邵寧寧，劉澤，王棟民

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京） 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083）

燃煤鍋爐類型對(duì)粉煤灰品質(zhì)的影響概述

邵寧寧，劉澤，王棟民

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京） 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083）

本文立足于中國(guó)目前的燃煤技術(shù)及其產(chǎn)出的粉煤灰對(duì)環(huán)境和生態(tài)帶來嚴(yán)峻挑戰(zhàn)的現(xiàn)狀，總結(jié)和分析了主要的工業(yè)燃煤鍋爐類型對(duì)其產(chǎn)灰品質(zhì)的影響，為實(shí)現(xiàn)粉煤灰的更好更充分利用提供了參考。

燃煤鍋爐；類型；粉煤灰；品質(zhì)

0　引言

自 20 世紀(jì)二十年代大規(guī)模燃煤發(fā)電以來，數(shù)十億噸的粉煤灰和其他煤相關(guān)的副產(chǎn)品隨之產(chǎn)生，不僅造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染和大量資源的浪費(fèi)，而且粉煤灰和灰渣的大量堆砌還占用了大量的土地。這其中，燃煤鍋爐所排放的煙氣和粉塵被認(rèn)為是我國(guó)（尤其是我國(guó)北方）大氣污染的罪魁禍?zhǔn)?。?jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó) SO2排放量的 90%、NOX排放量的 70% 以及一次PM2.5 排放量的 60% 均來自于煤炭的燃燒和使用過程[1]。燃煤鍋爐向大氣中排放的有毒有害氣體以及顆粒污染物能夠長(zhǎng)期存在于空氣中，不僅降低了空氣質(zhì)量，而且對(duì)人的身體健康造成了嚴(yán)重的危害[2-4]。

隨著科技的發(fā)展和人們對(duì)環(huán)境和生態(tài)的日益重視，燃煤鍋爐不斷被改造和完善，以達(dá)到煙氣排放標(biāo)準(zhǔn)，一大批形式各異、種類繁多的燃煤鍋爐隨之而產(chǎn)生。然而，各式燃煤鍋爐達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)，卻造成了其產(chǎn)灰種類的多樣化和性質(zhì)的波動(dòng)性，給粉煤灰的綜合利用造成了很大的障礙[5]。另外，我國(guó)僅在 2010 年就排放粉煤灰 4.8 億噸，綜合利用量為3.26 億噸，即 1.5 億噸的粉煤灰被堆積而沒被利用[6]。由此可見，雖然粉煤灰綜合利用率已經(jīng)達(dá)到較高水平，但是由于產(chǎn)出數(shù)量龐大，每年仍有近 1.5 億噸的粉煤灰無法利用而被堆積在土地上，造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染和土地資源的浪費(fèi)。因此，粉煤灰的綜合利用迫在眉睫。

本文立足于繁雜的燃煤鍋爐對(duì)粉煤灰的品質(zhì)造成多樣化的基礎(chǔ)上，總結(jié)并分析了我國(guó)目前主要的燃煤鍋爐類型和工況對(duì)其產(chǎn)出的粉煤灰品質(zhì)的影響，為燃煤電廠以及其他工業(yè)用煤企業(yè)提出了提高粉煤灰經(jīng)濟(jì)效益的參考意見和一定的方案。

1　粉煤灰品質(zhì)的主要評(píng)價(jià)參數(shù)

目前粉煤灰已經(jīng)廣泛應(yīng)用于建筑材料、礦井回填、路基路面建設(shè)、保溫隔聲材料，以及精細(xì)化工和冶金等行業(yè)[7-11]。隨著人們對(duì)粉煤灰利用的深入和認(rèn)識(shí)的加深，一些參數(shù)（如粉煤灰活性、細(xì)度、燒失量等）已逐漸被定義為影響粉煤灰品質(zhì)的重要評(píng)價(jià)參數(shù)。

1.1活性 (Activity)

