作者：聂轶苗、刘颖 编著
出版社：化学工业出版社
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粉煤灰在矿物聚合材料中的应用试读：
前言
随着我国经济的快速发展，能源消耗量逐年增加，以燃煤为主的能源结构，导致了大量工业固体废弃物的形成和堆放，产生了严重的环境问题。作为固体废弃物之一的粉煤灰，同时也是一种可利用的二次资源，如从粉煤灰中提碳、铁、硅、铝等元素；将粉煤灰添加在水泥制品中，提高性能并减低其成本等，这些应用在保护环境的同时，提高了粉煤灰的资源化利用率。
矿物聚合材料是一种新型胶凝材料，具有强度高、硬化快、耐酸碱腐蚀、收缩率和膨胀率低、渗透率低、导热率低且耐高温等特点，使得其应用广泛。利用粉煤灰制备矿物聚合材料，是粉煤灰高效利用的途径之一，我国在这方面的研究晚于国际方面。
作者有幸于2003～2006年师从中国地质大学（北京）马鸿文教授，进行博士研究生学习。此书系根据自己的博士研究内容，以及2006年工作之后至今一直从事此方面科学研究的积累，同时基于国内外有关的研究进展，在机理部分，参考了马鸿文教授课题组的部分研究成果，编写而成。在此对马鸿文教授课题组表示诚挚感谢。
书中介绍了粉煤灰的综合利用和矿物聚合材料的基本知识，着重叙述了矿物聚合材料的制备工艺及其影响因素的规律研究，并对其形成机理进行了探讨，对其环境影响进行了分析。《粉煤灰在矿物聚合材料中的应用》的主要内容由华北理工大学矿业工程学院聂轶苗编著，华北理工大学外国语学院刘颖对引用的英文文献内容进行编译，矿业工程学院王玲博士负责全书的图表编辑修改。全书由聂轶苗定稿。
本书参考和引用的有关文献，已全部列在参考文献中，谨向这些文献的作者致以真诚的谢意。
由于作者水平有限，书中不足之处，敬请各位专家和读者批评指正。编著者2015年6月第1章 概述1.1 粉煤灰简介
粉煤灰实质上是煤燃烧的非挥发物残渣。
粉煤灰是从烧煤粉的锅炉烟气中收集的粉状灰粒，国外文献中称为“飞灰”（fly ash）或者“磨细燃料灰”，是由热电站烟囱收集的灰尘，属于火山灰性质的混合材料，其主要成分是硅、铝、铁、钙、镁的氧化物，它极少有胶凝性，具有潜在的化学活性，即粉煤灰单独与水拌合不具有水硬活性，但其粉末状态在有水存在时，能与碱在常温下发生化学反应，生成类似于水泥凝胶体的具有胶凝性的组分。磨细的煤粉在锅炉内燃烧时，其中的灰分熔融，熔融的灰分在表面作用下团缩成球形，当它排出炉外时又受急冷作用，因此粉煤灰是富含玻璃体的球状物料。其玻璃体的含量可达50％～70％，晶体部分主要为莫来石（3AlO·2SiO）和方石英。2321.2 粉煤灰的来源
火力发电是我国主要的发电方式，按所用燃料分，主要有燃煤发电、燃油发电、燃气（天然气）发电、垃圾发电、沼气发电以及利用工业锅炉余热发电等。火力发电所使用的煤占工业用煤的50％以上。
火电厂主要生产系统包括汽水系统、燃烧系统和电气系统，其中燃烧系统是由输煤、磨煤、粗细分离、排粉、给粉、锅炉、除尘、脱硫等组成。输煤是由皮带输送机从煤场，通过电磁铁、碎煤机然后送到煤仓间的煤斗内，再经过给煤机进入磨煤机进行磨粉，磨好的煤粉通过空气预热器来的热风，将煤粉打至粗细分离器，粗细分离器将合格的煤粉（不合格的煤粉送回磨煤机）经过排粉机送至粉仓，给粉机将煤粉打入喷燃器送到锅炉进行燃烧。
煤粉炉燃烧用的煤粉是由磨煤机将煤炭磨成的不规则的细小煤炭颗粒，其颗粒平均在0.05～0.01mm，其中20～50μm以下的颗粒占绝大多数。由于煤粉颗粒很小，表面很大，故能吸附大量的空气，且具有一般固体所未有的性质——流动性。煤粉的粒度越小，含湿量越小，其流动性也越好，但煤粉的颗粒过于细小或过于干燥，则会产生煤粉自流现象，使给煤机工作特性不稳，给锅炉运行的调整操作造成困难。另外煤粉与O接触而氧化，在一定条件下可能发生煤粉自2燃。在制粉系统中，煤粉是由气体来输送的，气体和煤粉的混合物一遇到火花就会使火源扩大而产生较大压力，从而造成煤粉的爆炸。锅炉燃烧方面希望煤粉磨得细些，这样可以适当减少送风量；从制粉系统方面希望煤粉磨得粗些，从而降低磨煤电耗和金属消耗。煤粉磨得越细，在炉内易于点火、燃烧，机械未完全燃烧热损失就会下降。但要获得较细的煤粉，制粉系统要消耗较多的电能，金属磨损量也要增大。如果用较粗的煤粉，结果恰与上述情况相反。锅炉运行中，应综合考虑确定煤粉细度，把机械未完全燃烧热损失、磨煤电耗及金属磨耗都核算成统一的经济指标，它们之和为最小时所对应的煤粉细度称为经济细度或最佳细度。由此可见，对挥发分较高且易燃的煤种，或对于磨制煤粉颗粒比较均匀的制粉设备，以及某些强化燃烧的锅炉，煤粉细度可适当大些，以节省磨煤能耗。由于各种煤的软硬程度不同，其抗磨能力也不同，因此每种煤的经济细度也不同。
由煤粉制备系统制成的煤粉经煤粉燃烧器进入炉内。燃烧器是煤粉炉的主要燃烧设备。燃烧器的作用有三：一是保证煤粉气流喷入炉膛后迅速着火；二是使一、二次风能够强烈混合以保证煤粉充分燃烧；三是让火焰充满炉膛而减少死滞区。煤粉气流经燃烧器进入炉膛后，便开始了煤的燃烧过程。燃烧过程的三个阶段与其他炉型大体相同。所不同的是，这种炉型燃烧前的准备阶段和燃烧阶段时间很短，而燃尽阶段时间相对很长。
煤粉在锅炉内燃烧产生的烟气经过电除尘脱出粉尘再将烟气送至脱硫装置，通过石浆喷淋脱出流的气体经过吸风机送到烟囱排入大气。图1-1为火电厂燃烧系统各环节示意。图1-1 火电厂燃烧系统各环节示意
从火电厂燃烧系统各环节示意图可以看出，普通煤粉锅炉的灰渣有两种形态：一种是从排烟系统中用收尘设施收集下来的细粒灰尘，叫做粉煤灰或飞灰，约占灰渣总重量的70％～85％，其中含有一些极细的颗粒，这些颗粒经烟囱排入大气中，其排入大气的量随着集尘设备效率的降低而增多；另一种是在炉膛内黏结在一起的粒状灰渣，一般称为炉底灰或灰渣，这种灰渣落入锅炉底部，有的结成大块，经过破碎从炉底排出，约占灰渣总重量的15％～30％。也有的学者将一般所讲粉煤灰分为三类：一是漂灰，即从烟囱中漂出来的细灰，其粒径<10μm；二是称为飞灰的粉煤灰，即从烟道气体中收集的细灰；三是从炉底中排出的炉渣中的细灰，也叫炉底灰。
