孫曉坤,熊 威

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京),北京100083)

循環(huán)流化床燃燒(CFBC)技術(shù)是一項(xiàng)近20年發(fā)展起來(lái)的清潔煤燃燒技術(shù)。它具有燃料適應(yīng)性廣、燃燒效率高、氮氧化物排放低、低成本石灰石爐內(nèi)脫硫、負(fù)荷調(diào)節(jié)比大和負(fù)荷調(diào)節(jié)快等突出優(yōu)點(diǎn)。隨著清潔能源技術(shù)的推動(dòng),循環(huán)流化床技術(shù)在電廠已日漸普及,產(chǎn)生大量的CFBC固硫灰。CFBC固硫灰是煤在循環(huán)流化床鍋爐里燃燒后的副產(chǎn)物,其生成溫度在700～900℃,比普通粉煤灰(PC粉煤灰)生成溫度(1 200～1 400℃)低得多,所以其化學(xué)組成、礦物組成、顆粒形貌和物化性能都有很大的不同[1-4]。隨著CFBC固硫灰日益增多,其研究和利用變得必要和急迫。地質(zhì)聚合物(geopolymers)是法國(guó)材料科學(xué)家Davidovits于20世紀(jì)70年代發(fā)明的一種無(wú)機(jī)高分子聚合物[5],其基本成分為鋁硅酸鹽,基本結(jié)構(gòu)為由[SiO4]和[AlO4]四面體構(gòu)成的無(wú)定形三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[6]。地質(zhì)聚合物具有許多突出的優(yōu)點(diǎn),如優(yōu)良的力學(xué)性能和耐久性、耐高溫、耐酸、可固結(jié)重金屬離子、低能耗、低有害氣體排放等[7,8],為此受到廣大科研工作者的重視。國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有大量關(guān)于地質(zhì)聚合物的研究,但大部分都是以普通粉煤灰或礦渣等固體廢棄物作為膠凝材料[9,10],以CFBC固硫灰為膠凝材料的研究直到2005年左右才開(kāi)始,國(guó)內(nèi)更少。因此,為了推廣CFBC固硫灰作為地質(zhì)聚合物膠凝材料的大量應(yīng)用。該文以100%CFBC固硫灰為膠凝材料,采用堿激發(fā)方法,系統(tǒng)研究了不同條件對(duì)CFBC固硫灰地質(zhì)聚合物強(qiáng)度的影響,為CFBC固硫灰作為地質(zhì)聚合物膠凝材料的應(yīng)用提供了有效的數(shù)據(jù)理論基礎(chǔ),為其進(jìn)一步的研究提供了依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 原材料

原材料是山西平朔煤矸石電廠分選出的中徑9μm 的CFBC 固硫灰,堿激發(fā)劑為模數(shù)3.3的水玻璃和NaOH 溶液。表1是CFBC固硫灰的化學(xué)組成:表2是原材料的物理性能。

表1 CFBC固硫灰化學(xué)組成

表2 CFBC固硫灰物理性能

由于試樣CFBC固硫灰標(biāo)稠和需水量比太大,該電廠固硫灰燒成溫度在750～850 ℃,很多性能與普通粉煤灰有很大不同。通過(guò)SEM,對(duì)普通標(biāo)準(zhǔn)2級(jí)粉煤灰和試樣CFBC固硫灰作了對(duì)比分析,見(jiàn)圖1、圖2。

由圖1可以看出,固硫灰試樣顆?；緵](méi)有成球,整體為多孔片狀物；圖2可以看出2級(jí)粉煤灰顆粒大多為大小不等的球體,對(duì)比兩者可知固硫灰試樣需水量大的根本原因是其成型為多孔片狀物。

激光粒度分析儀得到CFBC固硫灰粒徑分布如下:

中位徑:8.428μm；體積平均徑:13.01μm；面積平均徑:4.585μm；遮光率:12.33%；跨度:3.393；平均徑:1.841μm；比表面積:422.0 m2/kg；擬合殘差:1.055%。

由圖3可知,CFBC固硫灰粒度分布曲線相對(duì)較陡峭,粒度分布范圍較密集,30μm 以下約占90%,中位徑為約8μm,比表面積較大。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

CFBC固硫灰的水泥膠砂強(qiáng)度測(cè)定方法按照GB/T 17671—1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法》進(jìn)行,試塊尺寸采用100 mm×100 mm×100 mm。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 水玻璃模數(shù)和激發(fā)劑堿含量對(duì)強(qiáng)度的影響

取CFBC灰450 g,模數(shù)為0.8、1、1.2,激發(fā)劑含堿量(Na2O 質(zhì)量)分別為7%、8%、9%、12%、13%、17%,水灰比為0.67(CFBC 灰需水量大),設(shè)計(jì)試驗(yàn)如表3所示。分別測(cè)定23 ℃條件下1 d、3 d、7 d和60 ℃條件下2 h、3 h、4 h試塊的抗壓強(qiáng)度。

