱、易損，因此設(shè)備管理要求嚴(yán)格。
對(duì)電除塵器：運(yùn)行中對(duì)除塵效率的干擾因素較多，排放不穩(wěn)定；控制相對(duì)較為復(fù)雜，高壓設(shè)備安全防護(hù)要求高。由于電除塵器均為鋼結(jié)構(gòu)，不易損壞，相對(duì)于袋式除塵器，設(shè)備管理要求不是很?chē)?yán)格。
（2）停機(jī)和啟動(dòng)
對(duì)袋式除塵器：方便，但長(zhǎng)期停運(yùn)時(shí)需要做好濾袋的保護(hù)工作。
對(duì)電除塵器：方便，可隨時(shí)停機(jī)。
（3）檢修與維護(hù)
對(duì)袋式除塵器：可實(shí)現(xiàn)不停機(jī)檢修，即在線(xiàn)維修。
對(duì)電除塵器：檢修時(shí)一定要停機(jī)。
7運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用的對(duì)比
（1）運(yùn)行能耗
對(duì)袋式除塵器：風(fēng)機(jī)能耗大，清灰能耗小。
對(duì)電除塵器：風(fēng)機(jī)能耗小，電場(chǎng)能耗大。
但從總體上講，兩種除塵器的電耗相當(dāng)。對(duì)于電除塵器難以捕集的粉塵，或者說(shuō)當(dāng)電除塵器的電場(chǎng)數(shù)量超過(guò)4電場(chǎng)時(shí)，電除塵器的能耗要比袋式除塵器的高，也就是說(shuō)此時(shí)的電除塵器運(yùn)行費(fèi)用要比袋式除塵器高。如果按照環(huán)保達(dá)標(biāo)要求120mg/m3計(jì)算，電除塵器必須要采用4電場(chǎng)以上才能保證達(dá)標(biāo)排放，因此其電耗也就一定比袋式除塵器高。
（2）維護(hù)費(fèi)用
袋式除塵器的維護(hù)檢修費(fèi)用主要是濾袋更換費(fèi)，由于袋式除塵器的排污費(fèi)遠(yuǎn)低于電除塵器，因此采用袋式除塵器1.5～2年比電除塵器少繳的排污費(fèi)就可抵償更換一次濾袋的費(fèi)用。
電除塵器的維護(hù)維修費(fèi)用主要是對(duì)集塵極（陽(yáng)極板）、陰極線(xiàn)和振打錘等的更換。此項(xiàng)費(fèi)用較高，但更換間隔的年限較長(zhǎng)，約6年。
（3）經(jīng)濟(jì)效益分析
在實(shí)際運(yùn)行中，袋式除塵器的排放濃度約是電除塵器的10%，因此，電廠(chǎng)采用袋式除塵器實(shí)際交繳的排污費(fèi)也為電除塵器的1/10左右。如果按照目前征收排污費(fèi)的情況來(lái)看，采用袋式除塵器后每爐/每年少繳的排污費(fèi)是相當(dāng)可觀的，可達(dá)百萬(wàn)元。另外，袋式除塵器還有約5%的脫硫效率，這也可以減少電廠(chǎng)二氧化硫的排污費(fèi)。
8總結(jié)
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