陳 剛

(上海同濟(jì)工程項(xiàng)目管理咨詢有限公司，上海，200092)

中國(guó)是以煤炭為主要一次能源的國(guó)家，并且短時(shí)間內(nèi)不會(huì)有根本改變，未來(lái)中國(guó)將面臨的巨大溫室氣體減排壓力，這決定了我國(guó)必須大力發(fā)展清潔高效的燃煤發(fā)電技術(shù)。IGCC(Integrated Gasification Combined Cycle)是整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的簡(jiǎn)稱，具有將固體煤的氣化、凈化與燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)發(fā)電相結(jié)合的清潔高效發(fā)電技術(shù)和低排放的突出優(yōu)勢(shì)，是一種未來(lái)煤基發(fā)電及低排放發(fā)電系統(tǒng)的最佳選擇，目前國(guó)內(nèi)已建成華能綠色煤電天津IGCC 電廠示范項(xiàng)目。與傳統(tǒng)電廠發(fā)電工藝不同，IGCC 電廠先將原料煤在氣化爐中氣化為煤氣，再經(jīng)過(guò)除塵凈化后進(jìn)入燃機(jī)燃燒，煤中大量礦物性灰分在還原性化學(xué)氣體中被熔化成灰渣，煤的燃燒比傳統(tǒng)電廠更為充分，出灰量比傳統(tǒng)電廠少，與傳統(tǒng)電廠產(chǎn)生的飛灰容易滲析相比，IGCC 灰類似玻璃一樣不會(huì)滲析。盡管IGCC 系統(tǒng)具有低排放的優(yōu)點(diǎn)，但是全國(guó)推廣該技術(shù)以后，排灰量仍然是個(gè)不小的數(shù)量，合理處置其排放的灰對(duì)改善環(huán)境質(zhì)量、推動(dòng)循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、帶動(dòng)廢物處置產(chǎn)業(yè)化和增強(qiáng)城市廢物處置的環(huán)境安全具有十分重要的意義。

1 組分分析

1.1 化學(xué)成分及礦物組成分析

為分析IGCC 灰的主要化學(xué)成分，根據(jù)《水泥化學(xué)分析方法》(GB/T176－2008)中X 射線熒光分析方法的要求，采用粉末壓片法對(duì)取自華能綠色煤電天津IGCC 電廠的IGCC 灰進(jìn)行X 射線熒光半定量分析。

為分析IGCC 灰的礦物組成，對(duì)IGCC 灰進(jìn)行多晶體X 射線衍射分析－X 射線廣角衍射譜試驗(yàn)，試驗(yàn)參照標(biāo)準(zhǔn)為《轉(zhuǎn)靶多晶體X 射線衍射方法通則》(JY/T009－ 1996)，試驗(yàn)儀器型號(hào)為RIGAKU D/max 2550VB/PC。

1.2 測(cè)試結(jié)果及分析

IGCC 灰X 射線熒光半定量分析結(jié)果見(jiàn)表1，IGCC灰進(jìn)行多晶體X 射線衍射分析－X 射線廣角衍射譜試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 IGCC 灰X 射線衍射圖譜

從X 射線熒光半定量分析的結(jié)果可以看出，IGCC灰的主要化學(xué)成分以SiO2、Al2O3、CaO 和Fe2O3為主，與粉煤灰一致。從圖1 顯示的X 射線衍射峰看出，強(qiáng)度最高的部分峰特征值模糊，是無(wú)定型態(tài)的表現(xiàn)，結(jié)合X 射線熒光半定量分析出的灰組分主要以SiO2、Al2O3、CaO 和Fe2O3為主的結(jié)果，可以斷定灰的礦物組成以無(wú)定型態(tài)為主。綜合上述結(jié)果，可以初步判定，IGCC 灰類似于傳統(tǒng)火力發(fā)電廠排放的粉煤灰。

表1 IGCC 灰熒光半定量分析結(jié)果

2 性能測(cè)試

基于化學(xué)成分及礦物組成分析測(cè)試的結(jié)果，對(duì)IGCC 灰的性能測(cè)試參照粉煤灰的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。