然而，由于燃烧设备（即燃烧炉类型）和燃烧温度等不同，还有一些别的不同燃烧煤粉的产物产生，如液态排渣炉，因其炉膛燃烧温度较高，使部分灰渣熔融成液体状态的溶渣，下落到炉底，在水的作用下骤冷，快速降温，结成玻璃态的渣粒，称作液态渣，这种液态炉的液态渣和粉煤灰平均各占一半。又如旋风炉，其炉膛燃烧温度比液态炉设计要高，所以熔融的液态渣的比例可高达75％～85％，而粉煤灰仅有15％～25％。
而电厂灰渣就是指火电厂的粉煤灰、炉底渣、液态渣以及从老式锅炉如链条炉排等炉上收集下来的煤渣，燃煤灰渣是在电厂灰渣的基础上，再加上火电工厂有关的其他工厂的煤炭灰渣。1.3 粉煤灰的形成过程与影响因素
根据热力学第一定律和第二定律，粉煤灰的形成是煤粉能量守恒、灰渣总熵不断增加、从热能到粉煤灰潜能的能量转化过程，粉煤灰的产生包括煤粉的燃烧、灰渣的烧结、破裂、颗粒熔融、骤冷成珠等过程，从这个意义上讲，电厂粉煤灰的锅炉实质上是粉煤灰产生的反应炉。从化学反应的角度来看，而粉煤灰中各主要矿物的种类、含量及其结构与原煤的矿物来源、矿物组成、煤的加工、燃烧方式（燃烧过程）等密切相关，现分述如下。1.3.1 原煤的矿物组成
煤粉由高速气流喷入锅炉炉膛，有机物成分即刻燃烧形成细颗粒火团，充分释放热量。粉煤灰形成的过程，既是煤粉颗粒中各种矿物杂质转变的过程，也是化学反应过程。（1）煤的矿物来源 纯净的煤应该是不含任何无机物的，但实际上任何一种类型的煤或多或少都含有无机物成分，通常将这些无机物称为煤中的矿物。煤中大部分矿物的形态为晶体，既可能为简单化合物，也可能是混合物，有些矿物以无定形形式存在，煤中矿物的尺寸与结合形式都是可变的，并非完全一致。Na、K和Ca等元素可以与煤中的有机物结合存在于煤中，这种情况通常出现在低级别的煤种中，另外还有少量的无机盐溶解于煤的孔隙以及表面水中。一般认为除煤中的水以及直接与有机物结合的元素外，其他所有无机物都是煤中的矿物。
煤中无机物的来源主要有两种：一种是形成于煤的植物中的无机物，木质组织中无机物含量1％～2％，树叶、树皮中无机物含量为10％～20％；另一种是地下水中结晶析出的物质，主要有铁、钙、镁和氯等化合物的矿物。
在煤形成的初期，通过风和水带入的岩屑矿物主要是硅酸盐，包括黏土矿物和石英，这些矿物是煤中最为丰富的，也是粉煤灰中主要矿物的来源；在煤形成的下一阶段所累积的矿物主要为碳酸盐、亚硫酸盐、氧化物和磷酸盐；在煤的最后形成阶段所产生的矿物主要是碳酸盐、亚硫酸盐、氧化物，这些矿物可能在煤块中的缝隙、夹层和空洞中生长，这类矿物的形成方式可以使得这些矿物能在煤的有机物中以比较细的颗粒分散。（2）煤的主要矿物种类 Couch通过对各种煤低温燃烧后得到的灰状物质进行X射线衍射分析，认为煤中的主要矿物有硅酸盐（主要是石英和黏土矿物：高岭石、伊利石、绿泥石）、碳酸盐（方解石、白云石、铁白云石和天蓝石）和二硫化物（黄铁矿和白铁矿），次要矿物有长石（斜长石和正长石）、硫酸盐（针绿矾、水铁矾、石膏、烧石膏、硬石膏、黄钾铁矾）、硫化物（闪锌矿、方铅矿、磁黄铁矿）和氧化物（金红石）。可能存在的矿物有碳酸钡矿、钾石盐、岩盐、石榴石、角闪石、磷灰石、锆石、绿帘石、黑云母、斜辉石、铁斜绿泥石、硬羟铝石、纤铁矿、磁铁矿、蓝晶石、十字石、黄玉、电气石、赤铁矿、叶绿泥石等。（3）煤的加工 煤经过粉磨后的矿物分布在很大程度上取决于与煤中有机物结合的无机物含量、矿物的尺寸和分布，如果矿物足够大，那么粉磨之后这些矿物游离出来，当然有些仍黏附一些可燃性物质，如果矿物以比较细的颗粒分散则粉磨不会影响矿物的分布。
在年代比较久远的煤中，与有机物结合的无机物可能有一些被氧化，并在煤的缝隙中沉淀，这些矿物可能在粉磨之后分离。
较高等级煤的外来矿物颗粒表现是很不同的，因为矿物与煤的密度相差很大，游离的矿物颗粒和矿物含量比较高等的颗粒将会比其他颗粒更易磨细，这是由于比较重的颗粒在磨机中循环次数较高的缘故。
煤的分选将减少煤中比较重成分的比重，主要是矿物质的比例，洗煤可能除去煤中一些钙、镁和钠盐等可溶性物质，如果采用重介质分离技术将会明显降低煤中磁性物质的含量。1.3.2 煤的燃烧阶段
煤粉在燃烧过程中，在不同温度阶段，各矿物均会发生物理或化学变化。煤从进入炉膛到燃烧完毕，一般经历四个阶段。
第一阶段为水分蒸发阶段，当温度达到100～105℃左右时，水分全部被蒸发，煤被完全烘干，这是个吸热过程，需要从炉膛吸收热量，煤的水分越多，干燥所损耗热量就越多，因此，提高送入炉内的空气温度，可以加速煤的干燥过程，缩短干燥阶段所需时间，有利于煤的燃烧和燃尽。这个热量供给情况是影响煤炭着火的首要因素。
第二阶段为挥发分析出与着火阶段，烘干后的煤在炉内不断吸收热量后，温度继续上升，受热升温到一定值后，煤中的挥发物随之析出，同时生成焦炭（剩余的固态部分），它除了灰分以外几乎全部是固定碳。不同的煤，开始析出挥发分的温度是不同的。挥发分析出温度随煤的碳化程度加深而升高，褐煤在130℃开始挥发出挥发分，高挥发分的烟煤在150～180℃，低挥发分烟煤在180～240℃，贫煤在300℃以上，而无烟煤需达到400℃才开始析出挥发分。加热温度和加热时间对煤的挥发分产量有明显影响。同一种煤，加热温度越高，加热时间越长，其挥发分的产量就越大。挥发分的主要成分是各种烃类化合物，均是很容易着火的气体。当它们与空气混合达到一定浓度并被加热到一定温度时，就会着火燃烧；此时的温度称为煤的着火温度。不同煤的着火温度不同。当温度达到着火点时，挥发物开始燃烧。挥发物燃烧速度快，一般只占煤整个燃烧时间的1/10左右。
第三阶段为焦炭燃烧阶段，煤中的挥发物着火燃烧后，余下的碳和灰组成的固体物便是焦炭，此时焦炭温度上升很快，一般温度升至700℃以上，焦炭才开始进行剧烈的氧化反应，固定碳剧烈燃烧，放出大量的热量，发出白色或蓝色的火焰。煤中挥发分析出后，焦炭中形成了许多的孔隙，大大扩展了焦炭与氧气接触燃烧的表面积，加快了焦炭燃烧速度，促进煤的完全燃烧。一般，焦炭的燃烧速度缓慢，燃尽所需时间也较长，特别是当煤的颗粒较大时，需要的燃尽时间则更长，所以要保证燃煤在炉膛内应有足够的停留时间。煤的燃烧速度和燃烬程度主要取决于这个阶段。
第四阶段为燃尽阶段，是焦炭燃烧阶段的继续。煤中的可燃物全部燃烧完毕后，剩下的灰渣温度仍然很高，为了充分利用或回收其中一部分热量，应尽可能使灰渣在炉内停留一段时间。灰渣中也可能还有少量大颗粒的残存焦炭，仍需一段时间继续燃烧燃尽。灰渣经过一段时间的停留再排出炉外的过程称为燃尽阶段。这个阶段使灰渣中的焦炭尽量烧完，以降低不完全燃烧热损失，提高效率。由于该阶段所需要的空气量较少，对链条炉分段送风的风室可以基本关闭。