活性，即火山灰活性，是指富含硅鋁質(zhì)的材料經(jīng)過高溫煅燒后，具有能夠在常溫有水的情況下與氫氧化鈣（Ca(OH)2）反應(yīng)生成水硬性膠凝材料的特性[12]。火山灰活性是粉煤灰最為重要的品質(zhì)參數(shù)，目前尚無統(tǒng)一的定量方法，通常通過粉煤灰細(xì)度[13-15]、需水量比[14,16]、拌合物的強(qiáng)度[17,18]等指標(biāo)間接比較。影響粉煤灰活性的主要因素有：燃煤鍋爐的爐膛溫度、內(nèi)部玻璃體含量（即無定型態(tài)含量）、硫酸鹽含量、細(xì)度、燒失量等[19,20]。

1.2細(xì)度 (Fineness)

細(xì)度表示粉煤灰顆粒的粗細(xì)程度，它是反應(yīng)粉煤灰活性的主要參數(shù)，因此也是評(píng)價(jià)粉煤灰優(yōu)劣的重要指標(biāo)。粉煤灰的細(xì)度通常由比表面積、45μm 篩余量、85μm 篩余量等指標(biāo)表示，細(xì)度的大小與其拌合物的強(qiáng)度有著很好的相關(guān)性。目前，我國(guó)通用的粉煤灰分級(jí)方法中，細(xì)度是區(qū)分商品混凝土用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ 級(jí)粉煤灰的重要參數(shù)，具體情況見表 1。

1.3燒失量 (Loss on ignition)

粉煤灰燒失量是指粉煤灰中未完全燃燒的成分（主要成分是碳）所占粉煤灰總量的百分含量。在燃煤發(fā)電廠中，一般認(rèn)為燒失量就是粉煤灰中的含碳量。粉煤灰中碳分的存在對(duì)粉煤灰質(zhì)量有很大的負(fù)面影響，主要表現(xiàn)在：

碳粒多為粗大多孔的結(jié)構(gòu)，易吸水。碳分含量越多，燒失量越大，其需水量也就越大。當(dāng)粉煤灰用于混凝土?xí)r，由于需水量的增大會(huì)導(dǎo)致泌水率的增加[19]。

燒失量越小，拌合物漿體的流動(dòng)性越好；反之越差[22]。

用作混凝土摻合料時(shí)，未燃碳分由于比重較小，遇水后會(huì)浮在混凝土的表層，影響混凝土的質(zhì)量和美觀。

多孔碳組分具有很強(qiáng)的吸附能力，能夠?qū)饺牖炷林械囊龤鈩?、引氣型減水劑等產(chǎn)生強(qiáng)烈吸附，從而增加用量和混凝土成本[19]。

表1　混凝土摻合料用粉煤灰分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[21]

1.4需水比 (Water demand ratio)

在一定的流動(dòng)度下，摻一定量粉煤灰的水泥膠砂的需水量與基準(zhǔn)水泥膠砂(不摻粉煤灰)的需水量之比，稱為需水比。粉煤灰需水比與其強(qiáng)度貢獻(xiàn)有著很好的相關(guān)性，而且其影響效果通常是養(yǎng)護(hù)早期高于后期。通常情況下，將需水比越小的粉煤灰摻入混凝土后，有減水作用，不僅可以增加混凝土強(qiáng)度，而且還可以提高混凝土抗?jié)B性和耐久性[23]。

1.5其他 (Others)

除上述指標(biāo)可以用來表征粉煤灰的品質(zhì)優(yōu)劣外，粉煤灰的密度、含硫量等也可以在一定程度上反應(yīng)粉煤灰的品質(zhì)[19]。另外，近年來有一些學(xué)者運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)的理論提出評(píng)價(jià)粉煤灰品質(zhì)的復(fù)合因子評(píng)價(jià)參數(shù)[24-26]，但還沒有得到廣泛的認(rèn)可和接受。