2.1 用于混凝土摻合料和水泥混合材的試驗(yàn)

參照《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》(GB/T1596－2005)中規(guī)定的粉煤灰指標(biāo)，對(duì)IGCC 灰進(jìn)行測(cè)試，相關(guān)指標(biāo)中，需水量比、細(xì)度、含水量、活性指數(shù)試驗(yàn)方法參照《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》(GB/T1596－2005)，安定性試驗(yàn)方法參照《水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時(shí)間、安定性檢驗(yàn)方法》(GB/T1346－2011)，密度試驗(yàn)方法參照《水泥密度測(cè)定方法》(GB/T208－2014)，燒失量、SO3含量和f－CaO 含量試驗(yàn)方法參照《水泥化學(xué)分析方法》(GB/T176－2008)。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

IGCC 灰用于混凝土摻合料和水泥混合材的試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 IGCC 灰參照《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》指標(biāo)的測(cè)試結(jié)果

對(duì)照測(cè)試數(shù)據(jù)和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求，可以看出，IGCC 灰滿足用于拌制混凝土和砂漿用粉煤灰技術(shù)要求中Ⅱ級(jí)灰的要求。

3 IGCC灰在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用預(yù)測(cè)

3.1 用于水泥混合材

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，中國(guó)的住房、城市道路交通，以及對(duì)外空港、碼頭、橋梁和高速公路建設(shè)也要跟上經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的需求，水泥的消費(fèi)量不斷上升，這對(duì)資源的需求不斷提高，將IGCC 灰摻入不同品種水泥熟料中磨成水泥，可有效降低水泥行業(yè)對(duì)原材料資源的消耗。在硅酸鹽水泥和普通硅酸水泥進(jìn)行成品配料過(guò)程中摻加IGCC 灰，再經(jīng)均化倉(cāng)混合均勻處理，配制成新的水泥品種，也是一條利用技術(shù)途徑，值得重視探討的重要舉措，具有開(kāi)發(fā)前景。

3.2 用于混凝土摻合料

隨著混凝土技術(shù)的發(fā)展，人們?cè)絹?lái)越認(rèn)識(shí)到礦物摻合料在改善混凝土的工作性、力學(xué)性能和耐久性方面起著重要的作用。通過(guò)在混凝土中摻加灰渣，能起到工程施工成本降低，改善混凝土的和易性、可泵性，增加混凝土的黏性，減少混凝土離析與泌水，使混凝土的凝結(jié)時(shí)間相對(duì)延長(zhǎng)，坍落度損失減小，降低水化熱，減少或消除混凝土中堿集料反應(yīng)的危害［1］。礦物摻合料的應(yīng)用為IGCC 灰提供了一條可能的應(yīng)用途徑，Acosta 等人在其發(fā)表的論文《Valorisation of IGCC byproducts from the Puertollano Power Plant》中，已經(jīng)就IGCC 灰的火山灰活性以及用作混凝土摻合料的適宜性進(jìn)行了確認(rèn)。

3.3 用于制作灰渣混凝土空心砌塊

灰渣混凝土小型空心砌塊是一種主要材料為灰渣、水泥、外加劑等，經(jīng)攪拌、震動(dòng)成型、脫模養(yǎng)護(hù)(自然養(yǎng)護(hù)或蒸汽養(yǎng)護(hù))而成的新型墻體材料，其優(yōu)點(diǎn)為原料來(lái)源廣泛、輕質(zhì)、保溫隔熱性好、節(jié)地和節(jié)能?；以炷列⌒涂招钠鰤K的主要原料為灰渣，原料價(jià)格便宜，具有較好的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益，可廣泛用于低層建筑的承重結(jié)構(gòu)及公共與民用建筑的填充墻、圍護(hù)墻。IGCC 灰用于制作灰渣混凝土空心砌塊，主要是作為原材料中的摻合料加以利用。國(guó)內(nèi)灰渣混凝土小型空心砌塊多以爐底灰渣應(yīng)用為主，考慮到IGCC 灰渣除灰工藝及形成過(guò)程，其火山灰活性比一般爐底灰高，應(yīng)用小型空心砌塊中，能產(chǎn)生更高的強(qiáng)度。

