循環(huán)流化床鍋爐灰渣用于公路工程的試驗研究

郭 華

(山西路橋集團晉南項目管理有限公司 太原 030006)

引言

盡管當(dāng)前國內(nèi)外針對循環(huán)流化床鍋爐灰渣在建筑材料領(lǐng)域的資源化利用開展了一定的研究，但對循環(huán)流化床鍋爐灰渣的分類、理化性質(zhì)無系統(tǒng)性研究，不能被廣泛應(yīng)用于無害化、大體量化資源化利用；循環(huán)流化床鍋爐灰渣的火山灰反應(yīng)較為緩慢，其強度在60d后或90d后才體現(xiàn)出來，總體來說，目前，尚不能實現(xiàn)循環(huán)流化床鍋爐灰渣大體積資源化利用，始終存在以上問題難以解決，從而制約了其科學(xué)、高效利用。

1 循環(huán)流化床鍋爐灰渣理化性能分析

1.1 循環(huán)流化床鍋爐灰渣的概念及產(chǎn)生

循環(huán)流化床鍋爐灰渣是是煤化工企業(yè)、火力發(fā)電廠采用循環(huán)流化床鍋爐(Circulating Fluidized Bed(循環(huán)流化床)的英文縮寫，簡稱 CFB)發(fā)電，從鍋爐煙道和爐底排出的飛灰和爐渣，屬于煤化工固體廢渣。CFB鍋爐的燃燒溫度為850～950℃，且采用爐內(nèi)噴鈣脫硫工藝，從而導(dǎo)致產(chǎn)生的CFB灰渣與溫度可達1200℃的燃煤電廠鍋爐排放粉煤灰有很大的差別。

1.2 循環(huán)流化床鍋爐灰渣理化性質(zhì)分析

1.2.1 化學(xué)分析及礦物組成分析

CFB爐渣和飛灰的主要化學(xué)成分均為SiO2、Al2O3、Fe2O3，這與傳統(tǒng)煤粉爐粉煤灰的成分基本一致，見表1。

表1 循環(huán)流化床鍋爐灰渣化學(xué)組成分析表

(1)李香遠等[1-4]認(rèn)為由于采用循環(huán)固硫技術(shù)，燃煤在流化床燃燒過程中完成固硫過程，而且循環(huán)流化床燃燒具備比較高的脫硫效率，因此固硫灰渣中含有比較高的 SO3，且由于固硫劑中只有20%～40%的CaO能夠參與固硫反應(yīng)，而且為了提高固硫效率。許先義等[5-8]認(rèn)為一般循環(huán)流化床中鈣硫比相對理論值要高一些，一般在2.0～2.5之間，隨著固硫劑加入，固硫灰渣中會產(chǎn)生游離氧化鈣，從而導(dǎo)致固硫劑中含有比較高的分解后殘留的游離氧化鈣。已有的研究顯示，固硫渣的化學(xué)組成根據(jù)不同地區(qū)、不同廠家、不同鍋爐以及廢棄灰渣排放時間的差異而存在較大變化。

(2)由以上分析得知，循環(huán)流化床鍋爐灰渣作為一種工業(yè)固體廢棄物，也可以作為一種應(yīng)用局限性的新型建筑材料存在，尤其是該種材料SO3含量較高，CFB爐渣為6.4%，CFB飛灰為5.2%，且均含有微量f-CaO不安定成分，同時，CFB飛灰CaO含量高，抗凍性差；CFB爐渣SO3超標(biāo)(4%～8%)，易產(chǎn)生膨脹。故而，該種材料暫適用于小型預(yù)制構(gòu)件(即采用CFB爐渣代換機制砂，CFB飛灰代換粉煤灰或礦粉，詳見后述)、改良土、采空區(qū)等，能否用于承重構(gòu)件、大型預(yù)制構(gòu)件、公路工程的關(guān)鍵部位，有待進一步研究。

1.2.2 物理分析及特性

以0.075mm為界，以上為CFB爐渣(通過率約10%)，以下為CFB飛灰(通過率約90%)，固硫灰為粉體狀，其比表面積一般在 300m2/kg左右，其45μm以上的顆粒比粉煤灰的略高。除此之外，循環(huán)流化床燃煤灰渣中含有較高的燒失量(約10%～15%，依各生產(chǎn)企業(yè)鍋爐型號不同各異)，主要以無定形炭的形式存在。

(1)CFB爐渣呈砂狀，具有連續(xù)級配，最大粒徑9.5mm見表2，具有疏松多孔性質(zhì)，壓碎值較大(30%～35%)，疏松多孔、吸水率大、堆積密度僅1100～1300kg/m3。