2　主要燃煤鍋爐類型和工況對(duì)粉煤灰品質(zhì)的影響

粉煤灰是煤在燃煤鍋爐中燃燒的產(chǎn)物，因此其品質(zhì)除了與原料（主要是燃煤種類、煤粉粒度等）因素有關(guān)以外，另外一個(gè)重要的因素就是鍋爐的類型和運(yùn)行狀況。按照燃燒方式分，鍋爐可分為層燃爐（鏈條爐和拋煤機(jī)爐）、煤粉爐、流化床爐、液態(tài)排渣爐（包括旋風(fēng)爐）等。不同燃燒方式的鍋爐，其工作運(yùn)行條件（爐膛溫度、送風(fēng)量等）大不相同，導(dǎo)致其產(chǎn)出的粉煤灰和灰渣的品質(zhì)也大有差異，同時(shí)飛灰與灰渣的比例也會(huì)有所不同。

2.1煤粉爐 (Pulverized coal combustion boiler)

煤粉爐又稱室燃爐，它是先將燃煤磨成粉狀，然后再用熱空氣將煤粉吹入爐膛中，煤粉在爐膛內(nèi)進(jìn)行懸浮燃燒的一種鍋爐。由于采取粉磨措施，使得煤的燃燒表面積大大增加，同時(shí)懸浮在爐膛內(nèi)可以充分接觸空氣而進(jìn)行富氧燃燒，從而該種鍋爐提高了煤的燃燒效率，使煤的燃燒程度提高，大大降低了產(chǎn)出粉煤灰中的碳分及其他可燃成分的含量。通常情況下，該爐子的爐膛溫度可高達(dá) 1450～1600℃，煤在其中燃燒充分，所以產(chǎn)出的粉煤灰含碳量較低（1%～5%），飛灰的比例可高達(dá) 90%，爐渣占 10%，而且粉煤灰的粒度大多在 3～100μm 的范圍內(nèi)，粒度小于 10μm 的顆粒可高達(dá)20%～40%，粉煤灰整體品質(zhì)很高[19,23]。

煤粉爐是目前我國(guó)燃煤發(fā)電廠主流的燃煤鍋爐，我國(guó)燃煤容量在 120t/h 及以上的鍋爐基本上都采用固體排渣煤粉爐[23]。

2.2層燃爐 (Gate coal combustion furnace)

層燃爐一個(gè)典型的特征就是存在一個(gè)金屬柵格——爐排（爐箅），燃煤置于其上，形成均勻的、具有一定厚度的燃料層并燃燒，這種鍋爐稱為層燃爐，又叫火床爐。如果爐排可以轉(zhuǎn)動(dòng)，那么就稱為鏈條爐。供燃燒用的一次風(fēng)從爐排下面用鼓風(fēng)機(jī)向上鼓入，使煤燃燒時(shí)得到充分的氧氣。通常情況下，爐膛內(nèi)的溫度為 1300～1400℃，燃燒用煤通常為塊狀原煤。層燃爐而對(duì)煤的質(zhì)量沒有要求，因此，這種燃燒方式也導(dǎo)致了產(chǎn)出的粉煤灰中可燃物較多，可高達(dá) 20%～30%，產(chǎn)出多為灰渣，飛灰比例較少（僅占 20%），而且飛灰粒度較大，大多在 100～200μm 之間[19]。故而，該燃煤鍋爐產(chǎn)出的粉煤灰品質(zhì)很差。常兵[27]研究了針對(duì)鏈條爐不同的配風(fēng)方式對(duì)燃煤燃燒和廢棄物排放情況的影響。研究認(rèn)為：采用推遲配風(fēng)方式，再結(jié)合特定的“雙人字型”爐拱，可以達(dá)到提高鍋爐效率、降低 NOx 排放的較好效果。

2.3旋風(fēng)爐 (Cyclone furnace)