3.4 制作砂漿

砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中明確規(guī)定，工程±0.0m 以下砌體必須采用水泥砂漿砌筑，但水泥砂漿也有本身的不足，即和易性差、泌水率大、水泥用量偏高、砂漿硬化快、易開(kāi)裂等。高任清等人的研究顯示，在混合砂漿中使用粉煤灰替代全部石灰膏，是可行的;通過(guò)在不同養(yǎng)護(hù)環(huán)境條件下和不同齡期的強(qiáng)度進(jìn)行試驗(yàn)，均能滿足規(guī)范、設(shè)計(jì)和使用要求［2］。IGCC 灰類似粉煤灰的特性，使得在混合砂漿中使用IGCC 灰變?yōu)榭赡埽ㄟ^(guò)合理確定配比，既能保證砌筑質(zhì)量，又能降低產(chǎn)品成本，還能保護(hù)環(huán)境和節(jié)約資源，應(yīng)該會(huì)有較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

3.5 制作建筑陶瓷

我國(guó)建筑陶瓷行業(yè)產(chǎn)銷量呈快速增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，2014年1－6月，我國(guó)建筑陶瓷制品制造業(yè)銷售收入總額達(dá)到1971.274 億元，同比增長(zhǎng)12.15%，巨大的產(chǎn)值背后是巨大的資源消耗，如能利用IGCC 灰制作建筑陶瓷，將從一定程度上緩解建筑陶瓷行業(yè)的資源需求壓力。國(guó)外已有一些學(xué)者研究了IGCC 灰用來(lái)制作建筑陶瓷的可能性，IGCC 灰在建筑陶瓷中的應(yīng)用主要是作為一種活性組分加入，經(jīng)研究［3］，加入IGCC 灰后，常溫下建筑陶瓷的燒結(jié)過(guò)程有所改善。

3.6 用于建筑回填和填筑

一般的灰在建筑回填和填筑方面的應(yīng)用主要為軟基處理和填筑路堤。IGCC 灰用于軟基處理方面，主要是在換填、拋石擠淤、袋裝沙井、沙樁、塑料排水板、粉噴樁、旋噴樁等方法中代替或部分代替水泥等膠結(jié)材料，主要作用是固結(jié)使整體穩(wěn)定，提高承載能力，可以節(jié)約水泥、減少投資。IGCC 灰用于填筑路堤可以節(jié)省耕地，合理利用資源，以達(dá)到減輕土基壓力，提高路堤水穩(wěn)性能的目的［4］。由于IGCC 灰在水環(huán)境下中溶出物量很微小，對(duì)環(huán)境無(wú)污染，因此，在沒(méi)有找到其它利用途徑的情況下，回填是處理IGCC 灰的方式之一，國(guó)外建成IGCC 電廠的地區(qū)已有實(shí)施。值得注意的回填是一種幾乎沒(méi)有任何附加值的處理方式。

4 結(jié) 論

IGCC 灰在化學(xué)成分和礦物組成方面與粉煤灰類似，其性能滿足用于拌制混凝土和砂漿用粉煤灰技術(shù)要求中Ⅱ級(jí)灰的要求，可在水泥混合材、混凝土摻合料、灰渣混凝土空心砌塊、砂漿、建筑陶瓷、建筑回填和填筑等方面考慮加以利用，但各利用方式所帶來(lái)的附加值不同。

［1］胡小鋒，方曉瑞，胡春環(huán).粉煤灰對(duì)高強(qiáng)混凝土性能的影響［J］.華北水利水電學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，5:53－55

［2］高任清，陳建兵，胡文稚等.水泥粉煤灰混合砂漿應(yīng)用技術(shù)研究［J］.混凝土，2008，6:85－88

［3］M＇onica Aineto，Anselmo Acosta，Isabel Iglesias.The role of a coal gasification fly ash as clay additive inbuilding ceramic［J］.Journal of the European Ceramic Society，2006，(26):3783－3787

［4］呂喜祿.吉林省公路建設(shè)土地資源節(jié)約集約利用技術(shù)研究［D］.西安:長(zhǎng)安大學(xué)，2012