毛凯，苏思思，刘晓婕，高鹏，王嘉威

1 引言

煤炭是我国的基础能源，煤制气、煤制油是能源的重要组成部分。《能源发展战略行动计划》（2021-2025年）中明确提出，2021~2025年，是能源发展转型的重要战略期，必须坚持“节约、清洁、安全”的战略方针，加快构建清洁、高效、安全、可持续的现代能源体系，以开源、节流、减排为重点，转变能源发展方式，优化能源结构，创新能源工业体制机制，着力提高能源效率，推动能源绿色发展。

煤气化是煤制气、煤制油的核心工艺，气流床煤气化锅炉是应用较为广泛的煤气化锅炉，其最高气化温度可达1 400℃~1 600℃，在煤气化过程中，灰分及少量残余煤炭随气流排出后，被排烟除尘器收集，即为煤气化飞灰[1]。煤气化飞灰是一种工业固废，如何对煤气化飞灰进行资源化利用是煤制气、煤制油等生产企业面临的关键节能减排问题。

目前，关于煤气化飞灰资源化利用的研究较少，何军、李寒旭[2]研究发现，煤气化飞灰可用于制备阻燃材料，利用煤气化飞灰与嵌段共聚聚丙烯（PP）熔融共混的方式制备的复合材料具有良好的阻燃性能；许凡[3]发现煤气化飞灰粒径较小、分布均匀且表面含有未燃尽的炭，有利于在基体中形成完整嵌入结构的同时，还可以改善与高分子聚合物基体的相似相容性，具有作聚氨酯材料填料的可行性。煤气化飞灰与电厂粉煤灰类似，均是煤炭燃烧后除尘器收集的粉末，目前粉煤灰已被广泛用于制备水泥，粉煤灰在某些地区甚至是一种稀缺资源，但关于煤气化飞灰替代粉煤灰用作水泥混合材的研究却鲜有报道。

本文将从煤气化飞灰的粉体宏观特性、微观形貌、与粉煤灰的差异，以及不同比例的煤气化飞灰替代粉煤灰用于水泥混合材对水泥性能的影响等方面展开研究，探讨煤气化飞灰作为水泥混合材的可行性。

2 原材料来源及实验测试方法

2.1 原材料来源

试验用水泥为P·O42.5，其物理性能见表1。

表1 P·O42.5水泥的物理性能

粉煤灰为漳山电厂粉煤灰。

煤气化飞灰为潞安某电厂煤气化飞灰。

试验砂为ISO标准砂，拌合水为去离子水。

2.2 实验测试方法

（1）煤气化飞灰和粉煤灰宏观特性测试方法

采用BT-9300S型激光粒度分析仪，按照GB/T 1596-2017《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》，测定煤气化飞灰和粉煤灰的比表面积。采用BT-1000型粉体综合特性测试仪测定煤气化飞灰—粉煤灰粉体的休止角、崩溃角、振实密度和松散密度，计算差角和压缩度。其中，差角为休止角与崩溃角的差值，压缩度为振实密度与松散密度差值与振实密度的比值。BT-1000型粉体综合特性测试仪见图1。

图1 BT-1000型粉体综合特性测试仪

（2）煤气化飞灰和粉煤灰化学成分与微观形貌测试观察方法

按照GB/T 176-2017《水泥化学分析方法》，采用X射线荧光光谱法测定煤气化飞灰和粉煤灰的化学成分；采用Quanta 450 FEG场发射扫描电子显微镜，观察煤气化飞灰和粉煤灰的微观形貌。由于煤气化飞灰颗粒较细，为减少煤气化飞灰颗粒的团聚，在其中加入三乙醇胺，使其颗粒分散，便于进一步观察。

（3）水泥性能试验测试方法

按照GB/T 8074-2008《水泥比表面积测定方法（勃氏法）》测定水泥比表面积；按照GB/T 1346-2011《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》测定水泥标准稠度用水量及凝结时间；按照GB/T 2419-2005《水泥胶砂流动度测定方法》测定水泥胶砂流动性，按照ISO 679-2009《水泥强度的测定》测定水泥胶砂强度。

3 煤气化飞灰特性

3.1 化学成分

表2为煤气化飞灰和粉煤灰的化学成分分析。由表2可见，煤气化飞灰和粉煤灰的主要成分基本相同，但是煤气化飞灰中的CaO含量较高，这是因为煤炭气化熔融过程中加入了石灰等助融剂。

