引言
隨著人們環(huán)保意識(shí)的日益增強(qiáng)，燃煤火力發(fā)電對(duì)大氣環(huán)境的污染引起了人們的高度重視。鑒于循環(huán)流化床(CFB)鍋爐具有低成本、高效脫硫和低NO 排放等優(yōu)點(diǎn)，它已成為當(dāng)前煤炭潔凈燃燒的首選爐型。CFB 鍋爐具有燃料適應(yīng)性廣的特點(diǎn)，可以以此為平臺(tái)實(shí)現(xiàn)能源的綜合利用：① 使一些低級(jí)資源能源化。目前已開(kāi)發(fā)出燃燒石油焦、污泥、生物質(zhì)、垃圾廢棄物等類(lèi)型的CFB鍋爐并取得成功；② 與其他能源或原材料加工系統(tǒng)整合，實(shí)現(xiàn)能源高效利用。目前，以CFB鍋爐技術(shù)為基礎(chǔ)的IGCC系統(tǒng)、PCFBC系統(tǒng)、PGCFB—CC系統(tǒng)均已開(kāi)發(fā)成功并產(chǎn)業(yè)化，今后將繼續(xù)朝著大型化和優(yōu)化運(yùn)行方向發(fā)展。因此，CFB鍋爐技術(shù)得以迅猛發(fā)展。1 CFB鍋爐飛灰和底渣特性及其應(yīng)用影響CFB鍋爐灰渣特性的因素較多：
(1)燃料種類(lèi)。無(wú)煙煤的飛灰含量普遍較高，有的高于20％ ，平均粒徑達(dá)到53 m；生物質(zhì)燃料灰渣的熔點(diǎn)較低，易結(jié)渣，灰分主要以鐵、鈣、鋁、鉀和鈉為主，與煤飛灰的化學(xué)組成明顯不同；城市垃圾灰中大多含有一定量重金屬離子，如鉛、汞等 。
(2) 煤種特性。劉彥鵬，王勤輝等人在一臺(tái)0．5 MW 的CFB燃燒試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了4種不同煤種的燃燒試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果為：① 揮發(fā)分高、灰分含量低的煤種在燃燒過(guò)程中產(chǎn)生更多的細(xì)灰渣顆粒，其底渣中細(xì)顆粒的份額也比較高，底渣的平均粒徑與給煤顆粒的平均粒徑差別較大。而且，灰渣大部分以飛灰形式排出。②煤種對(duì)所產(chǎn)生的飛灰顆粒粒徑分布影響不大，但飛灰含碳量卻隨著煤中碳分的增加而增加；對(duì)于同一燃燒裝置，底渣含碳量隨燃煤灰分的增加而增加 。
(3)處理T藝、鍋爐運(yùn)行環(huán)境、季節(jié)變化、負(fù)荷變化以及操作人員的差異等，都會(huì)使CFB鍋爐灰渣的特性產(chǎn)生較大的變化，但規(guī)律性不明顯。例如，為了提高脫硫效率，CFB鍋爐運(yùn)行中采用了爐內(nèi)添加石灰石脫硫技術(shù)，其灰渣與普通煤粉的灰渣在形態(tài)、粒度、化學(xué)性質(zhì)等方面有很多不同之處，以致于很難用常規(guī)的灰渣利用方式對(duì)其進(jìn)行處理。本文僅分析一種典型的CFB鍋爐灰渣與煤粉爐灰渣特性的差異及其應(yīng)用。
1．1 CFB鍋爐和煤粉爐灰渣特性分析
與煤粉爐相比，典型的CFB鍋爐具有燃料中摻加石灰石粉實(shí)現(xiàn)爐內(nèi)脫硫、燃燒溫度低、蓄熱量大、底渣在爐膛中停留時(shí)間較長(zhǎng)、排灰量較大等特點(diǎn)，因此，兩者產(chǎn)生的灰渣在物理和化學(xué)特性等方面具有明顯的不同。CFB鍋爐灰渣又分為F類(lèi)低鈣灰和c類(lèi)高鈣灰，本文僅對(duì)燃燒褐煤或亞褐煤所形成的高鈣灰 (SiO2+AI2O3+Fe2O3≥50％)進(jìn)行分析，具體分析結(jié)果見(jiàn)表1。
1．2 CFB鍋爐飛灰與常規(guī)粉煤灰的區(qū)別
1．2．1 CaO含量高