表2 循環(huán)流化床鍋爐灰渣顆粒組成分析表

(2) CFB飛灰細度較大，比表面積可達300～600m3/kg，其中Fe2O3含量較高，故而顏色偏紅，飛灰具有較好的水化活性，細度高,活性好，但需水量較大(>150單位)，在潮濕空氣中即可變硬板結(jié)。

以上分析進一步印證了1.2.1(2)的分析結(jié)果。

2 循環(huán)流化床灰渣重金屬浸出濃度及放射性

2.1 重金屬浸出濃度試驗(見表3)

表3 循環(huán)流化床鍋爐灰渣浸出毒性檢測結(jié)果表

2.2 放射性試驗(見表4)

表4 循環(huán)流化床鍋爐灰渣放射性檢測結(jié)果表

表3、表4分析結(jié)果表明：循環(huán)流化床鍋爐灰渣浸出濃度及放射性滿足要求。

3 循環(huán)流化床灰渣的應(yīng)用分析及實例

循環(huán)流化床鍋爐灰渣作為煤化工企業(yè)、火力發(fā)電廠的工業(yè)固體廢棄物，當(dāng)作一種建筑材料，確實存在一定的應(yīng)用局限性，但在公路工程中非承重構(gòu)件、非關(guān)鍵部位完全可以應(yīng)用。目前，CFB灰渣的應(yīng)用方向主要有小型預(yù)制構(gòu)件、采空區(qū)注漿填充、改良土工程， 2020年，以CFB灰渣為主要原材，在山西路橋在建項目大面積推廣使用，各項性能指標(biāo)滿足相關(guān)技術(shù)施工規(guī)范要求。

3.1 CFB灰渣改良土試驗。

張家家等認(rèn)為CFB灰渣具有自硬性，含有CaO、CaSO4，對土具有改性作用。圖1、圖2試驗表明，飛灰與爐渣均能顯著提高土體CBR，其中CFB爐渣效果更明顯。當(dāng)爐渣、飛灰摻量為10%時，完全滿足各等級公路路基路床填筑材料的CBR要求[9，10]。

圖1 CFB爐渣摻入土體后CBR變化曲線圖

圖2 CFB飛灰摻入土體后CBR變化曲線圖

3.2 CFB灰渣采空區(qū)注漿充填試驗。

針對公路采空區(qū)空間大、注漿充填材料水固比高、強度低的特點，結(jié)合CFB灰渣活性及高硫、高鈣膨脹性，研究開發(fā)了CFB灰渣注漿充填材料，水泥CFB飛灰雖需水量大，水固比高，但是強度高且有微膨脹性，成型的試件未見開裂；而同流態(tài)水泥粉煤灰漿試件出現(xiàn)了明顯的收縮開裂，突顯了CFB灰渣作為注漿填充材料的優(yōu)越性(表5)。

表5 循環(huán)流化床鍋爐灰渣注漿充填材料性能對比表

3.3 CFB灰渣小型預(yù)制構(gòu)件試驗

采用CFB爐渣做機制砂，CFB飛灰代替粉煤灰與礦粉，通過砂率優(yōu)化，輔以專用外加劑的使用，研制出的CFB灰渣砂石混凝土，28d強度可達49MPa，抗凍性能好，經(jīng)50次凍融循環(huán)，強度損失僅3.67%，遠低于25%的限制。碎石CFB灰渣混凝土及純CFB灰渣混凝土已經(jīng)在山西呂梁國道209項目的小型構(gòu)件中成功試用，由于CFB灰渣較高活性，配制的的混凝土早期強度高，脫模時間短，28d抗壓強度可達30～45MPa；同時由于CFB飛灰黏聚性良好，運輸過程中不潑灑，施工性能好；且CFB灰渣質(zhì)量較輕，大幅降低了構(gòu)件質(zhì)量，易于搬運、拼裝，見表6、表7、圖3。

圖3 CFB爐渣混凝土生產(chǎn)工藝流程圖

表6 循環(huán)流化床鍋爐灰渣與普通混凝土對比表

表7 循環(huán)流化床鍋爐灰渣配合比及工作性能表

由表6可分析得出，CFB灰渣混凝土28d強度可達到50MPa以上，抗凍性良好。

4 結(jié)束語

進行尾礦資源的綜合利用，不但可以二次利用礦產(chǎn)資源，延長其服務(wù)年限，擴大其利用范圍，同時也是保護生態(tài)環(huán)境與治理污染排放的有力手段。本文針對項目周邊鐵尾礦等工業(yè)固廢排放、儲存、環(huán)境污染、安全隱患、綜合利用難度大等社會問題，緊密結(jié)合該項目石料資源供應(yīng)緊張的現(xiàn)實問題，研究的社會效益和經(jīng)濟效益不言而喻。