水泥厂回转窑，为什么灰分高的煤要烧饱和比高的生料更好，请详细解释

西南地区不同类型矿产开发过程中形成的大量尾矿、煤矸石、废石、废土等固体废弃物、矿山废水和废气排放，是造成矿山地质环境污染、矿山地质灾害和矿山资源破坏的主要因素，如能将这些废弃物加以综合利用，变废为宝，是恢复治理矿山地质环境的重要措施。

（一）矿山尾矿的综合利用

矿山尾矿是选矿加工过程中排放的固体废渣，储存在矿山尾矿库中。西南地区截至2002年，累计堆存尾矿量已超过6×104t，主要分布在大型国有矿山，中、小型矿山一般未建尾矿库，直接排入山谷、河湖和洼地，污染环境，压占大片土地资源。尾矿中含有丰富的有用元素可综合利用，有的元素价值甚至超过了主要元素，如四川省丹巴县杨柳坪镍矿，尾矿中含有大量的铂和钯可综合利用，其价值远超过镍金属，现在杨柳坪镍矿已改名为铂镍矿；四川攀枝花钒钛磁铁矿伴生的钪，其价值亦超过其他有价元素的总和。价值很高的伴生组分选矿时往往未得到回收而进入尾矿，因此尾矿的综合利用潜力极大，可作为资源进行二次开发，同时亦可减少矿山环境污染和土地资源破坏。

国外尾矿综合利用较好的美国，在明尼苏达州铁矿山建立了一个年处理百万吨的尾矿选矿厂，年回收铁精矿20×104t，精矿品位达60%；美国用浸溶法提取铜矿山废渣，每年回收铜在20×104t以上。南非利用老尾矿建成日处理4000t尾矿的选厂，专门提取金和铀（任永云，1980）。

西南地区尾矿堆积最多的典型矿山有云南个旧锡矿区和四川攀枝花钒钛磁铁矿区，前者已堆存13000×104t尾矿，后者堆存有11000×104t尾矿，两者都有极高的综合利用价值，矿区已采取措施开发利用。

1.云南个旧锡矿山尾矿综合利用

云南个旧是我国锡都，锡业公司始建于1883年，是我国老工业基地，锡产量约占全国的三分之一，占世界的10%，年选矿石量430余万t，选矿平均回收率锡62.56%、铜71.04%。矿石中伴生的有用组分铅、锌、铋、钨、钼、铁等，都进入尾矿。个旧锡矿有大小选矿厂28个，堆存尾矿量13000×104t。主要选厂尾矿化学成分见表6-7。其中前5位金属元素Sn，Pb，Cu，Zn，Fe的平均含量（算术平均法）分别为Sn0.15%，Pb.30%，Cu0.25%，Zn0.54%，Fe19.4%，都达到了可供综合利用的程度（丁其光等，1995），而且资源量相当可观，锡金属量达20×104t，相当于4个大型锡矿床的规模；铜金属量达32.5×104t，铅金属量169×104t，锌金属量70.2×104t，铁金属量2522×104t。

表6-7 个旧锡矿主要选厂尾矿化学成分 单位：%

1983年云南个旧锡矿的尾矿综合利用问题受到国家重视，被列入国家科技攻关项目。1984年研究成果通过国家科委鉴定验收。尾矿综合开发利用取得了较好指标：黄茅山尾矿，含Sn0.15%～0.176%，经二次选矿回收产品含Sn2%～2.2%，选矿回收率57.42%～69.72%；古山尾矿含Sn0.158%～0.172%，经二次选矿回收产品含Sn2%～2.28%，选矿回收率为50.93%～65.23%。选矿成本3.6～8.48元/t，取得了较好的效益。在此基础上，逐步开展了尾矿工业生产。

2.四川攀枝花钒钛磁铁矿尾矿综合利用

四川攀枝花是我国重要钢铁基地，所开采的钒钛磁铁矿石铁保有储量约占全国铁矿储量的9.4%，占西南地区的52%，占四川省的74%；钒储量占全国总储量的60.14%；钛储量占全国储量的90.54%，是我国第二大铁矿山。年产矿石1350×104t，为露天开采。矿石中除上述3种元素外，还伴生有钪、铬、镓、钴、镍、铜、硫、磷、锰、硒、碲、铂族元素等多种有价元素，其含量均达工业综合利用的要求，但目前这些成分均未回收而进入了尾矿中。

攀枝花钒铁磁铁矿的尾矿都堆存在马家田尾矿库中，堆存量约11000×104t，是西南地区最大的尾矿库。尾矿的化学成分见表6-8。

根据目前的选矿技术条件，马家田尾矿库尾砂中的钛可以被二次选矿利用。特别是尾矿库标高1188m以下约5841×104t，属早期选铁尾矿，是选钛的宝贵资源。如按表6-8中TiO2含量为9.37%计算，5841×104t尾矿中含TiO2约有540×104t，按26%的回收率计，可回收TiO2142.9×104t，折合47.5%品位的钛精矿约300×104t，相当于现在攀枝花选钛厂12年的产量。而1188m标高以上还有5000×104t以上的尾矿，也有回收价值（丁其光等，1995），表明该尾矿库中钛资源量是相当可观的。这些尾矿的综合利用，既可解决国家资源急需，又可缓解矿山地质环境问题。