表2 煤气化飞灰、粉煤灰的化学成分分析，%

3.2 流动性

在使用100%粉煤灰的基础上，采用煤气化飞灰等质量替代0、20%、40%、60%、80%、100%的粉煤灰，制备了系列复合粉体，并对上述粉体的休止角、差角和压缩度进行了测定，煤气化飞灰休止角和煤气化飞灰崩溃角见图2，不同煤气化飞灰掺量的粉体流动性试验结果见表3和图3。一般而言，休止角越小，差角越大，压缩度越小，粉体的流动性越好；反之，粉体流动性就越差。

图2 煤气化飞灰休止角和煤气化飞灰崩溃角

图3 不同煤气化飞灰掺量的粉体流动性试验结果

由表3可见，随着煤气化飞灰掺量的不断增加，煤气化飞灰—粉煤灰复合粉体的休止角逐渐增大、差角逐渐减小，压缩度逐渐增大，表明煤气化飞灰的流动性低于粉煤灰。一般而言，当休止角>45°、压缩度>40%时，粉体流动性较差。从表3可见，粉煤灰的休止角为45.4°,压缩度为32%；而煤气化飞灰的休止角为51.8°，压缩度可达44%，也可见煤气化飞灰流动性较差。另外，由图2可以看出，煤气化飞灰在振动时崩溃，由于其本身颗粒细、静电吸附强，易结团，尤其是在三棱锥角位置，堆聚现象明显。以上结果充分表明，煤气化飞灰是一种流动性较差的粉体，可能会导致罐车将其运输至施工现场后，煤气化飞灰卸料困难，影响施工效率。

3.3 比表面积

为研究煤气化飞灰的细度及其与普通粉煤灰的细度差异，测定了煤气化飞灰和粉煤灰的比表面积，并与基样水泥进行了对比，试验结果见表4。

表4 基样水泥、煤气化飞灰与粉煤灰的比表面积对比

由表4可见，煤气化飞灰的比表面积远超基样水泥与粉煤灰，达到1 950m2/kg，其颗粒较细，同时具备火山灰活性，具有成为水泥混合材的潜质。

3.4 微观形貌

粉煤灰作为水泥混合材，可在一定程度上提高水泥流动性，主要原因是粉煤灰中含有部分球形的玻璃微珠，可通过滚珠效应促进水泥浆体的流动。为探究煤气化飞灰是否也具有类似的滚珠效应，采用SEM扫描电子显微镜，分别观察了粉煤灰×3 000、×4 000以及煤气化飞灰×3 000、×4 000、×10 000的形貌，SEM扫描电子显微镜观察结果如图4~8所示。

由图4和图5可见，煤气化飞灰与粉煤灰在微观层面上均含有大量的玻璃微珠。但是在放大3 000倍、4 000倍的情况下，相同面积内煤气化飞灰的玻璃微珠的数量远高于粉煤灰，这与煤气化飞灰比表面积大的结论相一致。

图5 煤气化飞灰SEM扫描电镜结果（×3 000）

对比图4、图8可以看出，粉煤灰中除玻璃微珠以外，还有较多的不规则矿物，粉煤灰的玻璃微珠一般在50%~80%[4]，而将煤气化飞灰放大10 000倍后发现，其玻璃微珠占比>95%以上。

图4 粉煤灰SEM扫描电镜结果（×3 000）

图8 煤气化飞灰SEM扫描电镜结果（×10 000）

4 煤气化飞灰对水泥性能的影响

经对比研究煤气化飞灰与粉煤灰的宏观粉体特性与微观形貌，在固定水泥基样占比87%，煤气化飞灰—粉煤灰混合材占比13%的基础上，研究了0、3%、5%、7%、9%、11%、13%不同比例煤气化飞灰等质量替代粉煤灰掺量对水泥比表面积、标准稠度用水量、凝结时间、流动性和强度的影响，试验配合比见表5。

表5 试验配合比

图6 粉煤灰SEM扫描电镜结果（×4 000）

图7 煤气化飞灰SEM扫描电镜结果（×4 000）

4.1 细度

煤气化飞灰掺量对水泥细度的影响见图9。由图9可以看出，随着基样水泥中粉煤灰掺量下降、煤气化飞灰掺量上升，水泥0.045mm筛通过率随之变大，即水泥的细度上升。以上现象表明，煤气化飞灰比粉煤灰提升水泥细度的幅度更大，可以根据环境要求和使用条件，调整煤气化飞灰的掺量，从而扩大水泥的适用范围。