也有学者将第一阶段和第二阶段合并，称为着火前准备阶段。1.3.3 煤燃烧中各主要矿物变化
煤在燃烧过程中，各种主要矿物均发生不同程度的物理化学变化，在不同温度下，其物相转变不同，见图1-2所示。图1-2 煤中矿物在不同温度下的转化
煤粉在300℃时，黏土矿物受热开始脱去表面的吸附水，650℃时开始脱去结晶水，1100℃时矿物晶格开始破坏。当受热温度继续上升时，矿物颗粒表面就开始熔融。
当温度达到400℃时，高岭土开始失水形成偏高岭土，当温度超过900℃时，偏高岭土将形成莫来石和其他无定形石英。伊利石是典型的富铁、镁、钾、钠的黏土矿物，当温度超过400℃时开始分解形成铝硅酸盐。
大约在800℃时，碳酸盐开始分解放出CO生成石灰（CaO），其2他碳酸盐也会分解放出CO，然后生成相应的氧化物，但分解的温度2不同，如天蓝石为500℃、白云石为750℃。
在温度超过1000℃时，石英如果没有与黏土矿物结合，将溶解于熔融的铝硅酸盐中，再随温度升高大约达到1650℃时将开始挥发。
铁是影响粉煤灰中矿物相比较重要的元素。在实验室条件下，黄铁矿（FeS）300℃开始分解，失去硫后生成FeS；然后在500℃21-x时氧化生成赤铁矿（FeO）和磁铁矿（FeO）。硫氧化后生成SO。23342煤中绝大部分铁都是以FeS形式存在的，特别是在烟煤中更是如2此。因为硫氧化速度很慢，FeS在火焰中也只是部分氧化，形成熔2点较低、密度较大的FeS/FeO共晶体，甚至温度高达1100℃时仍有FeS存在。在锅炉燃烧过程中，煤中大部分含铁矿物质在与碳及1-xCO的作用下，形成FeO和FeO，新生成的铁氧化物再与新生的硅、2334铝、钙质玻璃体连生在一起，形成球状或似球状的铁质微珠。
黄铁矿（FeS）在氧化气氛中短时间燃烧时形成磁黄铁矿，放2出SO，燃烧时间长时，磁黄铁矿与O作用，反应生成磁铁矿，放出22SO，赤铁矿在与粉煤燃烧时，也生成磁铁矿，褐铁矿在燃烧时，先2排出化合水，变成不含水的赤铁矿，然后反应，也生成磁铁矿。
以上是国内外很对学者采用多种手段，对煤燃烧过程和产物中的各主要成分变化和矿物转化进行研究的结果。但由于原煤中常含有颗粒很细的且在煤中广泛分散的矿物质，再加上每一种煤的原矿性质不同，对燃煤炉体、炉渣和生成粉煤灰的性质不同，因此，煤中矿物质在煅烧过程中的具体变化及影响研究一直在进行，如刘桂建等利用中子活化法、化学方法、X射线衍射及扫描电镜等方法对淮北煤田的煤样品进行了矿物质、微量元素分析，并研究了样品中主要矿物的种类及其形成时的影响因素，对比了其在燃烧前后的主要变化，结果表明，样品中含有高岭石、石英、方解石和黄铁矿以及多种微量元素，在燃烧过程中，微量元素的含量以及矿物的种类发生了变化，并形成高温稳定的矿物种类。As、Ba、Cr、Mn、Mo、Sb、Th、U、V这几种微量元素在815℃燃烧情况下，其挥发性较小，在煤燃烧过程中，这些微量元素主要保留在燃烧的产物灰中，但有些微量元素在燃烧过程中，以气态或烟尘的形式释放出来，如Cl、Hg、F、Se等。所研究的样品中，黏土矿物主要为高岭石和伊利石，高岭石在400～500℃发生脱水，转变为偏高岭石（后转变为红柱石）和莫来石，通过对比煤燃烧前后的X射线衍射图，发现石英矿物的衍射强度变弱，因此认为在煤燃烧过程中，少量石英与AlO、CaO等其他成分，发生反应，23并生成了一些新的矿物质或非晶质的玻璃体物质。碳酸盐方解石在煤燃烧过程中，全部分解变成了氧化钙，磁铁矿转变为赤铁矿，菱镁矿转变为氧化镁。黄铁矿主要变成了赤铁矿。1.3.4 煤燃烧的其他条件对粉煤灰的影响
在实际煤燃烧过程中，粉煤灰的物相特性不仅与煤种、煤源有关，而且与锅炉的类型、燃烧条件、煤的类型等有关，不同燃烧条件（燃烧温度、燃烧气氛）、不同煅烧炉或煅烧窑，形成的粉煤灰矿物也不同。（1）煅烧炉类型的影响 如常见的沸腾炉和煤粉炉，前者又称为流化床锅炉，对燃料的适应性很强，可燃煤矸石（煤炭开采产生的煤层夹矸和顶底板含碳较高的岩石）、煤泥（煤炭洗选产生的含有大量有机碳的洗矸）等劣质燃料，工作温度通常在800～900℃。煤粉炉是煤悬浮燃烧的锅炉，要求燃料粒径一般在1mm以下，过滤的温度很高，在1400℃以上，这个温度都达到或超过了煤中大部分矿物的熔点。
煤燃烧时的煤粒是由水分、原煤、焦炭和灰分（矿物质）四部分组成，当原煤在氧化环境中加热时，煤的燃烧就开始了。煤粒可能变软（变得具有可塑性），内部结构也在发生转变，当温度上升时，煤中的水分最先释放出来，温度继续升高，气体和焦油物质开始释放，这一热解过程可以使煤的总质量下降到70％～80％，经历的时间主要由煤粒的大小、煤种和温度等条件决定，这时，挥发分可以在炉膛内燃烧起来，脱失了挥发分的部分是焦炭和矿物质，在足够高的温度下，残余的焦炭可以直接与氧发生反应，该氧化反应是一个非均相反应，比挥发分的析出过程要慢很多，其反应速率与煤种、温度、压力、焦炭颗粒的特性（大小、比表面积）及氧化剂的含量等因素有关。
试验样品中，都或多或少含有石英、高岭石、伊利石、莫来石、长石、黄铁矿等本身性质不同的矿物，主要它们的相转变温度和熔点都不同，表1-1为这几种矿物的相转变温度和熔点。表中虽列出了各种矿物的熔点，但在锅炉中多种矿物共同存在，还会发生固相反应，因而会不同程度地影响矿物的熔点，使其发生变化。在温度缓慢上升的情况下，煤中这些矿物的相转变、熔化作用都是分别进行的，但是，如果温度上升的速度非常快，矿物质的相转变及其熔化的作用就会同时或近于同时发生。表1-1 部分矿物质的相转变温度和熔点
在煤粉炉中，煤中的大部分矿物质在非常短的时间内达到了熔点以上的温度，变成了熔体，即熔融状态的液体颗粒，由于表明张力的作用，熔融的颗粒呈圆珠状，这些液体小珠在烟气流的吹动下，处于分散状态，有的甚至变得更小，这些呈熔融状态的小圆珠体大部分被烟气流送到炉膛外的烟道中，随着温度的迅速下降，熔融的液态珠体快速冷却，形成不同形状的玻璃体，构成了粉煤灰的珠体，少量沉降到炉膛底部，并有一定程度的聚集，也没能转变成玻璃体，仍保留原来的矿物学结构特征，有时只是外部形态发生了一定的变化，分散在粉煤灰和底灰中。此外，粉煤灰中的少量有机质（碳），也没有来得及燃烧，而随烟气流排出，被静电除尘器收集，主要集中在飞灰中。
