CFB锅炉灰渣的应用研究

PAGEPAGE1CFB锅炉灰渣的应用研究尹连庆，文章来源：电力环境保护2008-10-180引言随着人们环保意识的日益增强，燃煤火力发电对大气环境的污染引起了人们的高度重视。鉴于循环流化床(CFB)锅炉具有低成本、高效脱硫和低NO排放等优点，它已成为当前煤炭洁净燃烧的首选炉型。CFB锅炉具有燃料适应性广的特点，可以以此为平台实现能源的综合利用：①使一些低级资源能源化。目前已开发出燃烧石油焦、污泥、生物质、垃圾废弃物等类型的CFB锅炉并取得成功；②与其他能源或原材料加工系统整合，实现能源高效利用。目前，以CFB锅炉技术为基础的IGCC系统、PCFBC系统、PGCFB—CC系统均已开发成功并产业化，今后将继续朝着大型化和优化运行方向发展。因此，CFB锅炉技术得以迅猛发展。1CFB锅炉飞灰和底渣特性及其应用影响CFB锅炉灰渣特性的因素较多：(1)燃料种类。无烟煤的飞灰含量普遍较高，有的高于20％，平均粒径达到53m；生物质燃料灰渣的熔点较低，易结渣，灰分主要以铁、钙、铝、钾和钠为主，与煤飞灰的化学组成明显不同；城市垃圾灰中大多含有一定量重金属离子，如铅、汞等。(2)煤种特性。刘彦鹏，王勤辉等人在一台0．5MW的CFB燃烧试验台上进行了4种不同煤种的燃烧试验，试验结果为：①挥发分高、灰分含量低的煤种在燃烧过程中产生更多的细灰渣颗粒，其底渣中细颗粒的份额也比较高，底渣的平均粒径与给煤颗粒的平均粒径差别较大。而且，灰渣大部分以飞灰形式排出。②煤种对所产生的飞灰颗粒粒径分布影响不大，但飞灰含碳量却随着煤中碳分的增加而增加；对于同一燃烧装置，底渣含碳量随燃煤灰分的增加而增加。(3)处理T艺、锅炉运行环境、季节变化、负荷变化以及操作人员的差异等，都会使CFB锅炉灰渣的特性产生较大的变化，但规律性不明显。例如，为了提高脱硫效率，CFB锅炉运行中采用了炉内添加石灰石脱硫技术，其灰渣与普通煤粉的灰渣在形态、粒度、化学性质等方面有很多不同之处，以致于很难用常规的灰渣利用方式对其进行处理。本文仅分析一种典型的CFB锅炉灰渣与煤粉炉灰渣特性的差异及其应用。1.1CFB锅炉和煤粉炉灰渣特性分析与煤粉炉相比，典型的CFB锅炉具有燃料中掺加石灰石粉实现炉内脱硫、燃烧温度低、蓄热量大、底渣在炉膛中停留时间较长、排灰量较大等特点，因此，两者产生的灰渣在物理和化学特性等方面具有明显的不同。CFB锅炉灰渣又分为F类低钙灰和c类高钙灰，本文仅对燃烧褐煤或亚褐煤所形成的高钙灰(SiO2+AI2O3+Fe2O3≥50％)进行分析，具体分析结果见表1。1.2CFB锅炉飞灰与常规粉煤灰的区别1.为了达到国家规定的脱硫效率，满足环保要求，CFB锅炉设计的Ca／S一般都大于2，因此，CFB锅炉飞灰中含有大量未反应的CaO(超过10％)。国外把CaO含量超过10％的粉煤灰称为C类灰，低于10％的称为F类灰。C类灰本身具有一定的水硬性，这是由于游离的CaO激发灰渣中的活性SiO2和活性A12O3生成具有一定水硬性的凝胶类物质，同时CaO水化硬化以及由CaSO4参与的水化反应生成了强度较高的Ca(OH)2和一些水泥水化矿物如钙矾石，因此c类灰可作水泥混合材。F类灰常做混凝土掺和料，它的水化热比C类灰低。但是，CaO的水化硬化反应时问比水泥中其他物质长，且CaO水化成Ca(OH)2体积增大很多，所以CaO含量高会带来较大的体积膨胀，严重影响体积安定性，是建筑制品致命的隐患。1.粉煤灰中Fe2O3、SiO2、A12O3的含量直接关系到它作为建材原料的优劣。这是因为粉煤灰的活性主要来自活性SiO2，和活性A12O3在一定碱性条件下的水化作用。CFB锅炉飞灰中含有A12O3、SiO2等活性成分，是一种活性骨料，可与胶凝材料发生界面反应而提高界面强度，对混凝土抗弯强度的提高有利。但美国粉煤灰标准ASTM(618)中规定，用于水泥的C类灰中，Fe2O3+SiO2+A12O3的含量必须占总量的50％以上。而CFB锅炉飞灰中三者的总量不足50％，对其应用是不利的。而且，CFB锅炉飞灰中含有过量的Fe2O3，SiO2和A12O3偏少，对飞灰的活性更为不利。1.在粉煤灰中，一部分硫以可溶性石膏(CaSO4)的形式存在，它对粉煤灰早期强度的发挥有一定作用，因此，硫对粉煤灰活性是有利的。但随着脱硫效率的提高，CFB锅炉飞灰中硫酸盐的含量相应提高，从而产生了体积膨胀，导致建材制品稳定性差，同时对结构混凝土中的钢筋具有腐蚀作用。我国国家标准规定，作为建材使用的粉煤灰，其中SO3的质量分数不得高于3％E6。SO3含量高是CFB锅炉飞灰在建筑_『二程应用方面的不利因素。1.