从火力发电厂的固体废弃物中回收金属的概述Word格式.docx
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1977年粉煤灰协议书颁布
1982年3892号第1部分英国标准公布，粉煤灰作为粘合剂在混凝土中使用
1984年3892号第2部分英国标准公布，粉煤灰应用广泛
1987年欧洲标准委员会创立统一的欧洲粉煤灰标准
1993年公布的3892号第一部分英国标准替代了1982年的版本
1995年英国、欧洲450号标准粉煤灰公布
1996年3892号第2部分英国标准公布，粉煤灰作为一种新增类型应用
1997年公布的3892号第1部分英国标准替代了1993年的版本
1997年3892号第3部分英国标准公布，粉煤灰作为水泥基灌浆材料使用
2005年公布的英国、欧洲450-1号欧洲标准替代了1995年的版本
1937年北美出现第一份有关混凝土中使用粉煤灰的综合性资料
1954年C311-54T美国标准公布，粉煤灰作为精细骨料掺合物使用
1965年C350-65美国标准公布，粉煤灰作为一种波兰水泥混凝土混合物使用
1968年C618-68美国标准公布，粉煤灰和生的或煅烧过的火山灰水泥一起作为波兰水泥混凝土矿物混合物使用
1977年C类粉煤灰添加到C618类中
2000年C618-00美国标准公布，粉煤灰和生的或煅烧过的天然波兰水泥一起作为混凝土中矿物混合物使用（替代产品）
2001年C618-01美国标准公布，粉煤灰和生的或煅烧过的天然波兰水泥一起作为混凝土中矿物混合物使用（替代产品）
2002年C618-02美国标准公布，粉煤灰和生的或煅烧过的天然波兰水泥一起作为混凝土中矿物混合物使用（替代产品）
2003年C618-03美国标准公布，粉煤灰和生的或煅烧过的天然波兰水泥一起作为混凝土中矿物混合物使用（替代产品）
2005年C618-05美国标准公布，粉煤灰和生的或煅烧过的天然波兰水泥一起作为混凝土中矿物混合物使用（替代产品）
2008年C618-08美国标准公布，粉煤灰和生的或煅烧过的天然波兰水泥一起作为混凝土中矿物混合物使用（替代产品）
2008年C618-01a美国标准公布，粉煤灰和生的或煅烧过的天然波兰水泥一起作为混凝土中矿物混合物使用（活性产品）
随着这篇如何从废弃物中回收金属方法综述的进展，现在我们也该分析和总结一下火电厂固体废弃物的形成、特点和应用了。
本文的目的就是概述一下火电厂固体废弃物利用的发展史，并引起人们对从这种珍贵的二次材料中回收和利用有价金属这一方向更多的注意。
2.火电厂固体废弃物
了解火电厂固体废弃物的物理、化学和矿物学性质是非常重要的，因为这些特性将会影响火电厂固体废弃物的应用和处理，也会对金属的回收产生影响。
2.1.粉煤灰
粉煤灰是在发电厂电力形成过程中，由于磨碎的或粉状煤的燃烧所分离成的细小矿物残渣。
目前粉煤灰由煤中的无机不燃物组成，在燃烧过程中，一部分成分转变成了玻璃质的非晶态结构。
当悬浮在废气中时，这种物质就会被固化，并可以从微粒排放控制系统产生的废气中收集（Paul等人，2007）。
2.1.1.粉煤灰的特征
粉煤灰的物理性质取决于燃烧煤的类型、锅炉类型以及收集装置。
粉煤灰主要由形状细小的球形粉状颗粒组成，或者呈立体状，或者呈空心状，且大多是天然无定形玻璃质。
粉煤灰一般呈粉砂土地质，65–90%的颗粒直径小于0.010毫米（Chang等人，1977；
Roy等人，1981）。
机械除尘器只能除去沙粒形状大小为主的粗颗粒，而静电除尘器则还可以除去粉砂状大小的细颗粒。
烟煤灰通常比褐煤燃烧产生的灰更细（Tolle等人，1982）。
一般来说，粉煤灰具有低容重（1.01–1.43克/立方厘米）、低渗透系数、和低比重（1.6–3.1克/立方厘米）的性质（Roy等人,1981;
Tolle等人,1982;
Mattigod等人,1990）。
有四种基本类型的煤，而就热值、化学成分、灰分含量和地质成因来说，每一种都不同。
这四种煤分别为无烟煤、烟煤、次烟煤和褐煤。
除了可以在干湿条件下处理，粉煤灰有时也通过产生灰分的煤类型来推导分类。
烟煤灰的主要成分为硅、铝、氧化铁和钙，并有通过测量燃烧损失（LOI）而得出的不同数量的碳。
和烟煤灰相比，褐煤和次烟煤灰的特点是钙和氧化镁含量高，硅、铁氧化物和碳含量低（Meyers等人，1976）。
表2对烟煤灰与褐煤和次烟煤灰的化学组成、矿物成分和物理性质的的正常变化范围作了比较（Ahmaruzzaman，2009；