刘芳等探讨了燃料中的矿物质在沸腾炉和煤粉炉中的相转变过程，并利用X射线衍射仪分析了燃煤电厂和矸石、煤泥电厂所用燃料及所排粉煤灰的物相特征，经分析发现，燃煤电厂产生的粉煤灰中物相组分以非晶质的玻璃体为主，另外还有石英、莫来石及少量长石等；而煤泥电厂与矸石电厂产生的粉煤灰中虽也含有玻璃体，但数量相对较少，矿物质是以石英为主，此外还含有长石、赤铁矿及少量莫来石。（2）煤质对粉煤灰的影响 不同的煤类型，在相同的燃烧条件下，所生成的粉煤灰性质亦不相同，如常用的褐煤、烟煤、无烟煤，褐煤由于煤化度较低，含碳60％～77％，挥发分含量较高，>40％，在燃烧过程中，易冒烟，所以生成的粉煤灰较多，灰分含量大于50％；烟煤由于煤化度高，含碳值高，为75％～90％，所以灰分含量一般小于25％；无烟煤的煤化程度最高，含碳量最高，一般大于90％，挥发分含量最少，小于10％，即其灰分含量很低。
一般电厂煤粉炉对煤种的适用范围较广，它既可以设计成燃用高挥发分的褐煤，也可设计成燃用低挥发分的无烟煤。但对一台已安装使用的锅炉来讲，不可能燃用各种挥发分的煤炭，因为它受到喷燃器形式和炉膛结构的限制。发电用煤质量指标如下。
①挥发分 是判明煤炭着火特性的首要指标。挥发分含量越高，着火越容易。根据锅炉设计要求，供煤挥发分的值变化不宜太大，否则会影响锅炉的正常运行。如原设计燃用低挥发分的煤而改烧高挥发分的煤后，因火焰中心逼近喷燃器出口，可能因烧坏喷燃器而停炉；若原设计燃用高挥发分的煤种而改烧低挥发分的煤，则会因着火过迟使燃烧不完全，甚至造成熄火事故。因此供煤时要尽量按原设计的挥发分煤种或相近的煤种供应。
②灰分 灰分含量会使火焰传播速度下降，着火时间推迟，燃烧不稳定，炉温下降。
③水分 水分是燃烧过程中的有害物质之一，它在燃烧过程中吸收大量的热，对燃烧的影响比灰分大得多。
④发热量 为的发热量是锅炉设计的一个重要依据。由于电厂煤粉对煤种适应性较强，因此只要煤的发热量与锅炉设计要求大体相符即可。
⑤灰熔点 由于煤粉炉炉膛火焰中心温度多在1500℃以上，在这样高温下，煤灰大多呈软化或流体状态。
⑥煤的硫分 硫是煤中有害杂质，虽对燃烧本身没有影响，但它的含量太高，对设备的腐蚀和环境的污染都相当严重。因此，电厂燃用煤的硫分不能太高，一般要求最高不能超过2.5％。（3）燃烧过程有关的影响 王泉海采用化学热力平衡分析方法研究了在煤燃烧和气化过程中，产生的烟气里，矿物质元素Na、Fe、Si在氧化气氛和还原气氛下的化学形态和分布。结果表明，矿物质在还原气氛下的蒸发量要大于氧化气氛下的蒸发量，尤其是铁元素和硅元素，在还原气氛下的蒸发量要远远大于氧化气氛下的蒸发量，不同环境下，粉煤灰中的矿物质的化合和迁移特性也不同，导致最后的产物也不同。
氧化气氛下，煤灰中主要的含铁矿物质主要转变成FeO、23FeO和少量FeSiO、MgFeO、FeSO。随着温度的升高，煤灰3424244中的FeO逐渐分解减少，而FeO含量逐渐增加，还原气氛下，煤2334灰中FeO将与无定形的SiO生成FeSiO。另外，还有少量FeO、22423FeO、MgFeO。这些矿物质在加热过程中，含量变化的总趋势是3424逐渐减少的。
矿物质硅也是锅炉对流受热面上沉积物形成及增长的主要因素之一，特别是当气相Si与碱金属蒸气反应，会在硅粒子表面上生成一层薄的硅化物，这些物质在800K时就可附着在金属表面，形成受热面上初始沉积的黏性粒子。在化学热平衡计算中，氧化环境下，由于含硅元素与其他矿物质反应生成稳定的化合物，因此，在气相中并未发现含硅气相成分存在。在还原环境下，由于硫、碳或碳氢化合物的存在，石英和其他硅化合物被还原成气态中间产物，如SiO等。因此，受热蒸发的含硅物质主要有SiO和SiO，随着环境温度的升高，气态2SiO含量迅速增加，当温度达到2200K，Si蒸发总量为3.8568％。2
氧化气氛下，煤灰中含硅矿物质主要有CaSiO和少量SiO、32FeSiO、NaSiO、NaAlSiO、KSiO、CaMgSiO、MgSiO。各424423263种组分含量在加热过程中变化量不大。还原气氛下，煤灰中含硅矿物质主要有SiO、FeSiO、NaAlSiO、KAlSiO、NaAlSiO、CaSiO24438383和少量NaSiO、NaSiO、NaAlSiO、KSiO、KSiO、32252623225CaMgSiO、MgSiO、Mg2 SiO，其中随着温度的升高，SiO含量26344大量增加，此外，CaMgSiO、MgSiO略有增加，而其他含硅矿物263质在不断减少。
化学热平衡计算结果表明，碱金属Na元素在炉内高温环境下极易蒸发，还原气氛下，Na元素比氧化气氛下更易于蒸发。随着温度的升高，矿物质中Na迅速蒸发，温度2200K下，Na元素在还原/氧化环境下的蒸发量分别达到83.43％和79.78％，大部分蒸发出的Na与水蒸气等反应，最后以NaOH的形式存在。此外，气相成分主要还有单质Na和少量NaCl和NaO，在还原气氛下，气相成分中以单质Na形式存在的Na元素含量要比氧化气氛下更高。
当环境中含有硫、氧、二氧化碳和蒸气时，煤中Na元素将与之反应形成硫酸钠和碳酸钠等。氧化气氛中，煤灰中主要含有NaSO、NaAlO、NaSiO、NaSiO、NaAlSiO、NaAlSiO、24223225426NaCl、NaOH、NaCO等物质。在1600K下，煤灰中主要含钠矿物质23为NaSO，随着温度的升高，NaSO逐渐分解，而NaAlO含量随24242着温度的升高而升高，当温度高于1800K时，NaAlO含量逐渐减少，2温度达到2200K时，所有含钠矿物质大部分分解、蒸发，还原气氛下，煤灰中主要含钠矿物质有NaSiO、NaSiO、NaAlO、NaAlSiO、2322524NaAlSiO、NaAlSiO，随着温度的升高，这些含钠矿物质大部分分2638解、蒸发。
一般来说，燃烧过程如升温速度，燃烧时间等可以影响粉煤灰的形成，其中由燃烧过程决定的冷却速度更是深刻影响了粉煤灰的形成。当冷却速度较快时，玻璃体含量较多；反之，冷却速度慢时，玻璃体容易析晶。同时，不同成分的煤粉在燃烧过程中形成的粉煤灰在排出的冷却过程中，形成了不同的物相，组成了晶体和非晶体的混合物，且波动范围较大。一般晶体为石英、莫来石、磁铁矿、氧化镁、生石灰及无水石膏等，非晶体矿物为玻璃体、无定形碳和此生褐铁矿，其中玻璃体含量占50％以上。1.3.5 煤灰中的矿物相图