為了達(dá)到國(guó)家規(guī)定的脫硫效率，滿足環(huán)保要求，CFB鍋爐設(shè)計(jì)的Ca／S一般都大于2，因此，CFB鍋爐飛灰中含有大量未反應(yīng)的CaO(超過(guò)10％ )。國(guó)外把CaO含量超過(guò)10％ 的粉煤灰稱(chēng)為C類(lèi)灰，低于10％ 的稱(chēng)為F類(lèi)灰。C類(lèi)灰本身具有一定的水硬性，這是由于游離的CaO激發(fā)灰渣中的活性SiO2 和活性A12O 3生成具有一定水硬性的凝膠類(lèi)物質(zhì)，同時(shí)CaO水化硬化以及由CaSO4 參與的水化反應(yīng)生成了強(qiáng)度較高的Ca(OH)2和一些水泥水化礦物如鈣礬石，因此c類(lèi)灰可作水泥混合材。F類(lèi)灰常做混凝土摻和料，它的水化熱比C類(lèi)灰低。但是，CaO的水化硬化反應(yīng)時(shí)問(wèn)比水泥中其他物質(zhì)長(zhǎng)，且CaO水化成Ca(OH)2體積增大很多，所以CaO含量高會(huì)帶來(lái)較大的體積膨脹，嚴(yán)重影響體積安定性，是建筑制品致命的隱患 。
1．2．2 Fe2O3+SiO2+A12O 3含量低
粉煤灰中Fe2O3、SiO2 、A12 O3 的含量直接關(guān)系到它作為建材原料的優(yōu)劣。這是因?yàn)榉勖夯业幕钚灾饕獊?lái)自活性SiO2，和活性A12O3在一定堿性條件下的水化作用。CFB鍋爐飛灰中含有 A12O 3、SiO2等活性成分，是一種活性骨料，可與膠凝材料發(fā)生界面反應(yīng)而提高界面強(qiáng)度，對(duì)混凝土抗彎強(qiáng)度的提高有利。但美國(guó)粉煤灰標(biāo)準(zhǔn)ASTM(618)中規(guī)定，用于水泥的C類(lèi)灰中，F(xiàn)e2O3+SiO2+A12 O3 的含量必須占總量的50％ 以上。而CFB鍋爐飛灰中三者的總量不足50％ ，對(duì)其應(yīng)用是不利的。而且，CFB鍋爐飛灰中含有過(guò)量的Fe2 O 3，SiO2 和A12 O3 偏少，對(duì)飛灰的活性更為不利。
1．2．3 S03 含量高
在粉煤灰中，一部分硫以可溶性石膏(CaSO4)的形式存在，它對(duì)粉煤灰早期強(qiáng)度的發(fā)揮有一定作用，因此，硫?qū)Ψ勖夯一钚允怯欣摹５S著脫硫效率的提高，CFB鍋爐飛灰中硫酸鹽的含量相應(yīng)提高，從而產(chǎn)生了體積膨脹，導(dǎo)致建材制品穩(wěn)定性差，同時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)混凝土中的鋼筋具有腐蝕作用。我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，作為建材使用的粉煤灰，其中SO3 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不得高于3％ E 6 。SO3 含量高是CFB鍋爐飛灰在建筑_『二程應(yīng)用方面的不利因素。
1．2．4 燒失量較高
由于CFB鍋爐爐溫較低，大量的惰性碳未充分燃燒，導(dǎo)致飛灰的燒失量較高。飛灰中的未燃碳粒疏松多孔，與其他物質(zhì)結(jié)合能力較差，對(duì)一些外加劑的使用效果產(chǎn)生不利影響，在做水泥、混凝土的摻合料時(shí)，具有較大的技術(shù)障礙。但由于飛灰中有一定的碳含量，國(guó)內(nèi)外大多采用飛灰回燃技術(shù)，提高飛灰燃盡度。
1．2．5 細(xì)度大
CFB鍋爐飛灰細(xì)度大。粉煤灰的細(xì)度影響早期水化反應(yīng)，是工程應(yīng)用的重要指標(biāo)，細(xì)度越大，說(shuō)明活性物質(zhì)越多，用于建材制作更有利。
1．2．6 堆積密度小
粉煤灰的堆積密度反映其顆粒排列的松緊程度。堆積密度愈大愈密實(shí)，孔隙率愈低，反之就愈松散。它是工程設(shè)計(jì)和施工中的重要指標(biāo)。CFB鍋爐飛灰的松堆積密度和壓實(shí)堆積密度均低于常規(guī)粉煤灰的最高限值，表明該種粉煤灰的可密實(shí)性不如常規(guī)粉煤灰，在工程中的應(yīng)用受到限制。
1．3 CFB鍋爐底渣與常規(guī)渣的區(qū)別
1．3．1 MgO含量低
低含量MgO使其工程安定性?xún)?yōu)于飛灰。
1．3．2 CaO含量高
CFB鍋爐底渣雖有一定的水硬活性，但在水泥生產(chǎn)應(yīng)用中卻受到限制，目前只有部分用作水泥添加劑，而大多只作一些較簡(jiǎn)單的利用，如制磚、鋪路和填土等。