Tishmack和Burns，2004；
Glasser，2004；
MacCarthy等人，1999）。
由于燃煤在发电厂中的快速冷却，所以飞灰由非晶质颗粒和少量如石英、莫来石、磁铁矿和赤铁矿的晶质物质组成。
在次烟煤飞灰中，晶相还可能包括铝酸三钙、石膏和碱金属硫酸盐（Mehta，1989）。
根据美国材料试验协会（ASTMC618-08a，2008）规定，灰分中如果SiO2+Al2O3+Fe2O3含量超过70%，且石灰含量低，就定义为F类；
如果灰分中SiO2+Al2O3+Fe2O3含量在50%至70%之间，且石灰含量较高，就定义为C类。
表2.不同类型的煤产生的飞灰的化学、矿物成分和物理性质（含量%）
（Ahmaruzzaman,2009;
TishmackandBurns,2004;
Glasser,2004;
McCarthy等人，1999）
成分
烟煤
次烟煤
褐煤
SiO2
Al2O3
Fe2O3
CaO
MgO
SO3
Na2O
K2O
矿物组成
非晶质玻璃
石英
莫来石
磁铁矿
赤铁矿
物理性质
燃烧损失
颜色
比重
平均粒径（D50）（um）
纯度（cm2/gm）
20-60
5–35
10–40
1–12
0–5
0–4
0–3
50–70
4–8
10–20
4–10
1–5
0–15
灰色
2.14
0.11
3415
40–60
20–30
4–10
5–30
1–6
0–2
0–4
80–90
2–4
5–10
<
4
1
2.19
0.016
3678
15–45
4–15
10–25
15–40
3–10
0–10
0–6
>
90
2
5
4
2.62
0.02
4140
许多作者研究了煤燃烧系统中危险微量元素的分布（Querol等人，1995；
Vassilev和Vassileva，1997；
Hower等人，2000；
Clemens等人，2000；
Vassilev等人，2001，2005；
Karayigit等人，2001；
Li等人，2005），并列举了三组微量元素的分类：
（1）微量元素丰富，存在于细小颗粒含量较高的粉煤灰中；
（2）元素被底灰和飞灰均等地分割开来，没有颗粒尺寸的浓度效应；
（3）元素介于第
（1）类和第
（2）类之间。
在飞灰中富集的主要是那些易挥发，然后部分以烟道气的形式凝结在燃气系统中的元素。
这些元素包括砷、硼、铋、镉、锗、汞、钼、铅、硫、硒、锡、锌和钛（Querol等人，1995）。
通过燃烧，粉煤灰中微量元素的富集度可以达到原煤的30倍（Gieré
等人，2003）。
粉煤灰中微量元素含量随着颗粒尺寸的减小而增加，如表3（GoodarziandSanei,2009;
Goodarzi,2006;
Kleinetal.,1975;
Kaakinenetal.,1975;
Davisonetal.,1974）。
粉煤灰中微量元素含量的扩展列表列于表4（国家研究理事会，2006；
CIBO，1997；
美国环保局，1999a，b）。
表3.粉煤灰中随着颗粒尺寸的减小微量元素的富集度
注：
氯、汞和溴作为气体挥发
表4.飞灰、底灰、炉渣和烟气脱硫废物中微量元素的含量（ppm）
（国家研究理事会，2006；
美国环保局，1999a，b）
组成
飞灰
底灰
炉渣
烟气脱硫物
中值
范围
锑
砷
钡
铍
硼
钙
铬
钴
铜
氟
铅
锰
汞
镍
硒
银
锶
铊
钒
锌
4.6
43.4
806.5
311
3.4
136
35.9
112
29
56.8
250
0.1
77.6
7.7
3.2
775
9
252
148
0.2-205
0.0003-391
0.02-10.850
0.200-2105
2.98-2050
0.01-76
3.6-437
4.9-79
0.2-655
0.04-320
0.02-273
24.5-750
0.013-49.5
0.1-1270
0.0003-49.5
0.01-49.5
30-3885
0.15-85
43.5-5015
0.28-2200
4.7
633
2.2
3.1
120
24
61.1
50
13.2
297
0.009
79.6
0.8
3
800
NA
141
52.6
0.18-8.40
0.8-36.5
24-9630
1.4-2.9
1.79-390
0.05-5.5
3.4-350
7.1-60.4
2.39-146.3