表6-8 马家田尾矿库堆存尾矿化学成分 单位：%

（二）矿山煤矸石、废渣、废水综合利用

1.煤矸石综合利用

西南地区采煤过程中形成的煤矸石堆存量约90000×104t，在矿坑附近堆积成山，占压大量土地面积，暴雨季节易形成滑坡、泥石流地质灾害，污染矿山周边河湖水系。但煤矸石又是重要的资源，可综合利用。主要利用措施如下：

1）直接用于建筑、交通工程填方、垫路基等；

2）用于充填采空塌陷区或沟谷，进行土地复垦和改造地形；

3）用来制造建筑材料，如：制矸石砖、生产水泥或水泥混合材料；

4）用作矸石电厂发电燃料。

从西南地区情况来看，由于近几年建筑、交通工程发展较快，尤其煤矿山附近公路建设，利用大量煤矸石用于路基铺垫。但煤矸石制作建材，如生产矸石砖、水泥、矸石发电等深化利用，发展较为缓慢，仅部分矿山企业综合利用效果较好，如：四川峨眉市龙池镇八益煤矿年产煤15×104t，年产煤矸石和尾矿粉共8×104t，矿山因交通方便，专门修建了砖厂，利用煤矸石和尾矿粉生产建筑用砖，年利用量达6×104t，综合利用率达75%，大大缓解了环境压力。贵州省盘江煤电集团、水矿集团所属大、中型矿山利用煤矸石发电，解决了60%的自身动力用电。利用煤矸石生产页岩砖、充填采空区，年消耗矸石量40×104t，产生了很好的经济效益。利用矿山周围沟谷堆放煤矸石，沟谷填满后覆土复耕、植树，还田于民，改善了工农关系，创造了一定社会效益。此外，以天然煤矸石为原料，通过酸溶一步法将煤矸石中的氧化铝溶解出来，并通过试验，确定溶出量最高时的工艺条件，再经过盐基度的调整（70%左右），形成碱式聚合氯化物，该聚合物具有很好的絮凝作用，从而成为一种新型高效净化剂（刘红艳等，2004）。可用于工业用水和污水的净化作用，具有广阔的应用前景。入选全国首批6个循环经济试点城市的重庆市，为发展循环经济，使煤矸石变废为宝，目前全市已批准投资30亿元，修建7个煤矸石综合利用发电厂，总装机容量58×104kW，并逐步形成产业链。

重庆最大的动力煤生产基地——松藻煤电公司，煤炭年产400×104t，煤矸石年排放量100×104t。现已堆积成的6座煤矸石山，既占用土地又污染环境。为使煤矸石变废为宝，松藻煤电公司将投资13亿元建起西南最大的环保发电厂——重庆松藻煤电公司安稳煤矸石火力发电厂。这座装机容量为30×104kW的煤矸石火力发电厂，采用废弃的煤矸石为燃料，每年可吃掉150×104t煤矸石，年发电量可达16×108kW·h。

合川市三汇镇煤炭资源丰富，年产煤炭150×104t，每年同样产生大量废弃煤矸石。为此，他们引进新技术，投资2.6亿元建成5.5×104kW的煤矸石发电厂，用煤矸石发电，变废为宝。而用煤矸石发电，每年又可产生30多万吨粉煤灰。于是电厂和富丰水泥集团联手，通过技术改造，建成一条利用粉煤灰生产水泥的生产线。据悉，富丰水泥集团还计划投入8000万元，拟建一座1.5×104kW的热发电厂，利用余热发电，以消除水泥生产中产生的余热对环境的不良影响。

2.煤灰渣的综合利用

西南地区能源矿山大量堆存的煤灰渣是一种重要矿产资源，应加强综合利用，减少环境污染，其主要成分是SiO2，约占50%；其次是Al2O3和Fe2O3，占40%左右；其余为CaO，MgO，SO3及其他稀有分散元素。国外对煤灰的综合利用非常重视，综合利用率最高为英国，达70%，西德为65%～70%、法国50%、日本52%、美国50%左右。我国排灰量居世界前列，但利用率仅20%～30%。

美国根据他们国家煤灰渣中普遍含有1%的钛、15%的铝、7.5%～15%的铁等特点，从中提炼铝和铁；并从煤的飞灰中提取锗、镓、铀、硒等稀有分散元素。我国用磁选法从含铁10%以上的煤灰中试验提取的铁精粉，品位达到48%～50%，所炼生铁完全合格；从含铝高含铁低的煤灰渣中生产了聚合铝、氯化铝的硫酸铝等产品。

提炼了金属铝、铁和稀有分散元素后的煤灰渣可供制作煤灰水泥，这种水泥的吃灰量大、成本低、工艺简单，而且具有抗渗性能好、后期强度高、抗拉强度高、水化热低等特点。高442m的美国芝加哥新西尔斯塔状楼，从墙体、楼板到防火设施等全部构件都用煤灰水泥制成。

