楊 蔚，董發(fā)勤，何 平

(1.西南科技大學材料科學與工程學院，四川綿陽，621010;2.西南科技大學固體廢物處理與資源化教育部重點實驗室，四川綿陽，621010)

我國是燃煤發(fā)電大國，煤炭是我國重要的基礎能源，其在中國能源發(fā)展戰(zhàn)略格局中具有不可替代的重要地位[1]。根據預測，到2020年，我國的能源消耗將達到25億t標準煤，其中煤炭消耗占59.8%左右;到2050年，煤炭消耗所占比例也不會低于50%。因此，在未來的幾十年內，煤炭能源的基礎地位將是長期穩(wěn)固的。

我國的煤炭大部分是通過燃燒得以利用的，但是原煤燃燒會造成一定的環(huán)境污染，主要包括大量的SO2和NOX等酸性氣體，以及粉煤灰、灰渣等燃煤副產物[2]。其中，SO2和NOX等酸性氣體是形成酸雨的主要物質，造成我國酸雨區(qū)面積擴大。在這種情況下，一種清潔且無污染的燃煤固硫技術的采用就變得非常有必要。

流化床燃煤固硫技術是近年來國際上發(fā)展起來的新一代高效低污染燃燒技術，具有明顯的技術優(yōu)勢。但是，阻礙我國流化床燃煤固硫技術發(fā)展的一個難題是流化床鍋爐的排渣量高，其資源化研究利用還處于起步階段，目前流化床燃煤固硫灰渣(以下簡稱固硫灰渣)主要以堆放為主，發(fā)達國家的固硫灰渣利用率也只有30%左右[3]。因此，對固硫灰渣的特性及利用現狀的認識及深入研究，將有助于對其資源化綜合利用，從而促進我國循環(huán)流化床燃煤固硫技術的推廣與應用。

本文結合近年來的一些研究成果系統總結了固硫灰渣的化學組成、礦物組成、顆粒形貌等基本特性，并對固硫灰渣的資源化利用現狀進行了簡單綜述。

1 固硫灰渣的基本特性

燃煤固硫灰渣是指含硫煤與固硫劑(一般為石灰石)以一定比例混合后在流化床鍋爐內經850～900℃燃燒固硫后排出的固體廢棄物，其中從煙道收集到的灰狀物為固硫灰，爐底排出的塊狀物為固硫渣[5－6]。

在循環(huán)流化床鍋爐內，固硫過程中主要的化學反應有:石灰石煅燒分解、硫化物氧化、氧化鈣吸收SO2，反應方程式為[1，3]:

為了使固硫效率能達到90%以上，Ca/S摩爾比往往超過理論值，一般在2～2.5之間[7]，因此固硫灰渣的排放量非常高，文獻[8]的數據顯示2011年我國產出固硫灰渣8000萬t左右。

1.1 顏色

固硫灰渣一般呈灰色，但不同電廠、不同煤種的固硫灰渣在顏色上呈現出較大差異[10]，這是因為原煤中若含有赤鐵礦則使固硫灰渣帶有不同程度的紅褐色，赤鐵礦含量越大，紅褐色越深;若原煤含碳量較高，則固硫灰的顏色呈黑紫色或黑色;灰渣中游離氧化鈣的含量較高時，固硫灰的顏色偏淺。

1.2 化學成分[3，10，11]

固硫灰渣主要以 CaO、SO3、Al2O3、Fe2O3、SiO2等幾種氧化物所組成。與普通燃煤灰渣相比，固硫灰渣的特性之一是其化學組成中的CaO、SO3的含量較高，而Al2O3、SiO2和Fe2O3等氧化物的含量較低。這是由于在燃燒過程中加入了石灰石等固硫劑進行固硫，且Ca/S摩爾比高于固硫反應的理論值，因此固硫灰渣中的CaO和SO3含量較高。

研究發(fā)現[12]，不同地區(qū)、廠家由于其原煤煤種、固硫劑的種類、固硫效率、流化床床層材料燃燒溫度、燃燒程度以及排渣方式等條件不同，其產出的固硫灰渣的化學組成存在較大差異，進而導致固硫灰渣的資源化利用難度增加。

1.3 粒度

循環(huán)流化床鍋爐與普通煤粉爐相比，取消了煤粉鍋爐的制粉系統，僅將燃煤細碎成粒度在0～8mm的煤粒，因此固硫灰渣的粒度分布會有差異[11]。裴亞利等[13]認為，固硫灰的粒度在0.1 ～30μm 范圍內，以細顆粒(0.1μm ～10.0μm)為主，占 70%左右，平均粒徑為2.04μm。郭璞等[14]研究了多個電廠的干法固硫的固硫灰的粒度分布，研究表明，各電廠固硫灰的粒徑分布大部分不呈正態(tài)分布，不同電廠的固硫灰粒徑分布之間差異較大，引起差異的原因可能與干法脫硫時加入的脫硫劑以及脫硫工藝相關。趙風清等[9]研究表明，固硫灰渣顆粒直徑小于75μm的約占20%，大于1mm的約占40%。由此可見，固硫灰渣的粒徑分布較廣，具有非均粒性。

