主要化学成分及分类

粉煤灰的 70%以上通常都是由 SiO2、Al2O3和 Fe2O3( Fe2O3+ Fe3O4) 组成的，典型的粉煤灰中还含有 CaO、MgO、TiO2、K2O、Na2O 和 SO3、P2O5等氧化物，粉煤灰的经验式为 Si1 0Al0 45Ca0 51Na0 047Fe0 039Mg0 020K0 013Ti0 011( Iyer，2001) 。

我国和世界其他国家或地区粉煤灰的化学成分列于表 3 4。从表中可以看出，我国 35个火电厂粉煤灰的统计结果与 100 多个火电厂 365 个粉煤灰样品统计所得结果并没有太大差别 ( 刘巽伯等，1995; 袁春林等，1998) ，只是后者的分析结果更为全面，还包括有1 29% 的 TiO2，0 06% 的 MnO 和 0 28% 的 P2O5。与其他国家相比，除高钙粉煤灰 ( CaO >10% ) 外，主要氧化物含量基本相 近，均 表现 出 高 硅低 铝特征，Al2O3/ SiO2质量比在0 36 ～ 0 59 之间，平均为 0 49，若除去高钙粉煤灰则 Al2O3/ SiO2质量比为 0 51。我们曾对 15 个燃煤电厂粉煤灰的化学组成做过统计 ( 邵龙义等，2004) ，得到 Al2O3的含量为15 16% ～ 36 10% ， 平 均 26 10% ; SiO2的含量为 43 9% ～ 60 12%，平均 51 54%;Al2O3/ SiO2质量比为 0 30 ～0 74，平均为 0 51。

表 3 4 准格尔电厂粉煤灰与其他国家或地区统计的粉煤灰的化学成分对比 ( %)

资料来源: a 刘巽伯等，1995; b 袁春林等，1998; c 庆承松等，2003; d Swaine 等，1995; e Massazza 等，1998。

准格尔电厂粉煤灰的化学成分 ( 表 3 4) 与首钢电厂以及其他国家或地区粉煤灰的化学成分有很大不同，特别是在 Al2O3和 SiO2含量上。准格尔电厂粉煤灰明显具有高铝低硅特征，Al2O3/ SiO2质量比高达 1 5，是一般粉煤灰的 3 倍左右，并且粉煤灰中 Fe2O3的含量也明显低于其他各国的平均值，仅有 1 95%。CaO 含量只有 4 22%，按照 CaO 含量小于 10%划分，应属低钙粉煤灰。粉煤灰中其他氧化物的含量也并不高，MgO、K2O 和Na2O 的含量均在 1% 以下。另外，准格尔电厂粉煤灰中还含有 2 22% 的 TiO2。通常而言，TiO2也是粉煤灰中的常见氧化物，但其含量一般不高，粉煤灰中的钛主要来自煤中的金红石或钛铁矿。

美国材料与测试协会 ( ASTM) 根据粉煤灰中氧化物的含量将粉煤灰分为两大类，即C 类灰和 F 类灰 ( ACAA，2003) ，C 类灰中 SiO2+ Al2O3+ Fe2O3≥50%，F 类灰中 SiO2+Al2O3+ Fe2O3≥70%; C 类灰通常来源于亚烟煤，主要含硫铝酸钙玻璃体以及石英、铝酸三钙和游离石灰 ( CaO) ，C 类灰也被称为高钙粉煤灰，因为它通常含有超过 20% 的 CaO。F 类粉煤灰通常来源于烟煤或无烟煤，主要含硅铝酸盐玻璃体，石英、莫来石、磁铁矿也有存在，F 类粉煤灰或称为低钙粉煤灰，CaO 含量不超过 10%。

按照 ASTM 的分类，准格尔电厂粉煤灰中的 SiO2+ Al2O3+ Fe2O3= 89 71% ，≥70% ;CaO = 4 22% ， < 10% ，应属 F 类粉煤灰，但这一粉煤灰并非来自于烟煤或无烟煤，而是来自于亚烟煤 ( 长焰煤) ，这种情况并不多见。