煤灰渣内含有铝硅酸盐玻璃质，还大量用来制造人工轻质骨料，以代替卵石和黄沙。英国来特格公司用煤灰渣原料建设了一座年产13×104t人工轻质骨料厂，效益很好。国外利用煤灰制造人工轻质骨料发展很快，已成为建材工业中的一支劲旅。

煤灰渣还可以直接掺入混凝土。美国建筑业通常每立方米掺入12054.43kg煤灰渣，可以节约20%的水泥和10%的沙子，如美国芝加哥高200m的市政大楼就是用掺煤灰混凝土建成的（王在霞，1980）。由于煤灰的传热系数比很小，是理想的绝热材料，可以制成各种保温混凝土。

煤灰渣还可直接用于筑路，用其作柏油路的底基层或路基，其特点是防冻、防翻浆和龟裂，并且防水性能良好。据统计，美国四车道的公路每千米用煤灰渣作路基耗量100t，用量很大。

煤灰经过加工处理后，制成的农业肥料，用于盐碱地可以改良土壤；用于沙土地可以保水防渗；用于粘土地可以疏松土壤。由于煤灰有孔隙，透气性好有利微生物活动分解。煤灰中含有多种微量元素，可促进植物的生长。

煤灰渣的用途范围正日益扩大，如试制绝缘纤维材料；利用其作充填塑料、油漆、喷料、橡胶化合物、防火剂等理想配料；从煤灰中还可以提取合成润滑油等。

四川主要煤矿可采煤层煤灰样的分析结果显示，煤灰成分较前述美国煤灰成分为优。例如晚三叠世须家河煤系的煤层，煤灰中的铝含煤特别高，一般在20%～30%之间；含铁大多低于10%；含钛高于1%，广旺煤矿为1%～3%，白腊坪煤矿1%～1.8%；含锗量较高者如永荣西山、安富等井田为50×10-6以上（工业品位为20×10-6）；雅安的天全、芦山、宝兴等地的大炭、粗糠炭的煤灰中锗可富集到100×10-6左右；涪陵高子湾井田煤灰中的铀为302×10-6～800×10-6。晚二叠世龙潭煤系的煤层灰分含铁较高，一般为20%～30%；含铝相对较低，一般为10%～20%，但底部煤层含铝量有增多的趋势，如鱼田堡煤矿的K1煤层铝含量高达25%～35%，比上部煤层高出10%以上；其他如钛、锗、镓、铀等的含量在有的矿区相当富集，打通煤矿8号煤层钛的含量为2.75%～5.54%，华云山高顶山二号井田为3.74%，李子垭煤矿为1.1%～3.9%，南桐二井煤灰中锗可富集到70×10-6～120×10-6，江油松木咀除锗含量较高外铀含量达455×10-6，叙永古宋区K1煤层的铀为117×10-6～378×10-6；此外，镓的含量是随铝含量增高而增高，当铝在25%左右时，镓的含量大多在40×10-6左右（工业品位30×10-6）。

四川省煤灰中铝的含量普遍在20%左右，这是提炼铝的重要资源。如果能把大量煤灰利用起来，按每年回收100×104t煤灰提取20%的铝计，同时将富集的锗、铀、镓、钛等提出，再将煤灰渣制作为水泥或人工轻质骨料等，这项收入是相当可观的。

此外，利用含铝高的煤灰或煤矸石提取聚合铝，氯化铝已在辽宁南票矿务局大规模生产。四川省须家河煤系夹矸或煤灰渣含铝高，重庆市涂山煤矿小型试验所提取的聚合铝在处理污水时具有用量少（10 t水用0.25 kg）、效果好、速度快等优点。

为能使大量煤灰渣和煤矸石变害为利，物尽其用，国外对煤灰等的研究和利用极为重视，许多国家设有灰渣研究的专门机构，例如日本已批准从煤炭开发基金中拨款用于研究煤灰渣的利用技术。美国政府认为，由于煤灰渣综合利用的前景日渐扩大，因此，已不再把灰渣视为废物，而当成一项自然资源予以充分利用。美国内政部主编的矿物年鉴已将煤灰渣作为第6种固体矿物，列入国家统计。美国还成立了“国家煤灰协会”，并出版《煤灰利用》学术刊物，西德有些电厂，已经不设灰场，煤灰已作为商品外售。罗马尼亚《科研发展纲要》，已将煤灰利用列入国家立项的研究课题，在政府有关部门领导下有计划地开展研究工作。

我国煤灰利用的研究尚未全面展开，建议有关部门把煤灰综合利用列入日程。目前排灰量逐年增大，再不积极统筹安排，化害为利，负担将更加沉重。资源的再利用问题已是十分紧迫。

3.加强对与煤共生矿产的综合利用

西南地区煤矿普遍共生有硫铁矿和粘土岩，其数量相当大，是重要的矿产资源。但采煤过程中，作为废渣堆存矿山，造成环境地质问题，应加强综合利用，变废为宝。

重庆市天府煤田与煤共生的硫铁矿层长8000m，垂深500m，厚160m，分布面积5.4km2，平均含硫15.2%，初步估算资源量（333＋334）为1177×104t，为煤系沉积的大型硫铁矿床，有较大的综合利用价值。