粉狀燃料在爐膛內(nèi)進(jìn)行懸浮燃燒，并且由于鍋爐底部的設(shè)計(jì)使得其底部爐溫高達(dá) 160℃ 以上，這樣高的溫度使得燃料燃燒后以熔融態(tài)的形式排出，這種爐子被稱為液態(tài)排渣爐。旋風(fēng)爐是最為普遍的液態(tài)排渣爐，它的特點(diǎn)是在前置的圓筒形風(fēng)筒內(nèi)組織旋渦燃燒，強(qiáng)大的二次風(fēng)所造成的旋轉(zhuǎn)氣流將大部分燃料甩向圓筒內(nèi)壁，使旋風(fēng)筒內(nèi)的容積熱負(fù)荷達(dá)到煤粉爐的 10～30 倍[23]。雖然該種爐子爐膛溫度很高，但是由于燃燒產(chǎn)物多以液態(tài)渣排出，故而出渣率特別高，旋風(fēng)爐的出渣率一般可高達(dá) 85%～90%，飛灰僅占 10%～15%，粉煤灰產(chǎn)率較低，但其產(chǎn)出的粉煤灰品質(zhì)優(yōu)異，有利于進(jìn)一步的利用[19,28]。

2.4流化床鍋爐 (Fluidized bed combustion boiler)

流化床鍋爐也稱沸騰爐，是一種應(yīng)用比較成熟的鍋爐。目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用最為廣泛的流化床鍋爐當(dāng)屬循環(huán)流化床鍋爐，循環(huán)流化床鍋爐燃燒技術(shù)是一種較為成熟的清潔能源技術(shù)。循環(huán)流化床鍋爐通常搭載石灰石脫硫系統(tǒng)，而且其爐膛燃燒溫度較低（通常只有 750～900℃）[29,30]。因此，產(chǎn)出的粉煤灰往往具有較高的含硫量，雖然其活性相對(duì)于傳統(tǒng)的煤粉爐粉煤灰低，但是活性還是保持了一定的水平，在一定的機(jī)械活化作用下能夠表現(xiàn)出較好的性能[31,32]。

表 2 給出了主要鍋爐類型對(duì)應(yīng)的燃燒溫度以及對(duì)應(yīng)的灰渣特性情況。

3　結(jié)語及展望

隨著國(guó)家“十二五”規(guī)劃的提出和執(zhí)行，大宗工業(yè)固體廢棄物利用已逐漸被國(guó)人和企業(yè)界所重視。目前粉煤灰利用主要集中在水泥摻合料、路基路面填料等粗放型領(lǐng)域，而具有高附加值的粉煤灰產(chǎn)業(yè)很少，這主要取決于我國(guó)燃煤電廠產(chǎn)出的粉煤灰的品質(zhì)普遍較差，而且品質(zhì)波動(dòng)性較大。因此，為了能夠提高粉煤灰的綜合利用水平和經(jīng)濟(jì)效益水平，就應(yīng)該從粉煤灰產(chǎn)出源頭——燃煤鍋爐進(jìn)行嚴(yán)格控制和把關(guān)，為粉煤灰高新科技的發(fā)展和應(yīng)用打好基礎(chǔ)。

表2　鍋爐種類及其對(duì)應(yīng)的灰渣情況

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［通訊地址］北京市海淀區(qū)學(xué)院路丁 11 號(hào)（100083）

An overview of the effect of coal combustion boiler type on the properties of coal fly ash

Shao Ningning, Liu Ze, Wang Dongmin
(School of Chemical and Environmental Engineering, China University of Mining & Technology, Beijing 100083)

This paper established on the current conditions that the coal combustion technology and coal fly ash of China have brought severe challenges to the local environment and ecosystem. The effect of primary industrial coal combustion boiler type to the quality of coal ash have been summarized and analyzed in this study, which may provide some guidance for better usage of coal fly ash.

coal combustion boiler; type; coal fly ash; quality

邵寧寧（1989—），男，博士研究生，主要從事粉煤灰用于新型建筑材料方面的研究。