作为世界最大的煤炭产出国和消费国，我国每年对煤炭的消耗量足占全球的51.7%。照现在的形势看，在未来长时间内我国仍会以煤炭为主要能源，如此一来一半以上的煤炭资源就会一直用于燃煤发电，这个过程中排放的大量粉尘和有害气体都会对人及环境造成严重的危害。

为了避免这部分危害，对这些废弃物进行二次利用是最好的解决途径。比如说燃煤后产出的主要固体废弃物粉煤灰，就可以通过提取其中的有用组分来创造可观的经济效益，同时也缓解了环境污染问题，可谓是一石二鸟！

粉煤灰

一、粉煤灰中的空心微珠

粉煤灰主要由SiO₂、Al₂O₃、Fe₂O₃、CaO等氧化物组成，并含有少量未燃炭残渣。由于燃煤种类及燃烧条件的差异，粉煤灰中主要氧化物的含量变化范围很大，主要氧化物的含量见下表。

粉煤灰主要氧化物含量范围

其中，可被提取出来的有用组分有：空心微珠、磁珠、残炭、氧化铝和稀有金属元素等。根据其物化性质差异，再利用选矿分离技术，就可以有效地将粉煤灰中有用组分提取出来。提取质后的粉煤灰可以用于建筑领域，工程效果更佳。

其中，空心微珠的形成过程如下：

炉膛内煤粉的燃烧是一个复杂的反应过程，包含多相态的变化阶段。煤粉在炉腔内的整个过程时间很短暂，大约只有几秒钟。

煤中有三种物质：有机碳、晶体和无定形物质。煤在高温作用下，有机成分燃烧，温度随之升高，导致熔点较低的已固化和部分熔融物质的分解、脱水、脱羟基和脱碳。在这一阶段，产物主要由铝硅酸盐组成的非晶态玻璃相（29~90%）和一些结晶相组成。微晶混合物由石英、石灰、方镁石、硬石膏、菱铁矿、长石和铁素体尖晶石（FeAl₂O₄）、莫来石、赤铁矿、铝酸盐和钙铁氧体组成。

随着对熔点较高的石英和长石等剩余组分的加热，在固液相互作用下，会有新的矿物相形成，在这一阶段，会有水泡状、致密的球形颗粒生成。在1000~1200℃左右，在还原气氛下含铁量高的铝硅酸盐和铁素体被熔化，还会出现低硅质硅矿石、铁素体液相、铁硅碱以及铝硅酸盐熔体的液滴。随着温度的进一步升高，已熔融的玻璃相会捕获未熔融的单体石英颗粒并将其部分溶解，这一过程的发生，会使SiO₂/Al₂O₃比增加，会导致熔融体的黏度和表面张力的变化。

粉煤灰颗粒形成的过程示意图

由于润湿性参数和相互作用时间短，单个熔融小液滴合并成较大的液滴，而硅酸盐和含氮熔融组分之间的熔融关系保持不变。在这一阶段，会有空心微珠的形成。对于形成过程，提出了两个假设：

1.最广为接受的一种说法是，煤中有机物、碳酸盐、硫化物、硫酸盐、水硅酸盐、氮的分解和孔隙水的蒸发形成了致密的气体，这些气体被困在熔融的微球中。气体在高温下的运动会使熔融微球液滴膨胀，最终形成不同粒径的中空球形颗粒。

2.另种说法是，熔融液滴在炉膛高温区时，热烟气可以渗透进中，熔融液滴在低温区冷却后，这些气体仍旧留在其中，形成中空球形颗粒。凝固后，这些中空球形颗粒被称为空心微珠。

二、提取空心微珠的方式

空心微珠是20世纪五、六十年代发展起来的一种中空的微米级圆球粉末状超轻质无机非金属材料，因性能优异，被誉为“复合材料之王”、“新时代的空间材料”、“魔粉”，是二十一世纪高端复合材料的主流品种，具有质轻、强度高、隔热保温、流动性好、耐腐蚀等诸多独特的特点。

1973年在美国匹兹堡国际灰渣会议上，毕特华博士（B eclow）就论述了从粉煤灰中提取空心微珠的可能性，以及它的优良性能，而美国飞利特公司也由此开始着手开发粉煤灰空心微珠，并以商品的形式在市场上销售。

空心微珠及粉煤灰中飘珠的形貌图

而我国由于政策支持，对空心微珠的研究和应用也在逐年增强。其中，粉煤灰空心微珠因为原料丰富、变废为宝、价格低廉等优势，越发受到人们关注——毕竟人造珠售价高达300~500元/公斤，而从粉煤灰中提取的多用途空心玻璃微珠成本不超过0.05元/公斤，这真的很有诱惑力。