图9 煤气化飞灰掺量对水泥细度影响

4.2 比表面积

煤气化飞灰掺量对水泥比表面积的影响见图10。由图10可以看出，虽然煤气化飞灰本身细度较细，比表面积为1 950m2/kg，然而其自身具有静电吸附团聚效应，易于结球，所以采用勃氏法测得的水泥比表面积变化不大。当水泥遇水，颗粒静电释放后，实际比表面积应大于检测所得值。

图10 煤气化飞灰掺量对水泥比表面积影响

4.3 标准稠度用水量

煤气化飞灰掺量与水泥标准稠度用水量的关系见图11。由图11可以发现，当煤气化飞灰开始替代粉煤灰，水泥达到标准稠度后，其需水量大幅降低，且随着煤气化飞灰替代粉煤灰掺量的上升，水泥的需水量也在不断下降。煤气化飞灰和粉煤灰相比，其自身优势在于，粉煤灰形成温度仅为1 200℃，而煤气化飞灰的最高形成温度为1 400℃~1 600℃，玻化程度高，形成的玻璃化微珠具有滚珠效应，致水泥需水量更低。因此，随着煤气化飞灰替代粉煤灰在基样水泥中的比例不断上升，煤气化飞灰不仅能够优化水泥内部结构，填补各种混合材之间的空隙，还能降低水泥的需水量，提高水泥流动性能和工作性能。

图11 煤气化飞灰掺量与水泥标准稠度用水量关系

4.4 凝结时间

煤气化飞灰掺量对水泥凝结时间的影响见图12。由图12可以看出，水泥的凝结时间同煤气化飞灰的掺量不成规律性关系，变化不大，因此可以得出结论，煤气化飞灰的掺量对水泥凝结时间的影响较小。

图12 煤气化飞灰掺量对水泥凝结时间的影响

4.5 胶砂流动度

煤气化飞灰掺量对水泥胶砂流动度的影响见图13。煤气化飞灰玻化成球的程度高达95%，使其自身具备滚珠效应，因此，根据图13可以看出，随着水泥中煤气化飞灰掺量的不断上升，水泥的胶砂流动度也呈上升趋势。以上现象表明，煤气化飞灰同粉煤灰相比，玻璃微珠含量高且球径小，相同质量下，产生的滚珠效应更强，用作水泥混合材，将更有利于水泥流动性的提高；玻璃微珠比表面积大，还可提高活性物质与水泥接触的面积，从而有利于提高水泥的强度。

图13 煤气化飞灰掺量对水泥胶砂流动度的影响

4.6 胶砂强度

煤气化飞灰掺量对水泥胶砂抗压、抗折强度的影响分别见图14、图15。由图14、图15可见，随着煤气化飞灰替代粉煤灰比例的逐渐增加，水泥的胶砂强度呈先逐渐提高后保持稳定的趋势，煤气化飞灰掺量为9%时强度最高，3d、28d抗压强度较不掺煤气化飞灰时提高9.6%、11.2%，3d、28d抗折强度较不掺煤气化飞灰时提高13.2%、4.4%。由此可见，煤气化飞灰较粉煤灰致水泥胶砂强度的提升更明显。煤气化飞灰内部活性物质多，比表面积大，活性位点多；同时，其细度高，玻化程度高，利于优化水泥内部结构。因此，采用煤气化飞灰替代粉煤灰作水泥混合材，可以进一步提高水泥的强度。

图14 煤气化飞灰掺量对水泥胶砂抗压强度的影响

图15 煤气化飞灰掺量对水泥胶砂抗折强度的影响

5 结论

（1）同粉煤灰相比，煤气化飞灰细度高、静电吸附作用强、流动性差，采用传统罐车进行泵送卸料时，可能会影响卸料效率，使用时应加以考虑。

（2）煤气化飞灰形成温度高，与粉煤灰相比，生成的玻璃微珠玻化程度高、球形度好，用作水泥混合材对水泥的流动性提高幅度更大，更利于施工。

（3）煤气化飞灰的活性优于粉煤灰，主要是因为煤气化飞灰玻化微珠占比高于粉煤灰，高达95%，在水泥水化形成的碱性环境下，产生的胶凝物质高于粉煤灰；煤气化飞灰比表面积较大，有利于优化水泥胶砂内部结构，填补内部孔隙，增强其致密性；同粉煤灰相比，煤气化飞灰作为水泥混合材，对水泥胶砂内部结构的优化更为显著，其水泥胶砂强度高于粉煤灰。

综上所述，煤气化飞灰可替代粉煤灰作为水泥混合材使用。