由于CFB锅炉炉温较低，大量的惰性碳未充分燃烧，导致飞灰的烧失量较高。飞灰中的未燃碳粒疏松多孔，与其他物质结合能力较差，对一些外加剂的使用效果产生不利影响，在做水泥、混凝土的掺合料时，具有较大的技术障碍。但由于飞灰中有一定的碳含量，国内外大多采用飞灰回燃技术，提高飞灰燃尽度。1.CFB锅炉飞灰细度大。粉煤灰的细度影响早期水化反应，是工程应用的重要指标，细度越大，说明活性物质越多，用于建材制作更有利。1.粉煤灰的堆积密度反映其颗粒排列的松紧程度。堆积密度愈大愈密实，孔隙率愈低，反之就愈松散。它是工程设计和施工中的重要指标。CFB锅炉飞灰的松堆积密度和压实堆积密度均低于常规粉煤灰的最高限值，表明该种粉煤灰的可密实性不如常规粉煤灰，在工程中的应用受到限制。1.3CFB锅炉底渣与常规渣的区别1.低含量MgO使其工程安定性优于飞灰。1.CFB锅炉底渣虽有一定的水硬活性，但在水泥生产应用中却受到限制，目前只有部分用作水泥添加剂，而大多只作一些较简单的利用，如制砖、铺路和填土等。1.CFB锅炉底渣中Fe2O3含量高，A12O3和SiO2含量低，Fe2O3+SiO2+A12O3三者总量低。1.CFB锅炉底渣中SO3含量较高，在建材应用中可能产生由钙钒石膨胀引发的耐久性问题。但根据毕春丽等做的CFB锅炉底渣在混凝土中的应用研究试验，SO3的溶解度与炉渣的细度有关，将CFB锅炉底渣作为混凝土细骨料可减少SO3溶出，且细骨料表面的活性物质与水泥水化产物反应生成的产物包裹在骨料表面，也可进一步抑制SO3溶出，有效抑制钙钒石生成，不存在SO3安定性问题。1.由于CFB锅炉为低温燃烧，且底渣在炉膛内停留时间长，所以烧失量很低，一般含碳量低于3％

[8]。结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.由于底渣中含有较多的大颗粒，且呈不规则状，表面不光滑，应用于混凝土时，既影响了混凝土的流动性和和易性，又使得它与水泥在包裹卵石时，空隙率增大，影响了混凝土的密实度与强度。如果用炉渣作为中砂的替代物，应先将炉渣适当磨细。由于底渣颗粒大小混杂，粗粒形成的孔隙被细颗粒充填，易形成紧密结构，是建筑工程上作为回填使用的最理想的散体建筑材料。1.CFB锅炉底渣的可密实性优于常规底渣，是优良的工程材料。2CFB锅炉灰渣的应用现状目前，CFB锅炉灰渣主要用于：(1)提取未燃尽碳。CFB锅炉飞灰中含碳量较高，常用电选法对其进行提碳。飞灰经过电选得到的精煤具有一定的吸附性，可直接用作吸附剂，也可用于制作粒状活性炭或作为燃料用于锅炉燃烧。(2)提取金属铁。当飞灰中Fe2O3高于50％时，即有回收价值。据山东省比较，当飞灰含Fe2O3高于10％时，磁选一年可回收15万t铁精粉。其社会经济价值远优于开矿，环境效益不可估量。(3)生产建筑材料。飞灰按其特性和质量可分别用于制水泥、制砖、配置普通混凝土、骨料、铺路、做废弃矿井和采空区的填充料等。(4)农业利用。飞灰的农业利用有两条途径：一是用于农业的改土与增产；二是生产粉煤灰多元素复合肥。飞灰的农业资源化是一个巨大的生态工程，今后应加强这方面的基础性研究，开发更多的环保型产品和处理利用途径。(5)作脱硫剂。飞灰中含有大量的CaO，可通过回燃技术等重新送入炉膛进行脱硫，从而提高燃料的燃尽率，并降低CFB锅炉的Ca／S。(6)废物稳定和固化。3结语CFB锅炉作为环保型洁净燃烧锅炉，得以重点推广，但CFB灰渣的处理问题直接制约其发展，灰渣处理不当极易造成二次污染，所以CFB脱硫灰渣的综合应用已引起国家的高度重视。目前，虽然已做了大量的研究工作，也取得了一些成果，但还远不能满足CFB灰渣全部有效处理的要求。要解决好CFB灰渣综合利用问题，必须将其作为一项系统工程共同推进。参考文献：[1]李登新，吕俊复，郭庆杰，等．循环流化床灰渣利用研究进展[J]．热能动力工程，2003，18(1)：5—8。[2]刘彦鹏，王勤辉，骆仲泱，等．不同煤种下循环流化床灰渣特性的试验研究[J]．锅炉技术，2004，35(3)：18—22。[3]岑可法．循环流化床锅炉理论设计与运行[M]，北京：中国电力出版社，1998。[4]周宝欣，常焕俊．循环流化床锅炉技术问答[M]．北京：中国电力出版社，2006。[5]毕春丽．张墨，张增军，循环流化床锅炉底渣在混凝土中的应用研究[J]．粉煤灰综合利用，2004，(4)：18—20。[6]雒国忠．循环流化床锅炉灰渣物化性能分析[J]，电力环境保护，2001．17(4)：24—26。[7]王文龙．施正伦，骆仲泱．等．流化床脱硫灰渣的特性与综合利用研究[J]电站系统工程．200