目前，从粉煤灰中提取空心微珠主要分湿选法和干选法。

①湿选法

湿选法需要利用大量的水资源，主要是利用空心微珠的可浮性从粉煤灰排放池的表面漂浮物中提取，不过分选出的空心微珠还需要烘干，因此对水资源以及电能的消耗较大。

例：李云凯等首先对电厂粉煤灰进行高压冲洗预处理，使灰珠分离，然后利用空心微珠较好的可浮性进行浮选，进一步提纯后得到产品。

杨久俊等采用水力旋流器分选提取粉煤灰空心微珠，微珠提取率在20~60%，分选分级粒度为28~250μm。

LiJ等报道了逆流分级机，分选原理基于终端末速度，颗粒终端末速度大于水流速度，颗粒在底流中，颗粒终端末速度小于水流速度，颗粒在溢流中。空心微珠的回收率可以达到78%。

湿法（左）和干法（右）粉煤灰空心微珠分选设备运行示意图

②干选法

由于越来越多的电厂采用干排以保证粉煤灰的活性，因此干选法开始成为一种提取粉煤灰中空心微珠的有效手段。根据电厂排放粉煤灰的方式，可以选择不同的分选方法对其进行有效回收。

例：李蔓球等报道了SFX-1型旋风分选器，颗粒在设备内部主要受离心力和气流阻力共同作用，颗粒所受离心力大于气流阻力时，颗粒下沉至底部排出，颗粒所受离心力小于气流阻力时，颗粒经细灰出料口由气流带出。粉煤灰颗粒在分选室所受气流阻力与离心力相等时，可求得分级粒度，通过调节气流大小，可分选不同粒度的粉煤灰，分选产物中存在磁珠和碳粒等杂质组分。

Hirajima T等使用细川公司制造的微米分选器取得了不错的效果，在给料量为170 kg/h，且给料中空心微珠含量为 20%时，对粉煤灰和空心微珠混合物的分选效果进行了测试，结果表明，理想条件下的空心微珠回收率为66%。同一团队进行了进一步的研究，比较了微米分选器和气动分选器，给料量为100 g/min，空心微珠的最大回收率为63%，分选效率低于微米级分选器。

三、粉煤灰空心微珠的应用

粉煤灰空心微珠主要由二氧化硅和金属氧化物组成，具有质轻高强、耐高温、绝缘性好等特性，广泛应用于建筑行业、航空航天、耐火保温和绝缘材料制造等领域。

①建筑行业

空心微珠是一种微小的球形颗粒，在混凝土混合物中起着微型球轴承的作用。由于球轴承效应，在常规混凝土混合料中加入空心微珠，当用量在1~5%之间时，可提高其性能。空心微珠的超细度也能提高混凝土的可抛光性和可擦洗性。此外，空心微珠对混凝土强度和密度也有积极的影响，因为它们表现为结构骨料，具有更好的充填性。

此外，空心微珠作为一种添加剂掺入混凝土时，由于其空心球形，还可以提供额外的隔音和隔热效果。此外，空心微珠还有助于建筑用石膏、涂料和砂浆的隔热（声和热）质量。

②复合材料

空心微珠具有的独特性能，使其可以作为铝、镁、铅等金属基体（有色金属）加固物或填充物。由于空心微珠具有低密度、高熔点和球形等特性，铝复合材料中加入50～60%的空心微珠时，表现出有效的微观结构。

空心微珠也可以用作许多聚合物复合材料的填料，如通过在聚酯基体中使用可控尺寸和改性空心微珠，可以制造轻质高强度聚酯材料；基体材料与空心微珠混合而成的合成泡沫材料具有吸湿性少、浮力好、强度高、抗损伤性和吸能性强等优点，可用于船舶，航空航天和汽车制造产品来承受高静压负载。

此外，用空心微珠制备陶瓷隔热材料，能用于制造可重复使用的航天飞机陶瓷隔热材料，保护航天飞机的主要结构。

③石油工业

空心微珠在石油工业中应用较为广泛，如在有多种用途的钻井过程中，空心微珠被用作钻井泥浆的添加剂，它可以充分帮助钻井，并增加钻井设备的使用寿命。此外，空心微珠被用来制造井内胶结物，用来填充铸件和井间的空间，以防止地下水的渗入或将不同的井分开。这些由空心微珠制成的油井水泥重量轻、价格便宜，具有高强度和隔热等特性。以及空心微珠还可以作为轻质剂，减少循环过程中的水泥漏失，同时又足以抵抗井下条件。

④医学工程

空心微珠在制药工业中也被用作药物的运输剂。空心微珠体积小，形状接近完美的球形，可作为药物在人体中的输送设备。目前，利用空心微珠治疗癌症的方法也被使用。在这种技术中，空心微珠微珠浸泡在钇的同位素（β辐射）中，然后注入人体，释放辐射，导致肿瘤组织损伤。

资料来源：

粉煤灰空心微珠精细化分选方法研究，祁超。

粉煤灰资源化综合利用研究进展及展望，李博琦，谢贤，吕晋芳，朱辉，黎洁，康博文，宋强。

空心微珠简介，王勇，高勇，钟家湘。

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