广泛分布于川南和川东的晚二叠世龙潭煤系，含有3～5层可采煤层。在龙潭煤系的底部，普遍发育一层硫铁矿粘土岩，除硫一般都达到了工业开采的品位外，粘土岩亦为质量比较优良的硬质或软质耐火粘土。仅川南宜宾专区的珙县、兴文、叙永、古蔺等县1000余平方千米的范围内，通过区测和地质勘探以后，除有60多亿吨无烟煤外；尚有硫铁矿30余亿吨；耐火粘土近亿吨。

川南硫铁矿粘土岩矿层距可采煤层近的只有半米多，远的也仅3～4m。因此在考虑煤或硫的开采时，必须统筹规划，否则将会造成顾此失彼的严重后果，既浪费大量宝贵资源，又造成矿山环境地质问题。四川叙永县六润坝、古蔺德跃关等地硫铁矿粘土岩层具有广阔的综合利用价值。矿层平均厚2.15m，含硫平均有效品位16.03%，通过单矿浮选一次最终精矿产率为41.8%，品位38.12%，有效硫回收率为98.21%，有害杂质小于1%，目前有民营企业在开采。

矿石浮选后的尾矿即粘土岩的分析结果见表6-9，其耐火度为1710～1730℃。

以上各项指标介于国家标准Ⅰ级与Ⅱ级硬质耐火粘土之间。

此外，该矿层在制选过硫酸（用沸腾炉法）以后，剩下的残渣所作分析结果见表6-10。

表6-9 硫铁矿尾矿粘土岩的分析结果

表6-10 硫铁矿残渣的分析结果

以上各元素指标均符合冶铁高炉富矿要求（王在霞，1980）。

叙永县六涧坝硫铁矿粘土岩矿石，提取了硫精砂以后的矿石尾矿，可以全部加工成Ⅰ级至Ⅱ级软质耐火粘土，并具有较好的工艺性能，收缩率很低，在800℃高温下仍不变形，无裂纹或破裂的情况。因此在烧制耐火砖或陶瓷时可以直接用生料一次成型，不需加工成熟料，减少工艺流程，省钱省时。

川南古蔺县德跃关小汉炭煤层的直接底板是一层厚3～4m的粘土岩。经采样试验，属于Ⅰ级至Ⅱ级硬质耐火粘土岩。在该区的龙潭煤系最底部的硫铁矿高岭石粘土岩，经重选硫铁矿后的尾砂属于Ⅰ级软质耐火粘土。

此外，浮选硫铁矿后的尾砂，炉渣中尚相对富集V2O5，TiO2，Ga，Au等矿产，有的已达到综合利用价值。

4.金属、非金属矿山废渣、废水综合利用措施

西南地区金属、非金属矿山废渣堆存量有10多亿吨，综合利用量小。综合利用措施主要是直接用于铺垫公路路基和其他建筑工程填方，以及用于企业附近充填沟谷改造地形。少部分岩性较好，含土质少的废石加工为建筑石料用于工业民用建筑。个别企业废石（土）、尾矿利用成效较好。四川省江油市马角坝镇四川双马投资有限公司石灰石矿，年产水泥用石灰石200×104t，产出废石47.83×104t，废石全部被粉碎作为水泥原料加以利用，综合利用率达100%。

云南省东川矿务局投资105万元对落雪铜矿选厂尾矿水循环系统进行了改造，使循环率提高到66.28%，减少了废水排放；投资2.75万元对落雪铜矿精矿溢流水作了沉淀净化处理，使其固体含量大大降低，每年多收1000t矿砂。此外，1984年矿务局科研所与东川市砖瓦厂合作，用尾矿作主要原料，烧制砖获得成功，产品经云南省建材研究所鉴定，达到100号黏土砖标准。这些措施对矿山地质环境问题起到了缓解作用。

我国是一个以煤为主要能源的国家，在一次能源探明总量中煤炭占90%。目前，我国煤炭资源75%左右用于火力发电，燃煤电厂发电会产生大量的粉煤灰，其中只有一小部分被利用，大部分都被堆存。

粉煤灰是燃煤电厂以及煤矸石、煤泥综合利用电厂排出的主要固体废物。近年来，研究者通过对位于我国中西部地区的部分电厂飞灰进行分析，发现飞灰中氧化铝含量高达50%以上，是一种新类型的粉煤灰——高铝粉煤灰。高铝粉煤灰比普通的粉煤灰中Al2O3含量近高一倍，接近于传统铝土矿(一般在55%～65%)的含量，是一种十分重要的非传统铝资源。

铝土矿又称铝矾土，是工业上能利用的以三水铝石、软水铝石或硬水铝石为主要矿物成分的矿石统称。世界铝土矿产量的92％用于生产冶金级氧化铝，其余8％用于其他行业，称为非冶金用氧化铝或多品种氧化铝。金属铝是仅次于钢铁的重要金属材料。每生产1t金属铝约需2t冶金级氧化铝原料。根据中国海关，2019年全年我国共进口铝土矿10066.39万吨，而2018年我国共进口铝土矿8256.97万吨，同比增加21.91%，年度进口量首度破亿吨水平。从国别角度看，几内亚、澳大利亚、印尼三国依旧维持三足鼎立局面，系我进口铝土矿最大来源国的前三位，占总进口量的94%以上。