1.4 顆粒形貌[14－17]

固硫灰渣顆粒的形狀大多呈不規(guī)則狀，表面疏松多孔。固硫灰渣這種顆粒形貌產生的原因是，固硫灰渣的產生溫度是850℃ ～900℃，在這個溫度范圍內，粘土礦物或者固硫產物難以形成液相，雖然可以產生明顯的固相擴散作用，但不會出現較強的致密化，并且在煤的燃燒過程中有大量CO2的產生，從而就造成了固硫灰渣表面疏松多孔的形貌。圖1給出了流化床燃煤固硫灰渣的SEM圖。

圖1 流化床燃煤固硫灰渣的SEM圖

1.5 礦物組成

經研究發(fā)現[3，10－12]，雖然固硫灰渣的化學成分差異較大，但是礦物組成差不多。固硫灰渣的結晶礦物相主要以 f－CaO、Ⅱ－CaSO4、α －SiO2、石灰石、赤鐵礦等礦物為主，這主要與原煤中的礦物成分以及在燃燒過程中添加的固硫劑有關。

1.6 需水性

紀憲坤、錢覺時等[11，17]的研究都表明，固硫灰渣的標準稠度需水量遠高于粉煤灰，固硫灰標準稠度需水量通常為粉煤灰的2倍左右，而粉狀固硫渣的標準稠度需水量也高出粉煤灰50%左右。固硫灰渣如此高的標準稠度需水量與固硫灰渣表面疏松多孔的顆粒微觀形貌直接相關。

同時，固硫灰渣中f－CaO和SO3含量較高，其水化時需要一定量的水分，固硫灰渣火山灰二次反應生成鈣礬石的過程中也需要大量水分[3]。固硫灰渣的這些物理化學特性也決定了其需水性比普通灰渣高

1.7 自硬性

固硫灰渣與水攪拌混合后，能在潮濕的空氣和水中硬化形成穩(wěn)定的化合物，此為固硫灰渣的水化自硬性。已有研究認為[11，17－19]，固硫灰渣的礦物組分是影響其水化自硬性的主要因素，其自硬性來源主要是火山灰反應，f－CaO和CaSO4是固硫灰渣自硬性的必要條件，其自硬性一定程度上與CaO、SO3的含量有關，CaO和SO3的含量越高，自硬強度越高。

1.8 膨脹性

固硫灰渣的主要礦物組成為f－CaO、Ⅱ－CaSO4、α－SiO2、石灰石、赤鐵礦等，與水混合后，Ⅱ－CaSO4除可水化成二水石膏外，還可與活性Al2O3、f－CaO發(fā)生火山灰反應生成鈣礬石，f－CaO可水化成Ca(OH)2，這些水化都會引起體積的明顯膨脹。

研究表明，CaO水化為Ca(OH)2體積增大為原來的1.98倍，Ⅱ－CaSO4水化結晶為CaSO4·2H2O體積增大到原來的2.26倍，Ⅱ－CaSO4溶于水與活性Al2O3和Ca(OH)2反應生成鈣礬石體積增大到原來的2.22倍。

2 固硫灰渣的研究利用現狀

目前國內外對固硫灰渣的研究和利用不是很多。已有文獻顯示，目前固硫灰渣的研究主要集中在基本特性上，國外研究最多的是固硫灰渣的水化特性，而固硫灰渣的應用研究不多。

2.1 國外研究情況

法國、加拿大等國家都系統的進行過流化床燃煤固硫灰渣CERCHAR預水化處理方面的研究。

1991年法國的CERCHAR組織開發(fā)了一種專門應用于流化床燃煤固硫灰渣的預水化處理方法，并申請了專利，稱為 CERCHAR水化法[24]。這種水化方法是一種選擇性的預水化方法，能使流化床燃煤固硫灰渣中的f－CaO完全水化為 Ca(OH)2，而不會影響灰渣中的其它組分。

國外許多學者研究固硫灰渣時都采用預水化處理，但是CERCHAR預水化要求的基本條件是:溫度為170～180℃，壓強為0.85 Mpa，在實際操作中能耗很大，難以推廣，而且結合我國國情，研究的必要性不是很大。

加拿大學者利用固硫灰渣研制出一種無水泥混凝土，這種混凝土的強度等級和耐久性能與中低強混凝土相差不大，但成本非常低廉，為固硫灰渣的應用提供了一個非常有前景的方向[11]。