表3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)表

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4、圖5所示。圖4、圖5表明23 ℃和60 ℃下,模數(shù)1的強(qiáng)度整體水平明顯高于模數(shù)0.8和1.2；在23 ℃條件下,模數(shù)0.8、1、1.2時(shí),隨著激發(fā)劑堿含量的增大,強(qiáng)度均有上升趨勢(shì),且隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間增加,強(qiáng)度提高,但當(dāng)模數(shù)為0.8,激發(fā)劑堿含量由12%增加到13%時(shí),3 d和7 d強(qiáng)度會(huì)略有下降；隨激發(fā)劑堿含量由7%升到12%,強(qiáng)度隨之大幅提高,尤其是7%～9%強(qiáng)度提高更快,由12%～17%,強(qiáng)度變化緩慢,上下有略微波動(dòng)；60℃養(yǎng)護(hù),當(dāng)激發(fā)劑堿含量為7%～13%時(shí)與23℃下強(qiáng)度趨勢(shì)大致相同,而其明顯區(qū)別是當(dāng)激發(fā)劑堿含量為13%～17%,其強(qiáng)度有明顯下降趨勢(shì),且隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間增加,其強(qiáng)度整體水平有所下降。

2.2 養(yǎng)護(hù)溫度和堿液陳化溫度對(duì)強(qiáng)度的影響

激發(fā)劑堿含量為12%,模數(shù)為1,堿液陳化溫度為23 ℃,養(yǎng)護(hù)溫度分別為40 ℃、50 ℃、60 ℃、70 ℃、80 ℃,水灰比0.67,分別各養(yǎng)護(hù)2 h、3 h、4 h,測(cè)試試塊抗壓強(qiáng)度,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

由表4可知,隨養(yǎng)護(hù)溫度(40～80 ℃)的升高,養(yǎng)護(hù)2 h、3 h、4 h,強(qiáng)度先增大后減小,且在養(yǎng)護(hù)溫度為60 ℃時(shí)出現(xiàn)最大值。

表4 養(yǎng)護(hù)溫度(40～80 ℃)對(duì)強(qiáng)度的影響

激發(fā)劑堿含量為12%,模數(shù)為1,養(yǎng)護(hù)溫度為60 ℃,激發(fā)劑的陳化溫度分別為40 ℃、45 ℃、50 ℃、55 ℃、60 ℃,水灰比0.67,分別各養(yǎng)護(hù)2 h、3 h、4 h,測(cè)試試塊抗壓強(qiáng)度,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 激發(fā)劑陳化溫度對(duì)強(qiáng)度的影響

由表5可知,隨激發(fā)劑陳化溫度(40～60 ℃)的升高,60 ℃養(yǎng)護(hù)2 h、3 h、4 h,強(qiáng)度先增大后減小,且在陳化溫度為50 ℃時(shí)出現(xiàn)最大值。

3 結(jié) 論

a.激發(fā)劑模數(shù)和堿含量對(duì)CFBC固硫灰地質(zhì)聚合物強(qiáng)度影響明顯,文中當(dāng)堿激發(fā)劑模數(shù)為1時(shí),其他條件相同,強(qiáng)度有最大值；激發(fā)劑堿含量由7%提高到12%,強(qiáng)度隨之大幅提高,再提高激發(fā)劑堿含量(13%～17%),強(qiáng)度變化不明顯,且在高溫養(yǎng)護(hù)60 ℃時(shí),強(qiáng)度反而明顯下降。

b.養(yǎng)護(hù)溫度和激發(fā)劑陳化溫度和CFBC固硫灰地質(zhì)聚合物強(qiáng)度不是簡(jiǎn)單的正相關(guān)關(guān)系,而是隨著其溫度的提高,強(qiáng)度先增大,后減小,且在某一溫度取得最大值；室溫養(yǎng)護(hù)時(shí),強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間增加而增大；高溫養(yǎng)護(hù)60 ℃時(shí),養(yǎng)護(hù)達(dá)到一定時(shí)間后,強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加反而減小,且在某一養(yǎng)護(hù)時(shí)間處有最大值。

c.由CFBC固硫灰的形貌特征決定其地質(zhì)聚合物試塊水灰比很大(0.67),這很大程度制約了其強(qiáng)度的發(fā)展,故減小CFBC固硫灰的需水量成了優(yōu)化其性能和適應(yīng)性的重要途徑。有兩種方法可參考:(1)從物理形貌出發(fā),改變其顆粒粒度和形貌來(lái)減小需水量,如適當(dāng)粉磨；(2)從化學(xué)方向出發(fā),開(kāi)發(fā)合適的CFBC 固硫灰減水劑,減小其需水量。從節(jié)能高效方面考慮,減水劑的開(kāi)發(fā)更優(yōu)。