针对中国铝土矿资源不足的状况，利用高铝粉煤灰生产氧化铝不仅有望缓解铝资源的不足，而且可减少粉煤灰对大气、水体的污染和大量土地资源的占用。目前，粉煤灰主要利用于建筑（生产水泥、砌砖、制作微晶玻璃）、农业（改良土壤、生产肥料）、环保（废水处理、烟气脱硫）等方面。除了以上这些粉煤灰利用的传统领域之外，我国自“十一五”期间，大力积极引导企业开展高铝粉煤灰的综合利用。科研工作者根据高铝粉煤灰的特点，提高对其资源化利用，开始着眼于粉煤灰内铝硅等主量元素和稼、锗、镍、钒等微量元素的提取，实现高铝粉煤灰的资源综合利用。

煤灰是燃煤锅炉燃烧后形成的粉末，主要成分Si02、Al2O3、Fe3O4、FeO、还有少量的CaO、MgO等，主要用途是城市垃圾填埋；煤灰坝处理；道路、铁路、排水工程；水利、隧道、堤、坝、闸防渗；蓄液库防渗；输水、输液渠道、固体废料堆放防渗；屋顶防漏；建筑物地下室、地下仓库、地下车库防潮；桩膜围堰、围海造陆、码头工程等。煤灰具有吸附、净化、催化等作用，所以在实验室中可以用煤灰代替很多药品进行各种实验，在日常生活中可以用于救生，净化污水，生产中可以作肥料和改良酸性土壤，在环境保护中可以用来处理工业废水等等。

粉煤灰是煤炭燃烧产生的烟气中的细灰。通常是指从燃煤火力电站烟道气中收集的细灰。

粉煤灰是煤炭进入1300～1500℃的炉膛，在悬浮燃烧条件下，受热后再冷却而形成的小球体，表面光滑，微孔细小。其主要成分是二氧化硅、三氧化二铝、三氧化二铁、氧化钙、氧化镁、三氧化硫等。

粉煤灰的排放量与所燃煤炭的灰分含量有关，灰分愈高，排放量愈大。大量的粉煤灰不加处理，会产生扬尘污染大气。直接排入水系又会淤塞江河湖泊，对水体造成污染，破坏水生生态系统，影响水产养殖业，而且其中的有害成分对人体健康也有不良影响。

( 1) 粉煤灰的颜色

粉煤灰一般呈灰色粉末状，其颜色可以有深浅变化，这种变化不仅与粉煤灰的含水率、细度和含碳量 ( 主要以残余炭粒、半焦和煤粒形式存在) 有关，而且还与粉煤灰的化学成分有关。通常情况下，含水率越高、颗粒越粗、含碳量增大均可导致粉煤灰的颜色加深，特别是含碳量，它们影响粉煤灰的整体颜色。粉煤灰中含碳量的多少可以通过粉煤灰的烧失量来衡量，烧失量越大表明含碳量越高，粉煤灰的颜色就越深。粉煤灰的化学成分不同，也会造成粉煤灰颜色上的差异，化学成分主要影响粉煤灰颗粒本身的颜色。一般而言，钙含量较高的粉煤灰颜色浅，而铁含量较高的粉煤灰颜色深，粉煤灰中铁含量的增加还可以使粉煤灰出现褐色特征。氧化铝含量的增加也会使粉煤灰颜色变浅。

准格尔电厂的粉煤灰颜色呈浅灰色，主要原因是粉煤灰中铝含量较高，碳含量较低，粉煤灰的烧失量为 2. 1%。根据粉煤灰碳含量与烧失量之间的关系 ( 钱觉时，2002) ，推定准格尔电厂粉煤灰的碳含量应小于 2%，较低的碳含量也表明锅炉的燃烧效率较高。

( 2) 粉煤灰的颗粒形貌

由于粉煤灰的颗粒粒径一般在 0. 5 ～300 μm 的范围内，且大多数颗粒处于 50 μm 之下，为进一步观察粉煤灰的颗粒形貌就必须借助光学显微镜和电子显微镜，这方面的研究文献相当丰富。由于电子显微镜比光学显微镜具有更高的分辨率，后期的研究主要集中在扫描电子显微镜 ( SEM) 和透射电子显微镜 ( TEM) 方面 ( Vassilev 等，1996) ，最新的研究采用了原子力显微镜 ( AFM) 来研究微珠表面起伏与燃烧温度的关系 ( Mishra 等，2003) 。

Fisher ( 1978) 曾在早期利用单偏光显微镜研究粉煤灰颗粒的微观形貌，并识别出 11种显微颗粒类型: ①无定形、透明②无定形、不透明③无定形、透明与不透明混合型④圆形、多孔、透明⑤圆形、多孔、透明与不透明混合型⑥不透明、棱角状⑦透明、空心球⑧透明、子母珠⑨透明、实心球⑩不透明、实心球瑏瑡透明、内部或表面有析晶。Ramsden 等 ( 1982) 利用光学显微镜、电子显微镜和电子探针识别出 7 种显微颗粒类型: ①未融矿物碎屑 ( 主要为石英) ②不规则海绵状颗粒③多孔状玻璃体( 以不规则粒状和空心微珠形式存在) ④实心微珠⑤树枝状氧化铁颗粒 ( 多为球形，含不等量玻璃质) ⑥结晶态氧化铁颗粒 ( 多为球形，含极少量玻璃质) ⑦未燃尽炭粒。作者还将上述颗粒的化学成分标在 SiO2-Al2O3-其他氧化物三元相图中，大体分析了这几种颗粒类型与煤中矿物间的关系。