研究各种无机物相对的转化过程，经常采用相图进行理论分析和解释。燃煤副产品的矿物相图通常采用FeO-SiO-AlO、CaO-SiO-2232AlO和KO-SiO-AlO三元相图来表示。232223
图1-3是Huffman对美国18种煤灰的高温特性进行研究，在还原条件下得出的FeO-SiO-AlO平衡相图，可定性的认识煤灰的矿物组成。223整体上，煤灰的矿物组成落在莫来石区域，在富铁区域首先发生熔融，液相也可能是在富铁共熔区域首先形成。图1-3 煤灰的FeO-SiO-AlO平衡相图223
图1-4为煤灰的主要矿物百分比随温度的变化曲线，实际上，矿物的百分比是随含铁矿物相的变化而变化的，这些结果是在相对比较低的加热速度的平衡条件下得到的，如果要将这些结果应用于锅炉内加热速度非常快的情况务必谨慎。图1-4 煤灰矿物含量随温度的变化曲线
研究中所采用的样品为15种烟煤，分析时样品经过急冷处理。大约在900℃下，样品中所观察到的矿物基本上都能与煤中的矿物对应。方铁矿和富铁的铁酸盐相主要来自富铁矿物，如黄铁矿、菱铁矿和硫酸铁等。900℃下，玻璃体中的铁含量正比于含钾黏土矿物和煤中伊利石中铁的含量，通常认为这是由于在KO-SiO-AlO相图中有2223很多低熔点的共熔区域。在900～1000℃之间，方铁矿和其他富铁氧化物将会与石英、高岭土发生反应而熔融。在1000～1200℃之间，由于铁尖晶石和铝酸铁等到形成使得铁的熔融反应停止，超过1200℃所有的铁将会与液态的硅酸盐结合。
在氧化气氛中观察到的玻璃相是非常少的，不论是氧化还是还原气氛，即使温度未达到理论熔点时就可能发生部分熔融，但一般来说，温度低于400℃的情况下煤灰中的玻璃体不太可能超过50％。
对于高钙煤的煤灰中的无机物转化的特点差异比较大，这方面的研究还比较少。1.3.6 煤中一些元素对煤灰中矿物形成的影响
铁对煤灰的矿物形态影响非常重要，还原态的铁比氧化态的铁有更低的熔点，铁的化合物可能会与煤灰中的硅酸盐反应生成低熔点的铁硅酸盐飞灰颗粒。
钠既可能同其他矿物反应，也可能在火焰中蒸发，当钠蒸气移动到锅炉内较冷的区域后会凝结，大部分钾可能会与铝硅酸盐结合。
有机硫在煤的燃烧过程中可能释放SO气体，在快速加热和还原2气氛中，黄铁矿将会熔化然后分解成FeS，在氧化气氛中FeS可能形成氧化铁，然后硫生成SO气体。2
当熔化的碱-硅酸盐化合物冷却时，碱金属会在表面冷凝，因此，使得煤灰颗粒很黏，在1100℃以下时，碱金属的氧化物以及氯化物将迅速与SO、O或者与SO反应生成硫酸盐。NaSO和KSO是最2232424容易生成的硫酸盐，生成温度分别为800℃和1075℃。硫酸盐混合物的最低熔化温度为830℃，如果局部的SO含量足够高时，焦硫酸盐3KSO和NaSO也会形成，这两种硫酸盐分别在400℃和300℃时227227开始融化。1.4 粉煤灰的排放
由于粉煤灰燃烧方式、排放方式、煤种不同、炉型不同等因素决定了粉煤灰产生了微小差异化，但就因为这个微小的差异形成了粉煤灰的个性，几乎每个电厂排放的粉煤灰化学成分都不同，甚至一个电厂在不同的时间和不同的炉型下产生的粉煤灰都是不同的。根据其排放方式的不同，粉煤灰的物理化学性质也有所不同。1.4.1 排放方式
常见的粉煤灰的排放方式有干式排放和湿式排放两种。粉煤灰的排放主要按照其收尘方式不同，分为干收干排、干收湿排和湿收湿排等。干收干排指采用静电收尘器、机械收尘或者布袋收尘器等设备收尘，然后再采用负压、正压、微正压或者机械式等干除灰系统将粉煤灰排放出来；干收湿排是利用干式除尘器收集到粉煤灰后，再采用水力冲排；湿收湿排是利用湿式除尘器收集到粉煤灰后，直接将粉煤灰以灰浆的形式排放到储灰池。因此称采用干收干排方式得到的粉煤灰为干排灰，而将利用干收湿排和湿收湿排方式得到的粉煤灰称为湿排灰。湿排粉煤灰是采用较多量的水，直接从喷淋除尘器中或静电除尘器下将粉煤灰稀释成流体，用泵和管道打入粉煤灰沉淀池中。
刚入池的粉煤灰，固液比高达1:（20～40）。为了能够利用，需进行脱水处理。粉煤灰的脱水工艺，有自然沉降法、自然沉降-真空脱水法、浓缩真空过滤脱水法等。（1）自然沉降法 是利用粉煤灰悬浮液固相颗粒自然沉降的原理，使之从液相中沉淀出来。按照水的运动方式，又有静态沉降和动态沉降之分。静态沉降需要几个沉灰池循环使用。操作方法是先将灰水注满沉灰池，使其静态自然沉降，沉降终止后放出澄清水，然后再注满灰水沉降，经过几次循环，待灰层达到一定高度后，即可挖灰。优点是操作简单，缺点是灰场占地大。动态沉降是在一个沉降池中，灰水从一端进入。灰粒在池中边流动边沉降，澄清水从另一端流出。该方法的优点是占地少，且可以在滥流口处回收漂珠，作为塑料、橡胶、交通标志涂料的填料；缺点是脱水不彻底，脱水后的含水率一般不低于50％。（2）自然沉降-真空脱水法 是在自然脱水的基础上，通过真空力加快或进一步脱水。其灰池结构中真空管道由主管和支管组成，支管上钻有直径5mm的小孔，管外包以100目和24目的双层铜丝网。真空度一般为500mm汞柱，可使粉煤灰的含水率由100％降至40％以下。（3）浓缩真空过滤脱水法 是一种机械化的连续脱水方法。操作时先将粉煤灰悬浮液通过脱水筛筛除粒径大于2mm的煤渣，然后送入耙式浓缩机进行浓缩。浓缩池底部的灰浆经管道自动流入灰浆池。后经砂泵扬至真空过滤机上方的搅拌筒内。当输送量大于处理量时，多余的灰浆由溢流管自动回到灰浆池或浓缩机。搅拌筒中的灰浆经管道进入真空过滤机的料浆槽后，在转筒内外压力差的作用下将固相和液相分开。滤液经气轴和管道流入气水分离器，而吸附于滤布上的粉煤灰则用刮刀刮下用胶带送走。经处理后，粉煤灰的含水率可以降到35％。
干排灰是将除尘器收集下来的粉煤灰，通过气力输送装置输送于储灰仓中，直接贮存的粉煤废，由于含有部分黏聚在一起的颗粒或未燃尽的碳粒，在使用时会增加拌和需水量，影响制品的强度。再者，即使颗粒极细的粉煤灰，在渗入胶凝材料后也会使胶凝材料的早期强度降低。为此，进行适当的加工处理是必要的。
