循環流化床鍋爐灰渣制備新型免燒磚的試驗研究

黃 鑫，夏舉佩，周新濤

（1.云維股份瀘西大為焦化公司，云南 瀘西652404；2.昆明理工大學化學工程學院，云南 昆明650500）

循環流化床鍋爐（CFBB）是 一種可以燃燒劣質燃料的鍋爐，通過流化和循環兩個特殊過程，能把以煤矸石為代表的劣質燃料徹底地燒干凈，提高燃燒效率，鍋爐的燃燒效率可以達到90%以上，具有高效和低污染的特點。循環流化床內具有很大的熱容量，床內混合好，燃料適應性強，CFBB的運行溫度為850～950℃，適應燃料燃燒過程脫硫，可降低SO2的排放及減少NOx的生成與排放；CFBB內高的循環物料，強化傳熱使鍋爐負荷適應范圍廣，能在40%負荷下保持額定蒸汽參數[1]。

CFBB灰渣由兩部分組成，即飛灰和底渣，飛灰約占灰渣總量的70%左右，CFBB灰的主要成份以鋁硅為主，含有較高比例的氧化鈣，玻璃體含量少，與高鈣粉煤灰的性質十分相似；同時還含有少量的硅酸二鈣、硫酸鈣、鋁酸鈣等產物，具有在水泥中應用潛力，是研究利用的主要對象。

我國鍋爐灰渣的綜合利用，早在20世紀50年代就開始在建筑工程中用作混凝土、砂漿的摻合料，生產標磚，用作道路面層材料等，尤其在水電建設大壩工程中使用最多，但總的利用量較少。20世紀60年代開始粉煤灰利用重點轉向新型墻體材料，研究集中于生產粉煤灰密實砌塊、墻板、粉煤灰燒結陶粒、粉煤灰黏土燒結磚等[2－4]。為充分利用CFBB粉煤灰低溫煅燒SiO2、Al2O3活性高的特點，擬采用蒸壓養護生產具有較高強度的建材制品如空心磚、標準磚等[5－6]；用CFBB粉煤灰取代部分水泥用作混凝土摻合料[7]。

1 實驗部分

1.1 實驗原料

實驗原料主要有CFBB灰渣、瓜子石、石灰等，主要原料灰渣取自云南瀘西大為焦化有限公司CFBB飛灰和底渣，化學組成見表1，其礦物結構詳見圖1。

表1 CFBB灰、渣的化學組成／%

圖1 CFBB灰渣的XRD譜圖

由表1可見，飛灰和底渣的主要成分為氧化硅、氧化鋁、氧化鐵，接近灰分總量的90%左右，各成分含量取決于煤中灰分化學組成；二者均含有氧化鈣，但渣中的含量明顯高于灰中，主要由脫硫時加入石灰石引入，同時不難發現，二者均含有數量不等的游離氧化鈣，這是CFBB用于建材時易導致成品強度損失的主要因素；從CFBB灰XRD譜圖可知：飛灰中晶相物質主要成分為石英，其次為石膏、氧化鈣以及少量的C2S、C3A等礦物，不定形玻璃體較少，故其活性較低。

1.2 實驗方法

以灰渣為主要原料，通過模擬免燒的生產工藝制備樣品，以制備抗壓、抗折強度為指標，優化實驗配方和養護方式。

2 實驗結果

2.1 免燒磚制備物料配比確定

在燃煤的灰分中，硅鋁的主要存在形式為高嶺石，在CFBB的燃燒過程中，會分解為無定型產物氧化鋁和氧化硅，當采用了燃燒過程石灰脫硫方式時，大部分則形成硅、鋁的鈣鹽，XRD圖譜結果充分證明了這一推斷。由于形成的C2S活性低，同時還存在少量無定型氧化硅和氧化鋁，通常的方法是采用堿激發劑激發其活性，因此，實驗采用固定骨料瓜子石的用量，通過調整石灰、飛灰和底渣的摻量，采用常壓蒸汽養護方式，以確定CFBB灰渣制備免燒的物料配比和石灰適宜用量，結果見表2。

表2 配料參數對性能的影響

上述實驗結果表明，在采用的物料配比中，影響制備免燒強度的主要因素是石灰摻量。

2.2 免燒磚養護方式的確定

免燒磚的養護方式可分為兩類，即自然養護和蒸壓養護（常蒸汽養護和高壓蒸汽養護），通常情況下，自然養護方式一般在以水泥為膠凝材料的制品中使用，而蒸汽養護則通常適用于活性不高的工業廢渣為膠凝材料的制品中使用。

本文擬采用常壓蒸汽和自然養護（28天）兩種方式，考查兩種養護方式對制品性能的影響，可時也考查石灰對灰渣活性的激發效果，結果見表3。

表3 養護條件對磚強度的影響

從表3不難看出，常壓蒸汽養護與自然養護28天相比，在石灰低摻量情況下，二者結果差異較大，但隨著石灰加量的增加，二者的差異逐漸縮小，這說明：以CFBB灰渣為主要原料的免燒制備中，石灰對其活性激發十分重要；為了節約能源，可用自然養護方式替代蒸汽養護。