1．3、3 Fe2O3 + SiO2+ Al2O3含量低
CFB鍋爐底渣中Fe2O3含量高，A12O3和SiO2含量低，F(xiàn)e2O3+SiO2+A12O3 三者總量低。
1．3．4 SO 3含量高
CFB 鍋爐底渣中SO 3含量較高，在建材應(yīng)用中可能產(chǎn)生由鈣釩石膨脹引發(fā)的耐久性問(wèn)題。但根據(jù)畢春麗等做的CFB鍋爐底渣在混凝土中的應(yīng)用研究試驗(yàn)，SO3 的溶解度與爐渣的細(xì)度有關(guān)，將CFB鍋爐底渣作為混凝土細(xì)骨料可減少SO 3溶出，且細(xì)骨料表面的活性物質(zhì)與水泥水化產(chǎn)物反應(yīng)生成的產(chǎn)物包裹在骨料表面，也可進(jìn)一步抑制SO3溶出，有效抑制鈣釩石生成，不存在SO3 安定性問(wèn)題 。
1、3．5 燒失量低
由于CFB鍋爐為低溫燃燒，且底渣在爐膛內(nèi)停留時(shí)間長(zhǎng)，所以燒失量很低，一般含碳量低于3％ [ 8]。結(jié)合底渣一定的水硬活性，可以直接用作水泥或其他建筑材料的原料。
1．3．6 比表面積小
由于底渣中含有較多的大顆粒，且呈不規(guī)則狀，表面不光滑，應(yīng)用于混凝土?xí)r，既影響了混凝土的流動(dòng)性和和易性，又使得它與水泥在包裹卵石時(shí)，空隙率增大，影響了混凝土的密實(shí)度與強(qiáng)度。如果用爐渣作為中砂的替代物，應(yīng)先將爐渣適當(dāng)磨細(xì)。由于底渣顆粒大小混雜，粗粒形成的孔隙被細(xì)顆粒充填，易形成緊密結(jié)構(gòu)，是建筑工程上作為回填使用的最理想的散體建筑材料。
1．3．7 堆積密度大
CFB鍋爐底渣的可密實(shí)性?xún)?yōu)于常規(guī)底渣，是優(yōu)良的工程材料。
2 CFB鍋爐灰渣的應(yīng)用現(xiàn)狀
目前，CFB鍋爐灰渣主要用于：
(1)提取未燃盡碳。CFB鍋爐飛灰中含碳量較高，常用電選法對(duì)其進(jìn)行提碳。飛灰經(jīng)過(guò)電選得到的精煤具有一定的吸附性，可直接用作吸附劑，也可用于制作粒狀活性炭或作為燃料用于鍋爐燃燒。
(2)提取金屬鐵。當(dāng)飛灰中Fe2O3 高于50％時(shí)，即有回收價(jià)值。據(jù)山東省比較，當(dāng)飛灰含F(xiàn)e2 O3高于10％ 時(shí)，磁選一年可回收15萬(wàn)t鐵精粉。其社會(huì)經(jīng)濟(jì)價(jià)值遠(yuǎn)優(yōu)于開(kāi)礦，環(huán)境效益不可估量。
(3)生產(chǎn)建筑材料。飛灰按其特性和質(zhì)量可分別用于制水泥、制磚、配置普通混凝土、骨料、鋪路、做廢棄礦井和采空區(qū)的填充料等。
(4)農(nóng)業(yè)利用。飛灰的農(nóng)業(yè)利用有兩條途徑：一是用于農(nóng)業(yè)的改土與增產(chǎn)；二是生產(chǎn)粉煤灰多元素復(fù)合肥。飛灰的農(nóng)業(yè)資源化是一個(gè)巨大的生態(tài)工程，今后應(yīng)加強(qiáng)這方面的基礎(chǔ)性研究，開(kāi)發(fā)更多的環(huán)保型產(chǎn)品和處理利用途徑。
(5)作脫硫劑。飛灰中含有大量的CaO，可通過(guò)回燃技術(shù)等重新送入爐膛進(jìn)行脫硫，從而提高燃料的燃盡率，并降低CFB鍋爐的Ca／S。
(6)廢物穩(wěn)定和固化。
3 結(jié)語(yǔ)
CFB 鍋爐作為環(huán)保型潔凈燃燒鍋爐，得以重點(diǎn)推廣，但CFB灰渣的處理問(wèn)題直接制約其發(fā)展，灰渣處理不當(dāng)極易造成二次污染，所以CFB脫硫灰渣的綜合應(yīng)用已引起國(guó)家的高度重視。目前，雖然已做了大量的研究工作，也取得了一些成果，但還遠(yuǎn)不能滿足CFB灰渣全部有效處理的要求。要解決好CFB灰渣綜合利用問(wèn)題，必須將其作為一項(xiàng)系統(tǒng)工程共同推進(jìn)。
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