对煤粉灰的分选，主要是将颗粒粒度不一的粉煤灰，按照要求分成不同的粒级。常用的分选设备为旋风式粗细分离器。其工作原理是，粉煤灰与气流一道沿拔风管进入外锥体中，首先碰到内锥体下部的菱锥体，粗颗粒在惯力的作用下撞落到粗粉出料管中，气流继续上升，按一定角度旋转进入内锥形体。较粗的颗粒又有一部分在惯性离心力的作用下与壁碰撞消能。沿内壳壁流入粗粉出料管。合格的细粉随气流由排风管进入选风分离器收集下来。通过分选可以得到细度符合要求的粉煤灰。然而，粉煤灰的活性不独与细度有关，还与粉煤灰的成分、结构和表面性质密切相关。且前，对粉煤灰的活化处理一般采用两条渠道：一是增钙处理。即在电厂磨煤时有意掺入一定量的石灰或石灰岩。在燃烧过程中与煤灰中的氧化硅、氧化铝反应，生成具有水硬性的硅酸钙、铝硅酸钙。二是用球磨机或立磨机进行磨细，使其在细增加的同时产生具有活性的新鲜断面。如果在磨细的同时，再掺入一部分化学活性剂，则活化效果更好，被称为物理-化学联合活化。1.4.2 排放量
粉煤灰是火力发电的必然产物，平均每消耗4t的煤就会产生1t粉煤灰。我国的火电装机容量从2002年起呈现出爆炸式的增长。一般来说，现代化电厂如果使用低灰分的优质煤，煤能比较充分燃烧，则441×10kW装机容量的年粉煤灰排放量为（0.1～0.2）×10t；但如果使4用的是劣质煤，煤又不能充分燃烧，则粉煤灰的排放量可高达1×10t，按火力电厂的效率为42％～61％，煤耗210～307g/（kW·h）。因此，粉煤灰的排放量也在逐年快速大量地增长。
2010年9月15日，国际环保组织绿色和平在北京发布《2010中国粉煤灰调查报告》指出，2009年，我国粉煤灰排放量达到了3.75亿吨，相当于当年我国城市生活垃圾总量的2倍多，其体积可达到4.24亿立方米，相当于每2.5min就倒满一个标准游泳池，或每天一个水立方。2011年，我国粉煤灰排放量达到4.98亿吨，同比增长3.75％；2012年，我国粉煤灰排放量达到5.20亿吨，同比增长4.12％；2013年，我国粉煤灰排放量达到5.32亿吨，同比增长2.31％。2010～2013年我国粉煤灰排放量的平均增长率为3.39％，因此，可以预测2014～2018年的排放量大约为5.50亿吨、5.68亿吨、5.87亿吨、6.08亿吨、6.29亿吨，见图1-5。图1-5 我国粉煤灰年排放量时间1.5 粉煤灰对环境的影响
目前我国发电供热用煤占全国煤炭生产总量的50％左右。大约全国90％的SO排放由煤电产生，80％的CO排放量由煤电排放。同22时，煤炭中有害重金属和放射性物质，在燃烧后以较高浓度留存于粉煤灰中。我国火电厂原煤燃烧后粉煤灰的主要成分是氧化物，此外还有锑、砷、铬、镉、铜、铅、锰、汞、钼、镍等重金属元素，以及镭、钍、铀等放射性元素。
大量粉煤灰的排放不仅占用大量土地，且对环境的影响已经渗透到人们平时生活的各个方面，如污染大气、污染水源、污染土壤、地质灾害等，都会对人体健康造成极大的危害和影响。（1）侵占土地 我国粉煤灰的排放量逐年增加，但目前对于其处置仍以灰场储灰为主，粉煤灰堆贮与占用土地间的矛盾越来越突出。一般，每堆贮1万吨粉煤灰需要占用堆灰场面积4～5亩地，截至2002年年底，我国粉煤灰渣堆贮量已经高达12.5亿吨，按照每年我国火电站每年排放的粉煤灰渣有近4千万吨计算，到2013年，我国粉煤灰渣堆贮量低估已达17亿吨，其已经占用灰场总面积68万～85万亩，这种非生产性用地造成了土地资源的极大浪费。另外，以每吨灰渣综合处理费2.4元计算，我国每年仅对新增粉煤灰渣处理的费用就高达9.6千万元。（2）污染大气 一般来说，对于粉煤灰的处理主要是回填和储灰池存储。电厂粉煤灰属于固体废物中细粒，粉尘随风飞扬，污染大气。在煤烟型污染城市，大气气溶胶是主要污染物，在我国大多数城市，燃煤飞灰是悬浮颗粒物的主要贡献，在冬季因燃煤上升，导致空气中飞灰的增加。煤中有害元素的富集问题。大于2μm的颗粒沉积在鼻咽区，小于2μm的沉积在支气管、肺泡区、被血液吸收，送到人体各个器官，对人体健康的危害也更大。另外，细颗粒能长时间漂浮在大气环境中（一般7～10天），随气流进行远距离输送，造成区域性环境污染。于维河等对七台河市的大气环境状况进行研究，发现城区总悬浮物和降尘这两项污染物均超标。
同时，20％的粉煤灰是空心微粒结构，在有风的情况下很容易扩散，形成二次扬尘空气污染。不管是干法还是湿法处理，除非有非常完善的封存处理，否则由粉煤灰导致的二次扬尘污染都很严重，对于居住在灰场下风口的居民的影响尤为明显。当风力达到四级时，粉煤灰的沉降范围可达10万～15万平方公里，对灰场以外较远的范围内都能构成污染威胁。我国北方省份内蒙古、山西、新疆等是西北风的源头，而在这些地区煤炭、火电工业集中，大量排放的粉煤灰在风力作用下成为沙尘暴的成分之一，向东南方向迁移，加重了沙尘污染。（3）污染水源 被除尘器捕获的飞灰，若采用湿排，飞灰中有害元素会溶于冲灰水中，造成污染。堆放在储灰池中的粉煤灰，如果灰场的防渗措施不当或因雨水淋滤，在长期堆储的过程中，粉煤灰中的有害物质会渗透到水体中，而且这种浸泡时间越长，有害物质的浓度越高。这种水体污染在湿灰场更为常见。粉煤灰和大量的水混合后经由管道输排到灰场，随着灰场中积水的增多，长时间的浸泡令粉煤灰中的重金属等有害物质渗入水中，对灰场附近的浅层地下水和地表水造成污染。粉煤灰中的有害物质渗透到村民的饮用水中，使井水出现悬浮物增多、氟化、碱化等情况。粉煤灰也会随风扩散，扩散到河流、湖泊中，污染水体。
曹良国等研究了粉煤灰中元素的浸出特性以及对水体的影响。认为若可溶盐、硼及其他潜在毒性元素的含量过高，会导致元素的不均衡以及土壤的板结和硬化。粉煤灰浸出的一些微量重金属元素也会对环境造成影响。同时由于浸出的元素的环境迁移性，会对环境造成潜在的长期影响。
绿色和平中国气候与能源项目团队在2010年1～8月期间对我国14家火电厂（大唐国际发电股份有限公司陡河发电厂、中国电力投资集团公司赤峰热电厂、中国华能集团公司丰镇发电厂、中国电力投资集团公司元宝山电厂、中国大唐集团公司托克托电厂、国家电网公司神头第二发电厂、中国国电集团公司大同第二发电厂、国家开发投资公司曲靖电厂、中国国电集团公司宣威电厂、广西开发投资有限责任公司和贵州省开发投资有限责任公司的盘县电厂、中国国电集团公司的九江发电厂、广东粤电集团和贵州金元集团盘南电厂、江西省投资公司和中国国电集团公司的丰城一电厂、江西省投资集团有限公司和江西赣能股份有限公司的丰城二电厂）的粉煤灰灰场进行了实地调查，针对不同地域、不同运营年份、不同装机容量大小、不同电力集团。这14家火电厂的总装机容量为2615万千瓦，相当于目前我国火电装机总量的4％。