2.5-104
0.86-843
56.7-769
0.003-0.04
1.9-1267
0.007-9
0.06-7.1
170-1800
24-264
3.8-717
4.5
413
7
49.5
40.5
-
32
8
9.5
83
37
38.5
75
35.8
0.25-1
0.01-254
6.19-1720
7-7
0.1-55
0.01-40.5
1.37-156
0.4-120
0.016-9.5
3.3-177
0.1-14
0.01-74
33.5-40
75-320
4.43-530
6
162.5
29.3
60
3.9
46.1
25.3
4.8
68.1
3.3
65
90.9
3.65-9090.0
0.0075-341
0.08-2280
0.9-49.5
5-633
0.005-81.9
0.04-251
0.01-527
0.073-39
3.7-191
0.015-162
0.01-10.3
9-9
0.01-302
0.01-5070
2.1.2.飞灰的应用
火电厂固体废弃物代表着非常有用的天然材料，有着非常广泛的工业用途（Ward等人，2006）。
这些废弃物的用途过去三十年一直在稳定地增长，从1987年的23%增长到1998年的29%，再到2008的44.5%。
剩下的固体废弃物运至附近池塘、荒废的或有效的矿山处理，或者进行填埋。
过去，整个粉煤灰在生产中的利用率是41.60%（ACAA，2008）,并已应用于很多领域中，图1对此作了总结。
这组数字每年可能都会发生很大的变化，但是，总体上的利用趋势是继续向上的。
F类粉煤灰可以在混凝土生产中部分取代波特兰水泥，因为它可以降低通透性，增加长期强度，减少因水化作用而造成的损害，提高对硫酸盐侵蚀的抵抗性。
水泥生产是二氧化碳排放的一大来源。
在整个水泥生产过程中，1吨粉煤灰替代波特兰水泥的替代品可以减少大约1吨二氧化碳的排放（Heidrich等人，2005）。
表2表明粉煤灰的化学成分与沸石非常相似，许多研究都集中在通过对粉煤灰进行碱性处理来合成各种沸石上，（Shigemotoetal.,1995;
Amrheinetal.,1996;
Leeetal.,2000）。
水热条件和不同的PH值过去也常常用来合成沸石（Mondragonetal.,1990;
LinandHsi,1995;
Zhaoetal.,1997;
Belardietal.,1998;
Parketal.,2000a,b;
Rayaluetal.,2000,2001;
Queroletal.,2007）。
已经报道过几篇关于将粉煤灰作为多孔玻璃材料回收的研究报告（Boccaccinietal.,1997;
Meyer,1999;
Romeroetal.,1999;
Scarincietal.,2000;
Saccanietal.,2001;
ParkandHeo,2002;
Shengetal.,2003;
Cheng,2004）。
在玻璃生产中回收利用粉煤灰主要有三个优点：
第一，材料成本零消耗；
第二，保护自然资源；
第三，除去粉煤灰废弃物。
玻璃生产有一些非常可取的特性，这些特性将使它们在建筑领域的工业应用中显得非常有吸引力（Eroletal.,2007）。
矿产用途其他混凝土/混凝土产品/水泥浆
废物稳定/固化
结构填充/路堤掺合水泥/连接器里的原材料
图1.粉煤灰在不同应用领域的利用率（ACAA,2008）
粉煤灰用于制备陶瓷餐具和工艺品，跟原始产品比起来，可以增加其机械强度（Mukerjietal.,1993）。
粉煤灰也可用于制备适于干燥高温气体的陶瓷过滤器（Joetal.,1996）。
而且，粉煤灰是一种低成本材料，在充填废弃矿山和中和酸性矿山污水方面，有着很大的潜在使用价值（Pé
rez-Ló
pezetal.,2007）。
2.2.底灰
底灰是一种不断从火电厂丢弃的废弃物料，它来源于烧结灰颗粒，但由于颗粒过大而不能随着烟气通过开放式壁炉排出，便留在了高炉底部的灰斗中。
有两种类型的底灰：
湿底炉渣和干底灰，这取决于锅炉的类型和设计。
当来自于潮湿底炉中的熔煤残余物质释放至锅炉底部一个有漏斗的水池中时，由此产生的渣类似玻璃质，这便形生了湿底炉渣（LohtiaandJoshi,1995）。
干底灰是来自于干底炉中燃煤燃烧后的灰分产品。
干底灰在灰分产出中的量是最大的，颗粒尺寸在19~75mm范围内变化（Halstead,1986）。
