CFB锅炉灰渣的应用研究

　　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。1 CFB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53 m；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0．5 MW 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。

　　1．1 CFB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。

　　1．2 CFB锅炉飞灰与常规粉煤灰的区别

　　1．2．1 CaO含量高

　　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A12O 3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 。

　　1．2．2 Fe2O3+SiO2+A12O 3含量低

　　粉煤灰中Fe2O3、SiO2 、A12 O3 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 A12O 3、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+A12 O3 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Fe2 O 3，SiO2 和A12 O3 偏少，对飞灰的活性更为不利。

　　1．2．3 S03 含量高

　　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％ E 6 。SO3 含量高是CFB锅炉飞灰在建筑_『二程应用方面的不利因素。

　　1．2．4 烧失量较高

　　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。

　　1．2．5 细度大

　　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。

　　1．2．6 堆积密度小

　　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。