与《地表水环境质量标准》相比，陡河电厂的氟化物超标233％，赤峰热电厂的氟化物超标187％，相比《农田灌溉水质标准》，陡河电厂的氟化物超标67％，赤峰电厂的硼超标29％、氟化物超标43％，丰镇电厂的硼超标400％，大同第二电厂的硼超标17％。
通过对火电厂灰场附近的地下井水进行检测，结果表明，陡河电厂的硝酸盐超标36％，赤峰热电厂的硼超标80％，元宝山电厂的硼超标270％、钼超标103％、硝酸盐超标74％、氟化物超标180％。（4）污染土壤 随着我国火电装机的进一步扩张，火电厂征地贮存粉煤灰所导致的占地问题也日趋严重，灰场方圆数百米内的土地也会受到飘落降尘的影响。由于粉煤灰高盐高碱，下渗、扩散到土地导致周边土地盐碱化，不再适于农作物的种植，严重影响农业生产和生态环境。
湿法贮灰运行简单、费用低，无噪声污染，输送过程的扬灰污染较易解决。但贮灰场的一次性投资较高，解决渗漏与水质污染问题比较困难，灰场贮满后场地的利用较困难，存在着灰浆漏失或溃坝的危6+险。贺玉晓等研究分析了焦作某电厂堆灰场附近浅层地下水中Cr的6+形成原因，主要是由于堆灰场中的Cr等污染物经大气降水及冲灰水的淋溶渗入地下造成的。（5）地质灾害 常见的灰场中粉煤灰堆放深度一般在20m以上，坝体高30m左右。强降雨、洪涝等自然灾害引起山体崩塌、滑坡、泥石流等次生灾害时，灰场中贮存的数十万吨含有多种重金属等有害物质的粉煤灰会成为人身安全和生态灾难的巨大隐患。在气候变化的大背景下，各种极端气候事件频发，这无疑加剧了粉煤灰成为地质灾害的可能性。如2009年，我国省江油市江电灰坝在洪灾中塌陷，煤灰大面积垮塌。2006年，贵州省六盘水市盘县电厂的4号灰坝发生溃坝，约30m高的灰坝的底部盖板被冲开，灰坝内所囤积的灰渣直接排入珠江水系源头长江中。约30万吨的灰渣废水在几分钟内直接排入长江，污染了长江和北盘江水质。（6）粉煤灰在被利用过程中对环境的后期影响 在粉煤灰利用过程中，仍会对周围的环境产生影响，如生产建材制品，如果粉煤灰中放射性元素含量较高，会影响人体健康，利用粉煤灰生产农肥或改良土壤，部分有害元素会溶出，渗入土壤，被植物吸收。
总之，火电厂灰场中的有害物质污染空气、水、土壤，会通过呼吸、饮水等途径直接进入人体，或通过食物链间接进入人体，危害健康。这些有害物质即使在粉煤灰综合利用之后，比如制成砖瓦等建筑材料，也有可能继续危害人体健康。
粉煤灰中的重金属等有害物质被人体摄入，积累到一定的水平时，会严重危害人体健康，见表1-2，原煤中的钍和铀元素在燃烧过程中会形成不溶解、不挥发的化合物，留存在粉煤灰中。这些天然放射性核素的浓度大约是原煤的3倍。表1-2 粉煤灰中主要有害物质及健康影响第2章 粉煤灰的理化性能2.1 粉煤灰的结构组成
粉煤灰的结晶相大都在燃烧区形成，又被玻璃相包裹，颗粒表面又黏附有细小的晶体，通过对粉煤灰颗粒进行研究表明，其基本结构模型见图2-1所示。因此，在粉煤灰中，单独存在的结晶体极为少见，而单独从粉煤灰中提纯晶体矿物也比较困难。图2-1 粉煤灰颗粒的物理模型
这些特征可以从粉煤灰颗粒的SEM图片中得到证实。图2-2～图2-4为粉煤灰原料的SEM照片。由图2-2可见，粉煤灰大部分为呈球状的玻璃体，球体直径分布在约1～20μm之间。玻璃球体的表面很光滑，同时存在少量的莫来石晶体，呈针状或棒状生长，粉煤灰中的玻璃相和莫来石相并不是独立存在的。扫描电镜下观察，莫来石往往包含于玻璃相中（图2-3）；另外，还存在一定量的外形不规则的玻璃体，其外表粘有很多玻璃小球（图2-4）。图2-2 粉煤灰原料的SEM照片图2-3 粉煤灰中莫来石晶的SEM照片图2-4 粉煤灰中不规则玻璃体的SEM照片2.1.1 粉煤灰的矿物组成
重庆建筑大学的钱觉时教授从粉煤灰的来源——煤开始，分析了煤与粉煤灰的联系及原煤不同对粉煤灰组分的影响，介绍了粉煤灰中非晶相物质为玻璃体，晶体矿物主要为莫来石、石英、赤铁矿等，并给出了各种晶体矿物含量范围，此外，还含有未燃烧的碳粒。
国内外对于粉煤灰中玻璃体的研究比较多，原因有二：一是粉煤灰中玻璃体的含量较高，一般在52％～89％；二是虽然影响粉煤灰反应活性的因素较多，但玻璃体的反应活性直接影响粉煤灰的反应活性，因此，对于粉煤灰的研究大多在于如何激发其中玻璃体的反应活性。通过剖开玻璃体研究粉煤灰中玻璃体的结构，人们认为有的玻璃球是实心的、有的是空心的，而且空心的大玻璃球内部还可能存在小的玻璃球。仇满德等利用XRD、SEM、EDS对原灰及水、磁筛选的粉煤灰进行了物相、微结构进行了分析，表明：富铁磁珠表面析出了块状、针状等规则排列的结晶物，表面形貌光滑的玻璃微珠主要吸附于中空的漂珠表面和贫铁沉珠中，同时还有一些球形度好、表面光滑的纯铁珠和纯玻璃珠。
粉煤灰的矿物组成是粉煤灰品质的重要指标，研究粉煤灰的矿物相特点、形成机理有利于提高粉煤灰的资源化程度。（1）粉煤灰中晶体矿物类型 通常粉煤灰中的玻璃体是主要的，但晶体物质的含量有时也比较高，范围在11％～48％。主要晶体相物质为莫来石、石英、赤铁矿、磁铁矿、铝酸三钙、默硅镁钙石、黄长石、方镁石、石灰等，在所有晶体相物质中莫来石占最大比例，可达到总量的6％～15％。此外，粉煤灰中还含有未燃烧的碳粒，表2-1是Rohatgi等列出的粉煤灰中可能的晶体矿物相。表2-1 粉煤灰中可能的晶体矿物（2）粉煤灰中晶体矿物的形成与来源
①莫来石（AlSiO） 当煤灰开始冷却时莫来石将直接结晶6213形成，莫来石主要来自煤中的高岭土、伊利石以及其他黏土矿物的分解。莫来石含有很高比例的AlO，这种AlO不会参与胶凝反应。低2323钙粉煤灰中的AlO主要是莫来石的晶体相，低钙高铝粉煤灰中含有232％～20％的莫来石，而高钙粉煤灰中的莫来石通常不超过60％。高钙粉煤灰中莫来石含量比较低的原因主要为：AlO更可能以铝酸三23钙和黄长石的形式结晶；低等级煤中AlO的含量相对比较低。23
②石英（SiO） 粉煤灰中的石英主要来源于煤燃烧过程中未来2得及与其他无机物化合的石英颗粒，不同种类煤的粉煤灰中的石英含量没有很大差异。一些粉煤灰中SiO分析值有一半以上都属于非活性2石英，因此，通过粉煤灰中SiO含量来估算粉煤灰的火山灰活性是不2准确的。