Roy 等 ( 1982) 首先将粉煤灰中的氧化物分为 3 类: 硅铝质氧化物 ( SiO2+ Al2O3+TiO2) ; 钙质氧化物 ( CaO + MgO + K2O + Na2O) 和铁质氧化物 ( Fe2O3+ SO3) ，然后根据粉煤灰中这 3 类氧化物的比例将粉煤灰分为七大类，即硅铝型、铁硅型、铁型、铁钙硅型、钙质型、钙硅铝型和中间型 ( 图 3 6) 。不过在目前情况下这样划分粉煤灰的类别似乎过于细化，通过这种分类方法可以看出，粉煤灰中不同氧化物的相对比例变化是非常大的。准格尔电厂粉煤灰中硅铝质氧化物含量为 89 98%，钙质氧化物含量为 5 56%，铁质氧化物含量为 2 82%，按照 Roy 等的三角图解分类法，准格尔电厂粉煤灰应属于硅铝型粉煤灰 ( SiO2+ Al2O3+ TiO2> 88% ) 。

图 3 6 粉煤灰分类图( 左图据 Roy 等，1982; 右图据 Vassilev 等，2007)

Vassilev 等 ( 2007) 同样根据粉煤灰化学组成采用三单元分类法，但单元氧化物组合与 Roy 等 ( 1982) 不同，Vassilev 等采用了 ( SiO2+ Al2O3+ K2O + TiO2+ P2O5) 、 ( CaO +MgO + SO3+ Na2O + MnO) 和 ( Fe2O3) ，根据化学组成将粉煤灰划分为硅铝型、钙硅铝型、铁硅铝型、铁钙硅铝型 4 类 ( 图 3 6) 。按此分类，准格尔电厂粉煤灰仍然属于硅铝型粉煤灰。

由此可以看出，上述分类方法并不能真正反映准格尔电厂粉煤灰的高铝、低硅特征，因为这些分类均将粉煤灰中的主组分 SiO2和 Al2O3结合作为其中一个单元划分。

根据粉煤灰的酸性模量 ，可将粉煤灰分为强碱性 ( < 1) 、碱性 ( 1 ～2) 、中性 ( 2 ～ 3) 、弱酸性 ( 3 ～ 10) 、酸性 ( 10 ～ 20) 和强酸性 ( > 20) 6 种( 钱觉时，2002) 。求得准格尔电厂粉煤灰的酸性模量为 4 2，属于弱酸性粉煤灰 ( 3 ～10) 。按照 Vassilev 等 ( 2007) 的三角图分类方案划分，准格尔电厂粉煤灰应属于高酸性粉煤灰。

通常研究粉煤灰的化学组成多采用 SiO2-Al2O3-CaO 的三元系统来分析。粉煤灰与同属于此三元系统的高炉矿渣、火山灰、硅酸盐水泥、玻璃等都比较类似。但粉煤灰的化学组成因受多种因素的影响波动很大，不同地区的粉煤灰，甚至同一电厂的粉煤灰，因为燃煤来源和煤质的变化，其化学组成差异也很大。表现在 SiO2-Al2O3-CaO 三元系统图中，粉煤灰的分布区域比高炉矿渣等要宽广得多。将准格尔电厂粉煤灰的化学组成绘在 SiO2-Al2O3-CaO 三元系统图中可以看出，该数据点的位置并未处于已知的区域 ( 图3 7a) 和常见的粉煤灰化学组成范围内 ( 图 3 7b) ，而是处于一个相对独立的区域 ( 图3 7) 。

图 3 7 SiO2-Al2O3-CaO 三元系统图

我们将准格尔电厂长焰煤 ( 亚烟煤) 粉煤灰采用常规化学分析、能谱面分析 ( 1 56 ×105μm2) 、能谱点分析 ( 2、3、6、7 号样品共 166 个数据点) 和煤样高温灰化 ( 810℃，1 5 h) 后 ICP-AES 法分析，测得结果与美国亚烟煤的煤灰化学组成范围 ( 表 3 5) 相比，可以发现，各种分析方法中，除 Al2O3结果外，均未超出美国公布的亚烟煤煤灰化学组成范围。但从这些分析数据也可以看出，不同分析方法所得结果有所偏差，特别是能谱点分析所得的平均值误差最大，这是由于能谱点分析在选择分析位置时存在明显的人为因素。能谱面分析时所选微区范围一般有限，样品分析得出的数据代表性相对较差。所以，对粉煤灰常量元素分析时以选择常规化学分析方法为宜。

表 3 5 不同方法测得的准格尔电厂粉煤灰化学成分及其与其他资料之对比 ( %)