表3結果表明，當石灰摻量為8%時，制備的免燒磚體現出良好的物理性能，當石灰用量增至10%時，強度增加較少，為了進一步確定石灰最佳摻量，優化物料配比，在石灰用量8%附近增設實驗點，以最終確定石灰用量，安排如下實驗，結果見表4。

從表4實驗結果可知，三個石灰摻量下，采用相同養護手段，其免燒磚抗壓、抗折強度結果相關不大，由于石灰在配料體系中屬昂貴材料，在保證產品性能滿足要求時，應盡可能少用，經比對分析，在自然養護條件下，擬采用如下原料質量配比生產150的免燒磚：石灰7%、CFBB飛灰43%、CFBB底渣30%、骨料瓜子石20%。

3 CFBB灰渣為主材的燒磚擴大性工業試驗

3.1 工藝過程

1）原料處理。將CFBB飛灰、石灰按工藝配料混合后粉磨過0.045mm篩，篩余小于20%的粉末貯存在料倉中，使用時用螺旋輸送機送料，在攪拌機上自帶的計量罐中稱量，然后加入到攪拌機中。

2）骨料配料。選擇碎石和CFBB渣為骨料，裝于三箱配料機中，經過分別自動計量后用皮帶機輸送到攪拌機的爬升料斗中，并繼續提升到攪拌機中。

3）攪拌。各物料計量完成后，在攪拌狀態下加水，水以霧狀形式噴入攪拌機，在攪拌過程中取樣觀察含水率。

4）成型。拌合好的物料用皮帶機直接輸送到成型機前的布料機中，布料機下部安裝強制式破碎分散機，以打散、攪拌和輸送過程形成的團塊。啟動成型機，按照程序輸入托板，布料，振動，壓制，脫模，出坯，疊板，完成一個成型周期。

5）預養和養護。每5塊板一垛，用叉車轉運到自然養護大棚，養護棚頂部為陽光板，陽光可以直射到室內，地面適當噴水保濕，28天后即成品。

3.2 擴大性試驗結果

對擴大試驗自然養護28d的磚坯隨機抽樣送檢進行綜合測試，結果完全符合JC239－2001標準關于粉煤灰免燒磚的質量標準，結果見表5。

表4 CFBB灰渣制備免燒磚石灰用量確定

表5 擴大試驗樣品檢驗結果

從測試結果與JC239－2001相關指標進行對比，試驗產品達到MU15的技術要求。

同時這種磚外觀質量好，整齊劃一，表面粗糙，與砂漿的結合性好，色度均勻，砌筑體美觀；放射性水平低，收縮小，尺寸穩定，擴大試驗結果與實驗研究吻合較好。

通過實驗研究和工業性擴大試驗，檢驗了工藝配方、養護方式，結果均表明CFBB灰渣可作為一種優良的墻體材料原料使用，從而為CFBB灰渣找到一種規模化利用的途徑，實現了從廢物到資源的轉變。

4 結論

1）實驗研究表明，CFBB飛灰具有潛在活性，石灰對其活性激發起到關鍵性作用。

2）在選定的CFBB灰渣為主材的免燒磚制備方案中，低石灰摻量時，蒸汽養護優于自然養護，但隨當石灰用量的增加，二者差異縮小，當石灰摻量高于7%時，檢測結果基本一致。

3）CFBB灰渣為主材制備免燒磚的物料配比為：石灰7%、飛灰43%、底渣30%、骨料瓜子石20%，采用自然養護可生產標號為150的免燒磚砌塊。

[1]馮俊凱 岳光溪 呂俊復主編.流化床燃燒鍋爐 [M].北京：中國電力出版社，2003.

[2]閭文 盧忠飛 朱曉華等.燒結煙氣脫硫渣的綜合利用研究[J].冶金環境保護，2012（2）：33－36.

[3]ANTHONY E J.Agglomeration and strength development of deposits incirculation fluid bed combustion boiler sfiring highsulfure fuels[J].Farel，2000，79（15）：1933－1942.

[4]霍琳 李軍 盧忠遠.循環流化床燃煤固硫灰渣制備地聚合物材料的研究進展[J].粉煤灰綜合利用，2011（6）：51－54.

[5]魯興田，冷禎皋.循環流化床鍋爐脫硫粉煤灰制磚技術[J].應用技術，2005（3）：37－38.

[6]張墨，呂太.循環流化床飛灰在混凝土中的應用研究[J].粉煤友綜合利用，2007（3）：25－27.

[7]石澤華，王增長，王永紅.利用流化床粉煤灰合成分子篩的研究[J].山西煤炭2007，27（2）：14－16.