③磁铁矿（FeO）/尖晶石铁酸盐（Mg，Fe）（Fe，Al）O/赤3424铁矿（FeO） 粉煤灰中的磁铁矿是以纯的FeO形式存在，如果2334是尖晶石铁酸盐，则Al、Mg和Ti可能会取代Fe。所有粉煤灰中磁铁矿含量都比较接近，尖晶石铁酸盐、赤铁矿在所有粉煤灰中都能测出，赤铁矿通常在低钙粉煤灰中较多，而高钙粉煤灰中则比较低。
粉煤灰中这些含铁矿物可能来自煤中的黄铁矿，黄铁矿通常以各种尺寸分布于煤中，在煤燃烧过程中黄铁矿的行为将在很大程度上影响晶体颗粒的形成，褐煤粉煤灰中晶体的势能比其他煤的粉煤灰更高。
FeO的分析值在活性的玻璃相与惰性的晶体相氧化物中的比例23将显著地影响粉煤灰的活性，因此，仅根据SiO+AlO+FeO的总22323量来评定粉煤灰的火山灰活性也是不确切的。
④硬石膏（CaSO） 硬石膏是高钙粉煤灰的特征相，但在其他4种类的粉煤灰中也可发现。CaO和炉内或烟道气中的SO、O反应生22成CaSO，粉煤灰中有一半左右的SO可以生成CaSO，其他硫酸盐424主要为（Na，K）SO。硬石膏可以与可溶性的铝酸盐发生生成钙24矾石，因此粉煤灰中的硬石膏是比较重要的矿物相，将影响粉煤灰的自硬性特征。
⑤铝酸三钙（3CaO·AlO） 铝酸三钙是粉煤灰中重要的矿物23相，根据粉煤灰中铝酸三钙的量可以区分或定量判断钙矾石的形成是否为有利的自硬性反应还是有害的铝酸盐膨胀反应。所有高钙粉煤灰中都能发现铝酸三钙矿物相，有一半左右的中钙粉煤灰中也能发现铝酸三钙，但因为铝酸三钙的XRD峰通常与默硅镁钙石、莫来石和赤铁矿的XRD峰交叠，所以很难定量确定粉煤灰中铝酸三钙的含量。
⑥黄长石［Ca（Mg，Al）（Al，Si）O］/默硅镁钙石227［CaMg（SiO）］/方镁石（MgO） 这些矿物的出现通常都与粉342煤灰中MgO的含量有关，在XRD图中，黄长石和默硅镁钙石的XRD峰与硬石膏、铝酸三钙的XRD峰交叠，所以研究中容易被人所忽略。方镁石是高钙粉煤灰中的基本矿物相，中钙粉煤灰中也是普遍存在的矿物相，但方镁石也可能存在于低钙粉煤灰中。
粉煤灰中有一半以上的MgO是以方镁石的形式存在的。方镁石主要来源于煤中的有机物，黄长石和默硅镁钙石在冶金渣中是比较普遍的，通常当渣从熔融状态开始冷却时可通过结晶形成，粉煤灰中这两种矿物的形成可能类似于冶金渣中的形成机理。澳大利亚有一种褐煤含有非常高的MgO，同时含有比较高的硫，虽然这种煤的粉煤灰用作水泥和混凝土的掺和料不太令人满意，但用于配制一种快硬水泥性能则非常优异。
⑦石灰（CaO） 所有高钙粉煤灰中都能测出石灰的存在，大部分中钙粉煤灰和一部分低钙粉煤灰也发现一小部分为石灰形成，即所谓的游离氧化钙。高钙粉煤灰中的CaO分析值绝大部分来源于与煤中有机物结合的矿物。（3）粉煤灰中晶体矿物含量范围 钱觉时教授通过对比北美地区和我国一些粉煤灰中矿物相的异同，结果表明，不同地区不同种类粉煤灰中的矿物相差异较大，这种差异使得不同的粉煤灰使用效果、资源化程度差异比较大，或者说应根据粉煤灰中的矿物相来确定粉煤灰的品质，而粉煤灰的化学成分只能作为一种参考。（4）粉煤灰中晶体矿物相特征 Biggs等采用透射电子显微镜和反射光学显微镜对粉煤灰中几种主要晶体矿物，如尖晶石铁酸盐、赤铁矿、莫来石、石英、石灰等的特征进行观察。其中尖晶石铁酸盐与石灰等晶体不容易区分，将粉煤灰颗粒经过磁选，分成富磁性颗粒和非磁性颗粒，而富磁性颗粒主要有三种矿物相：尖晶石铁酸盐、赤铁矿物和各种组成的玻璃体，非磁性颗粒主要由石英、莫来石、赤铁矿、石灰等晶体矿物以及玻璃体组成。
在磁性较强的颗粒中，尖晶石铁酸盐和赤铁矿可以根据其光学性质和晶体特征进行区分。尖晶石铁酸盐为各向同性，反射率低到中等，垂直入射光下为灰色至蓝灰色，赤铁矿中等反射率，垂直入射光下呈浅蓝色至灰色。粉煤灰中尖晶石铁酸盐晶体通常呈树枝状和八面体状，树枝状是容易见到的形式，树枝状尖晶石铁酸盐晶体和黑色硅酸盐玻璃体的连续相同生，其大小、长度以及分枝的复杂程度是多变的，更为复杂的网状、细密分枝晶体也较易见。这种树枝状晶体特征通常认为是快速结晶的结果。薄片状的赤铁矿通常从空气-晶体界面沿着尖晶石铁酸盐的（111）面向内生长，因此，赤铁矿被认为是尖晶石铁酸盐氧化或由磁铁矿转变而来。
所有非磁性粉煤灰中都有石英，但粗颗粒中石英较多，对于很薄的试样，石英颗粒清晰，是形状不规则碎块。有些石英颗粒是单晶，有些是多晶，不过所有石英晶体都有相同形貌。粉煤灰中莫来石晶相有序度较差，介于硅线石和红柱石之间。在很薄试样中，莫来石和石英比较相似，但莫来石可以可根据其比较高的反射率和多色性来加以区分。Biggs等观察到莫来石是以圆形和不规则形状的多晶形式出现的比较小的晶体颗粒，偶尔可见一些15μm左右的颗粒全部由莫来石组成，莫来石被认为是黏土矿物高温分解形成的。
因为石灰为各向同性，所以比较难以通过显微镜与硅酸盐玻璃体加以区分，Biggs利用X射线进行区分两者，未进行磁选的粉煤灰出现很高的X射线衍射峰，该峰被认为是石灰的特性，磁选后该峰强度更为明显。而将这些试样浸泡于水中一段时间，再烘干进行X射线分析，发现该强衍射峰消失。对这些试样中石灰特征进行观察，石灰多为分散球状颗粒的白色薄片，显微镜观察结果显示石灰相很少与其他晶相或矿物相共生，即粉煤灰中的石灰相是单独存在的，这一点与重力分选、溶解性及X射线分析的结论是一致的。粉煤灰中单独的石灰相也表明，在母岩方解石开始分解的温度范围内没有其他离子参与反应。
在非磁性粉煤灰部分还可以发现未燃烧或部分燃烧的煤。完全未燃烧的煤颗粒为有角的不规则形状，低放大倍数下可以观察到煤的层状结构，在垂直入射光和反射光下可以辨别出煤的显微结构，部分燃烧的煤多以球状的碳或其他碎块形成出现，有些部分燃烧的煤呈暗色、多边或类似花边的形状。
Scheetz等采用微聚焦Raman光谱对粉煤灰中晶体相分析结果显示，粉煤灰中石英有结晶良好的，也有结晶度较差的，通常结晶度一-1般，最好情况下可以观察到10条光谱线，但除了461cm的特征线比较明显外，其他都比较弱。同时还发现硬石膏的Raman光谱测试结果受扫描次数的影响比较大，每次扫描时间为70min，在开始二次扫
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