资料来源: a 王晓林等，2000; b Wesche，1991; c 刘巽伯等，1995。

由于电厂燃煤的燃烧温度 ( 1200 ～ 1700℃) 远远高于煤样分析时高温灰化的温度( 800℃) ，所以造成粉煤灰的氧化物含量通常要高于煤样灰化所得结果，高温燃烧常常使得元素更加富集，但也存在少数挥发性元素在高温下挥发导致含量相对下降的可能性。再者，煤样分析所得结果基本上包括了煤中所有元素，而粉煤灰的化学成分分析中通常是排除了底灰、结渣和沾污三部分，这也是造成煤样分析结果与粉煤灰不一致的重要原因之一。

根据袁春林等 ( 1998) 对静电除尘粉煤灰的研究成果，粉煤灰的主要造岩元素氧化物平均值与煤的平均值基本一致，最大误差为 3 6% ( 铁) ，最小仅为 0 07%，说明煤经过燃烧形成粉煤灰的过程中，造岩元素的增减不很明显。对于铁含量变化的解释是数据采用总铁 ( FeO + Fe2O3) 表示，粉煤灰中铁主要以 Fe3 +形式存在，即以 Fe2O3( 赤铁矿)为主，而煤中 Fe2 +在全部铁中所占比例要高得多，即以 Fe3O4( 磁铁矿) 为主，Fe3O4与Fe2O3的分子量原子单位比为 0 967，即相差 3 3%，如果加上层状矿物中以 Fe2 +形式存在的铁，此差值还要大些。故粉煤灰的主要元素平均含量与煤中杂质的主要元素平均含量基本一致。

整体而言，准格尔电厂粉煤灰的化学成分与煤样灰化所得化学成分大同小异，都具有高铝、低硅特征。其中 SiO2含量误差较大，为 7 36%，这可能与高温下 SiO2的分解挥发有关。Miller 等根据 SiO2与碳共存进行加热反应的结果指出，SiO2在高于 1300℃时按下式分解 ( 任国斌等，1988) :

SiO2+ C→SiO ( 气) + CO ( 气)

Al2O3的含量误差不大，为 3 18%，Fe2O3和 CaO 的含量误差均不超过 2 5%，MgO、K2O 和 Na2O 的含量误差均在 0 4% 以下。当然，这其中还包括测试方法不同而造成的误差。总体而言，准格尔电厂煤样灰成分与粉煤灰的化学成分差异不大，但将准格尔电厂粉煤灰的化学成分与美国典型的 C 类灰和 F 类灰相比，存在明显不同，Al2O3含量分别高出36% 和 27% ，SiO2含量分别降低 4 86% 和 19 86%。产生这种特殊粉煤灰的原因，同样与煤中富含高岭石和勃姆石矿物以及缺乏常见石英矿物有关。

关于高铝粉煤灰的划分方法目前没有统一的定义。国内有人提出按照粉煤灰中 Al2O3≥30% 划分，据此统计 ( 1986 年资料) ，超过这一数值的粉煤灰占 18 3% ，约 800 × 104t( 张A，2001) 。根据世界各国粉煤灰化学组成的平均含量 ( 表 3 4) 和组成范围 ( 表3 5) ，参考Ⅲ级高铝黏土 ( Al2O3≥50%) 、高铝质耐火材料 ( Al2O3≥48%) 、烧结莫来石 M45 ( Al2O3≥43%) 标准 ( YB/T5267—2005) 和黏土质耐火材料 ( 一般要求 Al2O3≥36% ) 的划分方法，作者认为高铝粉煤灰的划分将界限定在 Al2O3≥35% 较为适宜，利用粉煤灰制备硅铝铁 ( 钡) 合金成分的技术指标也要求铝含量大于 35%。但无论怎样划分，准格尔电厂粉煤灰都属于高铝粉煤灰。

难燃煤和易燃煤成分差异很大的。

煤炭是千百万年来植物的枝叶和根茎，由于地壳的变动不断地埋入地下，长期与空气隔绝，并在高温高压下，经过一系列复杂的物理化学变化等因素，形成的黑色可燃沉积岩。

碳化完全的煤炭主要成分是碳，燃烧时烟很少，俗称无烟煤，难以点燃，非常耐烧，含热量高。如果碳化不完全，煤炭中含有大量的挥发性成分，挥发性成分受热受，挥发出来，很容易点燃，形成大量的烟，俗称烟煤。烟煤容易容易点燃，但烟很多，常用于化工生产，例如炼焦，合成甲醇等。