我国学者梁天仁 ( 1984) 主要依据反光显微镜下的特征，对粉煤灰的显微结构进行了研究，首先按物质成分分为硅铝质、铁质和炭粒，然后主要根据颗粒形态分出 7 种类型。王运泉等 ( 1998) 采用光学显微镜和扫描电子显微镜从岩石学角度对粉煤灰进行了微观研究，将粉煤灰颗粒组分分为无机和有机两大类。无机部分来源于煤中矿物质，可进一步细分为玻璃微珠、磁铁微珠、不定形颗粒、碎屑石英和莫来石有机部分则包括煤粒和残炭两个亚组 ( 表 3. 1) 。

表 3. 1 燃煤飞灰显微组分分类

( 据王运泉等，1998)

孙俊民等 ( 2001) 利用光学显微镜和扫描电子显微镜对不同燃煤煤种和锅炉类型电厂飞灰进行了观察研究，建立了燃煤飞灰显微颗粒的系统分类方案，并揭示出各类颗粒的显微结构特征。首先根据物质成分将飞灰分出硅铝质、铁质、钙质和炭粒 4 个组，然后根据微观形貌和内部结构分出 16 种显微颗粒类型 ( 表 3. 2) ，发现空心微珠和子母珠是飞灰中普遍存在的显微颗粒类型，不仅广泛分布于不同粒级的硅铝质颗粒中，而且常见于钙质和铁质颗粒中。

表 3. 2 燃煤飞灰的显微颗粒分类

( 据孙俊民等，2001)

钱觉时 ( 2002) 根据沈旦申 ( 1989) 和 Rohatgi 等 ( 1995) 其他研究者对粉煤灰颗粒的分类和特征描述归纳出了一个综合分类 ( 表 3. 3) 。这一分类首先将粉煤灰颗粒分为珠状颗粒、渣状颗粒、钝角颗粒、碎屑颗粒、粘聚颗粒五大类，然后将珠状颗粒进一步细分为漂珠、空心沉珠、复珠 ( 子母珠) 、密实微珠和富铁微珠 5 种，将渣状颗粒细分为海绵状玻璃渣和炭粒 2 种，并详细描述了各种颗粒的形貌、粒径、密度以及各种颗粒的性能和所占的百分比。

从上述研究可以看出，不同学者的分类大同小异，而且整体上表现出粉煤灰是以珠状颗粒为主的特征。因影响粉煤灰颗粒形成的因素众多和研究手段的不同，使得粉煤灰分类方案也存在一定的差异，特别是粉煤灰中的残炭通常已转变为半焦或焦炭，严格意义上讲应归属于矿物。在所有研究的粉煤灰中，都缺乏 Al2O3含量高达50%左右的粉煤灰这一特定类型。

我们采用带能谱分析的场发射扫描电镜 ( FESEM-EDX) 详细观察了准格尔电厂粉煤灰的显微结构及其类型，并用扫描电镜 ( SEM) 对人工分选的磁珠进行观察，可以发现，准格尔电厂粉煤灰中各种类型的颗粒均可见到 ( 图 3. 4，图 3. 5) ，但整体以珠状颗粒为主，珠状颗粒在细粒粉煤灰中最为常见。将飞灰与底灰相比，飞灰中的珠状颗粒明显高于底灰，底灰中的炭粒和不规则颗粒较多，而且底灰的粒度明显高于飞灰。在准格尔电厂粉煤灰中我们还发现，无论在底灰还是飞灰中，都存在一种杆状的颗粒类型，杆状颗粒表面可以呈现瘤状突起，也可以表现出相对的光滑。另外，粘聚颗粒也比首钢电厂粉煤灰中常见。现将观察结果叙述如下:

表 3. 3 粉煤灰中颗粒的分类和特征

( 据钱觉时，2002)

图 3. 4 准格尔电厂粉煤灰整体特征

高铝粉煤灰特性及其在合成莫来石和堇青石中的应用

图 3. 5 准格尔电厂粉煤灰类型

( 1) 珠状颗粒

珠状颗粒主要是煤中无机组分在高温下软化、熔融，尔后急剧冷却而形成的固相颗粒，由于熔融体的表面张力作用使得表面能达到最小，致使煤粉颗粒变化为球状。这些熔化的球状颗粒将会在煤粉燃烧过程中产生的 CO、CO2、SO2或水蒸气中漂浮，当这些颗粒离开火焰区域后将会迅速移动到温度较低的区域，然后淬火形成固体的玻璃相。淬火的速度取决于这些颗粒的大小，大颗粒移动缓慢将使得颗粒内部或表面形成晶相物质。尽管有些熔体内包裹的气体可能会使球体爆裂，但一般情况下，这些球状颗粒都能离开火焰区淬火形成中空厚壁的珠状颗粒 ( 钱觉时，2002) 。