2.2.1.底灰的特性
底灰粒子的大小一般处于细碎石到细沙范围内，也有很少比例的粉砂粘土般大小的颗粒。
虽然同一电厂在不同的时候所取的灰分样品的颗粒尺寸分布可能不同，但灰分通常仍然是分级优良的材料（HechtandDuvall,1975;
Moulton,1973;
ASTME2277-03,2003;
Majizadehetal.,1979;
Lovelletal.,1991;
LovellandTe-Chih,1992;
Moultonetal.,1973）。
底灰主要为砂石尺寸般大小，通常有50–90%可以通过4.75毫米筛子，10–60%通过0.42毫米的筛子，0–10%通过0.075毫米的筛子，最大尺寸大小通常在19毫米至38.1毫米范围内变化（RogbeckandKnutz,1996;
Cheriafetal.,1999;
Baba,2002）。
锅炉渣主要是单一尺寸的，尺寸在5.0–0.5毫米范围内。
通常，锅炉渣都具有光滑的表面纹理，但如果气体陷于炉渣中就好比陷于锅炉中一样，淬火渣会变得有些多孔。
褐煤或次烟煤燃烧后的锅炉渣比东部的烟煤往往更趋于多孔（LovellandTe-Chih,1992）。
锅炉渣基本上是一种粗的中粒砂，90–100%通过4.75毫米筛子，40–60%通过2毫米筛子，10%或更少通过0.42毫米筛子，5%或更少通过0.075毫米筛子（Majizadeh等人，1979）。
干底灰的比重因化学成分的作用，含碳量高，比重低。
低比重底灰具有多孔或泡沫状结构，在加载或压缩下容易降解（Moultonetal.,1973）。
底灰和炉渣的成分主要是二氧化硅、氧化铝和铁，也有少量的钙、镁、硫酸盐及其他化合物。
底灰或炉渣颗粒的组成主要取决于煤资源，而不是炉型。
表5列出了不同煤类型底灰和炉渣样品的化学成分和物理特性。
褐煤或次烟煤的底灰或炉渣比无烟煤或烟煤的底灰或炉渣钙含量更高。
虽然硫酸盐的含量在表5中没有列出，但它的含量通常很低（小于1.0%），除非没有从底灰或炉渣中去除黄铁矿。
由于固有的盐和重金属含量在某些情况下PH值很低，所以这种材料可能具有腐蚀性和有毒性质（Rothetal.,1983;
Thubetal.,1997;
Wangetal.,1999;
GoodarziandHuggins,2001）。
表4列出了底灰和炉渣中微量元素的含量。
这些元素在底灰或炉渣中相对丰富的有钡、铍、钴、锰、铯、铜、镍、锶、钽、钒、钨、铕、铪、锆，富集的部分原因是受密度偏析的影响。
底灰通常比飞灰含有更多结晶质，飞灰含有许多相同的结晶相，如石英、莫来石、磁铁矿和赤铁矿。
已经从褐煤和次烟煤燃烧后的底灰中发现了单斜辉石结晶相的一般成分：
（Ca,Na）（Fe,Mg）（Si,Al）2O6。
底灰包括原煤中不完全燃烧的残留物，如伊利石、高岭石和黄铁矿（ChungandSmith,1999）。
表5.不同煤类型中底灰和炉渣的化学组成和物理特性
（GeethaandRamamurthy,2010;
Chindaprasirtetal.,2009;
Majizadehetal.,1979;
Moultonetal.,1973）.
灰分类型组成
底灰
炉渣
Al2O3
Fe2O3
LOI（燃烧损失）
物理特性
密度（kg/m3）
塑性
吸水性（%）
53.68
18.91
7.70
1.24
0.48
0.05
0.23
8.35
1.65-2.7
690-1600
None
0.8-2.0
38.80
21.30
12.10
16.50
1.7
1.00
2.5
2.9
48.9
21.9
14.3
1.4
5.2
0.7
2.3-2.9
960-1440
0.3-1.1
13.8
14.2
22.4
5.6
1.1
2.2.2.底灰的应用
大约产生的43.82%的底灰在许多领域得到了应用（ACAA，2008）。
底灰的有效用途包括道路结构填充/路堤、路基/底基层，混凝土/混凝土制品/灌浆和防雪防冻（如图2）。
随着煤燃烧副产品的增加，底灰最重要的作用就是在结构填充中作为砂和砾石的替代品（ASTME2277-03,2003）。
其他混凝土/混凝土制品/灌浆
掺合水泥/连接器里的原材料
防雪防冻路基/底基层道路结构填充/路堤
表2.底灰在不同应用领域的利用情况（ACA
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