2.2 國內研究情況

近年來，固硫灰渣排放量飛速增長，引起了國內許多學者對固硫灰渣研究利用的高度關注。重慶大學錢覺時教授及其課題組成員對固硫灰渣的特性、自硬性機理、火山灰活性等進行了研究，此外，華北電力大學、吉林大學、東南大學等很多高校研究人員也對固硫灰渣進行了大量研究，固硫灰渣的資源化利用得到了很大的推動和發(fā)展，其研究應用主要集中在以下幾個方面。

(1)用作建筑材料[1，25]

固硫灰渣具有一定的自硬性和火山灰活性，一般來說，固硫灰渣不能直接用作礦物摻合料，但可以作為熟料組分引入水泥制造工藝中生產火山灰水泥，還可以作水泥生產助磨劑，并可代替石膏來調節(jié)水泥凝結時間，同時也可利用灰渣中的CaO和SO3作為水泥或混凝土材料的膨脹組分，研制微膨脹水泥或者混凝土。

固硫灰渣還可以作為流動性結構填充材料，應用于挖掘土回填、溝槽、管道墊層、路基等方面，與普通回填材料相比，具有質量輕，強度高的優(yōu)點，用同等質量的填充材料可以獲得更大的填充范圍和更高的硬化強度。

另外，利用固硫灰渣的膠凝性能，選用合適的激發(fā)劑，可以在常溫下激發(fā)固硫灰渣的活性，生產出滿足要求的膠凝材料和建材制品。

(2)礦山和礦井處理[1，2，12]

固硫灰渣具有自硬性，可以作為廢坑井的填充材料，又由于其呈堿性，可以用來中和礦井中的酸性污水，有效地治理酸性污水溢流問題。另外，固硫灰渣還可以作為灌漿材料與廢尾礦混合，適當加入其它激發(fā)材料或膠凝材料，徹底固化廢尾礦，防治環(huán)境污染。

(3)交通工程和城市環(huán)境治理[1，2，12]

由于固硫渣中70%～80%的顆粒在砂的細度范圍，而在交通工程中很多地方都缺少砂資源，因此可以考慮用固硫渣代替天然砂。鄭洪偉等的研究表明，流化床固硫渣代替天然砂配制道路混凝土從力學性能看是可行的，且在抗折強度上相對天然砂混凝土具有優(yōu)勢。

在城市環(huán)境治理方面，固硫灰渣的高吸水性和自硬性能，可以穩(wěn)定固化污泥，還可以提供CaO和CaSO4成分，水化放熱，并創(chuàng)造堿性環(huán)境，起到殺菌和除臭作用，這樣處理后的污泥可以像普通泥土一樣應用于農業(yè)生產和土地回填方面;固硫灰渣還具有高pH值，可以中和酸性廢液，甚至可以將酸性廢液的pH值提高至10或11，析出其中溶解的金屬水化物，然后再中和廢液，并將剩下的污泥脫水處理成固體。

(4)農業(yè)上的應用[1，2，11，12]

固硫灰渣中含有f－CaO、Ⅱ －CaSO4和 CaCO3成分，可以提供大量的鈣質原料，這些材料可以代替鈣肥施加于酸性土壤中，起到增產的作用。固硫灰渣中還含有硅、鎂、鉀、磷等多種元素，這些元素是農作物必不可少的養(yǎng)分，此外還含有鐵、錳、鉬、硼、銅、鋅等元素，這也是農作物需求的微量養(yǎng)分。因此，固硫灰渣可以用來制作肥料，以供給農作物的各種營養(yǎng)需要。

萬百千等[26]利用固硫灰渣的水化自硬性和膨脹特性，在固硫渣中摻加堿性激發(fā)劑后，將固硫灰渣用作土壤固化劑，取得了比較理想的效果。因此，固硫灰渣可以穩(wěn)定土壤并形成混凝土一樣的堅實地面，成為干燥牢固的堆谷場。

固硫灰渣還可以作為農場、果園、牧場的土地覆蓋材料，既可以減少農作物周圍雜草的生長，還可以保持土壤水分。

3 結語

固硫灰渣是一類特殊的副產物，具有高pH值、高吸水性、自硬性、火山灰活性等特點。目前，固硫灰渣的資源化利用尚缺乏有效的方式。已有的研究成果中，固硫灰渣被用于建筑材料和土壤固化劑是目前比較理想的資源化利用方式，其在酸性廢液處理、建筑材料、農業(yè)、填充和結構材料方面的應用上也有很高的研究價值，但都需進一步系統的研究。

隨著循環(huán)流化床技術的發(fā)展，新的循環(huán)流化床鍋爐在不斷地建成運行，進而固硫灰渣的排放量隨之不斷增加，但是固硫灰渣的利用率很低，這就阻礙了循環(huán)流化床燃煤固硫技術的推廣應用，因此，必須加大力度對固硫灰渣的研究利用，找出對其資源化利用的理想方式，變廢為寶，促進社會和環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。

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