在准格尔电厂粉煤灰中，珠状颗粒占粉煤灰颗粒类型的绝大多数，特别是在细颗粒( 一般小于 50 μm) 中所占比例更大，无论何种化学成分的颗粒，这一球状或似球状或近似椭球状的颗粒在粉煤灰中都是常见类型。有薄壁空心球状的漂珠，其壁厚与直径之比在10% 左右，这种颗粒的数量相对较少也有厚壁空心的沉珠，其壁厚与直径之比在 30%左右，这种颗粒的数量相对较多另外还有为数众多、内部密实的实心微珠。在这些珠状颗粒中，其表面有光滑者也有比较粗糙者。细小的微珠大部分外表光滑，不管其成分是铝硅质还是钙质直径较大的微珠大部分外表粗糙，并且以铁质微珠为主有些珠状颗粒内部还包含有更小的玻璃微珠，通常称之为复珠或子母珠。也见有部分珠状颗粒表面粘附有更小的微珠。

将粉煤灰中的磁性颗粒进行分选，放于 SEM 下观察，可以发现，磁性颗粒中既有实心微珠也有复珠，磁性微珠大小不一，外表粗糙者居多，但也有少部分较小的磁珠外表光滑。在磁珠的表面可以看到磁珠冷却时析出的微小晶体。

( 2) 渣状颗粒

渣状颗粒可分为海绵状玻璃渣和炭粒。海绵状玻璃渣多表现为结构疏松、不规则的多孔颗粒，粒径较粗 ( 一般大于 50 μm) ，在飞灰和底灰中都存在，并且在底灰中的数量明显高于飞灰。海绵状玻璃渣上的孔洞直径大小不一，分布也不均匀，其化学成分多为铝硅质。海绵状玻璃体的形成通常是因燃烧温度不高，或在火焰中停留时间过短，或因灰分熔点较高，以致这些灰渣没有达到完全熔融程度。准格尔电厂粉煤灰中的海绵状玻璃渣数量较多，显然与煤灰中 Al2O3含量较高导致灰熔点较高有关。

炭粒既可存在于飞灰也可存在于底灰之中。炭粒的形状也有多种，既有多孔球状、海绵状，也有不规则状，炭粒的性质既有各向同性，也有各向异性 ( Vassilev 等，2004b) 。据研究，炭粒 ( 残炭) 的类型和丰度主要与煤岩组成、变质程度 ( 郑雨寿，1990，1992)和燃烧方式 ( Gibbins 等，1993) 有关。空心炭和网状炭源自镜质组，镜质组比惰质组有较高的挥发分产率，在高温热解过程中会出现不同程度的膨胀、塑性变形，甚至流动，同时不断释放挥发分，因而产生大量的气孔。结构炭和未熔炭主要源自惰质组，它们在加热过程中既不变形也不软化，挥发分产率很低，未经塑性变化过程，燃烧时可导致炭壁即细胞壁逐渐断裂，所以由惰质组形成的炭粒几乎没有气孔，同时也不同程度地保存有原惰质组的形态、结构乃至光性特征。

研究还表明，空心炭和网状炭在燃烧时，热化学反应首先发生在挥发分析出所产生的气孔中，随着燃烧的进行，表现出密度不断变化、直径不变的燃烧特征，即服从所谓的“等直径”燃烧方式。而结构炭和未熔炭则表现出从颗粒表面向内部燃烧，即密度不变、直径逐渐缩小的燃烧过程，即服从所谓的 “等密度”燃烧方式 ( 王运泉等，1998) 。

准格尔电厂燃煤中的有机组分主要是镜质组和惰质组，所以这 4 种炭粒类型均有发现，但以结构炭、未熔炭和空心炭为主，空心炭的比例相对较高。结构炭和未熔炭与煤中惰质组含量有关，空心炭与煤中镜质组含量有关。不管何种类型的炭粒，它们在底灰中的含量都明显高于飞灰，而且底灰中的炭粒直径较大，多在 200 μm 以上，最大可达 1 mm。

( 3) 钝角颗粒

按表 3. 3 的分类描述，钝角颗粒是指未熔融或部分熔融的颗粒物，且主要成分为石英。这种颗粒在准格尔粉煤灰中有所发现，但数量不多，这与燃煤中石英含量本身数量较少有关。

( 4) 碎屑颗粒

碎屑颗粒大多是煤中未燃烧或不完全燃烧而遗留下来的矿物颗粒，它们往往保留或部分保留有原来矿物颗粒的形态。在准格尔电厂粉煤灰中这种颗粒类型的数量相对较多，而且主要存在于底灰中，这与煤中黏土矿物含量较多有关。

( 5) 粘聚颗粒

粘聚颗粒为粉煤灰中各种颗粒的粘聚体，这一现象在准格尔电厂粉煤灰中也比较常见，利用 SEM 可以观察到有大小不同的珠状颗粒交熔在一起，也可以观察到不规则颗粒与珠状颗粒或不规则颗粒之间的部分交熔现象。这主要是因为熔融或半熔融颗粒，或颗粒尚未完全冷却时互相碰撞在一起，粘连后再完全冷却而形成。准格尔电厂粉煤灰中这类颗粒比较常见的原因，还与煤灰中 Al2O3含量较高、杂质含量 ( 除 SiO2和 Al2O3之外的其他氧化物) 较低而导致的熔体黏度增高有关。

