循环流化床锅炉灰渣用于公路工程的试验研究

2021-12-07郭华

青海交通科技 2021年2期

郭华

(山西路桥集团晋南项目管理有限公司太原 030006)

引言

尽管当前国内外针对循环流化床锅炉灰渣在建筑材料领域的资源化利用开展了一定的研究，但对循环流化床锅炉灰渣的分类、理化性质无系统性研究，不能被广泛应用于无害化、大体量化资源化利用；循环流化床锅炉灰渣的火山灰反应较为缓慢，其强度在60d后或90d后才体现出来，总体来说，目前，尚不能实现循环流化床锅炉灰渣大体积资源化利用，始终存在以上问题难以解决，从而制约了其科学、高效利用。

1 循环流化床锅炉灰渣理化性能分析

1.1 循环流化床锅炉灰渣的概念及产生

循环流化床锅炉灰渣是是煤化工企业、火力发电厂采用循环流化床锅炉(Circulating Fluidized Bed(循环流化床)的英文缩写，简称 CFB)发电，从锅炉烟道和炉底排出的飞灰和炉渣，属于煤化工固体废渣。CFB锅炉的燃烧温度为850～950℃，且采用炉内喷钙脱硫工艺，从而导致产生的CFB灰渣与温度可达1200℃的燃煤电厂锅炉排放粉煤灰有很大的差别。

1.2 循环流化床锅炉灰渣理化性质分析

1.2.1 化学分析及矿物组成分析

CFB炉渣和飞灰的主要化学成分均为SiO2、Al2O3、Fe2O3，这与传统煤粉炉粉煤灰的成分基本一致，见表1。

表1 循环流化床锅炉灰渣化学组成分析表

(1)李香远等[1-4]认为由于采用循环固硫技术，燃煤在流化床燃烧过程中完成固硫过程，而且循环流化床燃烧具备比较高的脱硫效率，因此固硫灰渣中含有比较高的 SO3，且由于固硫剂中只有20%～40%的CaO能够参与固硫反应，而且为了提高固硫效率。许先义等[5-8]认为一般循环流化床中钙硫比相对理论值要高一些，一般在2.0～2.5之间，随着固硫剂加入，固硫灰渣中会产生游离氧化钙，从而导致固硫剂中含有比较高的分解后残留的游离氧化钙。已有的研究显示，固硫渣的化学组成根据不同地区、不同厂家、不同锅炉以及废弃灰渣排放时间的差异而存在较大变化。

(2)由以上分析得知，循环流化床锅炉灰渣作为一种工业固体废弃物，也可以作为一种应用局限性的新型建筑材料存在，尤其是该种材料SO3含量较高，CFB炉渣为6.4%，CFB飞灰为5.2%，且均含有微量f-CaO不安定成分，同时，CFB飞灰CaO含量高，抗冻性差；CFB炉渣SO3超标(4%～8%)，易产生膨胀。故而，该种材料暂适用于小型预制构件(即采用CFB炉渣代换机制砂，CFB飞灰代换粉煤灰或矿粉，详见后述)、改良土、采空区等，能否用于承重构件、大型预制构件、公路工程的关键部位，有待进一步研究。

1.2.2 物理分析及特性

以0.075mm为界，以上为CFB炉渣(通过率约10%)，以下为CFB飞灰(通过率约90%)，固硫灰为粉体状，其比表面积一般在 300m2/kg左右，其45μm以上的颗粒比粉煤灰的略高。除此之外，循环流化床燃煤灰渣中含有较高的烧失量(约10%～15%，依各生产企业锅炉型号不同各异)，主要以无定形炭的形式存在。

(1)CFB炉渣呈砂状，具有连续级配，最大粒径9.5mm见表2，具有疏松多孔性质，压碎值较大(30%～35%)，疏松多孔、吸水率大、堆积密度仅1100～1300kg/m3。

表2 循环流化床锅炉灰渣颗粒组成分析表

(2) CFB飞灰细度较大，比表面积可达300～600m3/kg，其中Fe2O3含量较高，故而颜色偏红，飞灰具有较好的水化活性，细度高,活性好，但需水量较大(>150单位)，在潮湿空气中即可变硬板结。

以上分析进一步印证了1.2.1(2)的分析结果。

2 循环流化床灰渣重金属浸出浓度及放射性

2.1 重金属浸出浓度试验(见表3)

表3 循环流化床锅炉灰渣浸出毒性检测结果表

2.2 放射性试验(见表4)

表4 循环流化床锅炉灰渣放射性检测结果表

表3、表4分析结果表明：循环流化床锅炉灰渣浸出浓度及放射性满足要求。

3 循环流化床灰渣的应用分析及实例

循环流化床锅炉灰渣作为煤化工企业、火力发电厂的工业固体废弃物，当作一种建筑材料，确实存在一定的应用局限性，但在公路工程中非承重构件、非关键部位完全可以应用。目前，CFB灰渣的应用方向主要有小型预制构件、采空区注浆填充、改良土工程， 2020年，以CFB灰渣为主要原材，在山西路桥在建项目大面积推广使用，各项性能指标满足相关技术施工规范要求。

3.1 CFB灰渣改良土试验。

张家家等认为CFB灰渣具有自硬性，含有CaO、CaSO4，对土具有改性作用。图1、图2试验表明，飞灰与炉渣均能显著提高土体CBR，其中CFB炉渣效果更明显。当炉渣、飞灰掺量为10%时，完全满足各等级公路路基路床填筑材料的CBR要求[9，10]。

图1 CFB炉渣掺入土体后CBR变化曲线图

图2 CFB飞灰掺入土体后CBR变化曲线图

3.2 CFB灰渣采空区注浆充填试验。

针对公路采空区空间大、注浆充填材料水固比高、强度低的特点，结合CFB灰渣活性及高硫、高钙膨胀性，研究开发了CFB灰渣注浆充填材料，水泥CFB飞灰虽需水量大，水固比高，但是强度高且有微膨胀性，成型的试件未见开裂；而同流态水泥粉煤灰浆试件出现了明显的收缩开裂，突显了CFB灰渣作为注浆填充材料的优越性(表5)。

表5 循环流化床锅炉灰渣注浆充填材料性能对比表

3.3 CFB灰渣小型预制构件试验

采用CFB炉渣做机制砂，CFB飞灰代替粉煤灰与矿粉，通过砂率优化，辅以专用外加剂的使用，研制出的CFB灰渣砂石混凝土，28d强度可达49MPa，抗冻性能好，经50次冻融循环，强度损失仅3.67%，远低于25%的限制。碎石CFB灰渣混凝土及纯CFB灰渣混凝土已经在山西吕梁国道209项目的小型构件中成功试用，由于CFB灰渣较高活性，配制的的混凝土早期强度高，脱模时间短，28d抗压强度可达30～45MPa；同时由于CFB飞灰黏聚性良好，运输过程中不泼洒，施工性能好；且CFB灰渣质量较轻，大幅降低了构件质量，易于搬运、拼装，见表6、表7、图3。