( 6) 杆状颗粒

在准格尔电厂粉煤灰中，首次发现有部分杆状颗粒存在，不管在底灰还是在飞灰中均可见到，尽管数量不多，但这种特殊形态的颗粒在以往的文献中都未见报道。杆状颗粒表面可以呈现瘤状突起也可以表现出相对的光滑，其直径、长短不尽相同，经 EDX 分析，其化学成分主要是碳。根据形状和化学成分推断，这些杆状颗粒是丝质体的碎片，但部分杆状颗粒表面瘤状突起的成因还不清楚，可能是液态微珠的变形附着物。

煤炭灰熔点检测仪是由鹤壁市华诺电子科技有限公司研发的新一代检测灰熔点的仪器，煤灰是各种矿物质组成的混合物，没有一个固定的熔点，只有一个融化的范围，煤灰熔融性又称灰熔点。

灰熔点是固体燃料中的灰分，达到一定温度以后，发生变形，软化和熔融时的温度，它与原料中灰分组成有关，灰分中三氧化二铝、二氧化硅含量高，灰熔点高三氧化二铁、氧化钙、氧化镁、氧化钠和氧化钾含量越高，灰熔点越低。

煤的灰熔点又叫煤灰熔融性，是在规定条件下得到的随加热温度而变的煤灰(试样)变形、软化和流动特征物理状态，是动力用煤和气化用煤的一个重要的质量指标，可以反映煤中矿物质在锅炉中的动态，根据它可以预计锅炉中的结渣和沾污作用。灰熔点与热量没有任何关系，它的高低与煤灰中钙、镁、铁的含量高低有关，根据锅炉的设计，有的根据灰熔点越高了越好，有的根据灰熔点越低了越高。

灰熔点，又称为煤灰熔融性。它与原料中灰分组成有关，灰分中三氧化二铝、二氧化硅含量高，灰熔点高三氧化二铁、氧化钙和氧化镁含量越高，灰熔点越低。原料灰熔点，是影响气化操作的主要因素。灰熔点低的原料，气化温度不能维持太高，否则，由于灰渣的熔融、结块，各处阻力不一，影响气流均匀分布，碳层易结疤发亮，而且由于熔融结块，还减少气化剂接触面积，不利于气化，因此，灰熔点低的原料煤，适用在较低温度下操作。

以上是由鹤壁华诺煤检仪器提供！

构成煤炭有机质的元素主要有碳、氢、氧、氮和硫等，此外，还有极少量的磷、氟、氯和砷等元素。碳、氢、氧是煤炭有机质的主体，占95%以上；煤化程度越深，碳的含量越高，氢和氧的含量越低。碳和氢是煤炭燃烧过程中产生热量的元素，氧是助燃元素。煤炭燃烧时，氮不产生热量，在高温下转变成氮氧化合物和氨，以游离状态析出。硫、磷、氟、氯和砷等是煤炭中的有害成分，其中以硫最为重要。煤炭燃烧时绝大部分的硫被氧化成二氧化硫（SO2），随烟气排放，污染大气，危害动、植物生长及人类健康，腐蚀金属设备；当含硫多的煤用于冶金炼焦时，还影响焦炭和钢铁的质量。所以，“硫分”含量是评价煤质的重要指标之一。

煤中的有机质在一定温度和条件下，受热分解后产生的可燃性气体，被称为“挥发分”，它是由各种碳氢化合物、氢气、一氧化碳等化合物组成的混合气体。挥发分也是主要的煤质指标，在确定煤炭的加工利用途径和工艺条件时，挥发分有重要的参考作用。煤化程度低的煤，挥发分较多。如果燃烧条件不适当，挥发分高的煤燃烧时易产生未燃尽的碳粒，俗称“黑烟”；并产生更多的一氧化碳、多环芳烃类、醛类等污染物，热效率降低。因此，要根据煤的挥发分选择适当的燃烧条件和设备。

煤中的无机物质含量很少，主要有水分和矿物质，它们的存在降低了煤的质量和利用价值。矿物质是煤炭的主要杂质，如硫化物、硫酸盐、碳酸盐等，其中大部分属于有害成分。

“水分”对煤炭的加工利用有很大影响。水分在燃烧时变成蒸汽要吸热，因而降低了煤的发热量。煤炭中的水分可分为外在水分和内在水分，一般以内在水分作为评定煤质的指标。煤化程度越低，煤的内部表面积越大，水分含量越高。

“灰分”是煤炭完全燃烧后剩下的固体残渣，是重要的煤质指标。灰分主要来自煤炭中不可燃烧的矿物质。矿物质燃烧灰化时要吸收热量，大量排渣要带走热量，因而灰分越高，煤炭燃烧的热效率越低；灰分越多，煤炭燃烧产生的灰渣越多，排放的飞灰也越多。一般，优质煤和洗精煤的灰分含量相对较低。