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        CFB灰代換粉煤灰用于地基處理的可能性初探

        2021-04-06 10:05:56申鐵軍
        黑龍江交通科技 2021年3期
        關(guān)鍵詞:灰渣膠凝煤粉

        吳 非,申鐵軍

        (山西路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司,山西 太原 030006)

        0 引 言

        煤化工產(chǎn)品生產(chǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的燃燒后灰分結(jié)渣,如粉煤灰已被土木工程建設(shè)廣泛使用,CFB灰渣與粉煤灰同屬于煤化工固體廢棄物,如果因地制宜,就地取材,將其科學(xué)、高效利用,變廢為寶,既降低工程建設(shè)施工成本,又可助力煤化工企業(yè)綠色發(fā)展,同時(shí)減少固廢填埋和砂石開(kāi)采引起的環(huán)境污染,可具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

        1 CFB灰渣代換粉煤灰的有效性

        1.1 CFB灰渣

        CFB是Circulating Fluidized Bed的英文縮寫(xiě),是煤化工企業(yè)、火力發(fā)電廠的循環(huán)流化床鍋爐機(jī)組生產(chǎn)出來(lái)的一種較煤粉燃燒技術(shù)燃料適用性、污染物排放都有較大優(yōu)勢(shì)的燃燒灰渣。煤在循環(huán)流化床鍋爐(Circulating Fluidized Bed)在730~930 ℃的高溫下采用干法脫硫技術(shù)形成CFB灰渣,同時(shí)釋放大量CO2,其中,飛灰約占55%,底渣約占45%,所以簡(jiǎn)稱(chēng)CFB灰渣。

        1.2 CFB灰與粉煤灰的異同點(diǎn)

        CFB灰渣、粉煤灰均為煤燃燒發(fā)電后排出的灰渣。但由于采用不同類(lèi)型鍋爐與脫硫工藝,導(dǎo)致CFB灰渣與煤粉鍋爐粉煤灰和爐渣存在較大的差異。

        (1)形成過(guò)程與燃料品質(zhì)

        CFB鍋爐脫硫方式為爐內(nèi)干法+尾部半干法,燃燒溫度730~950 ℃,且多采用爐內(nèi)脫硫或爐內(nèi)脫硫與爐外煙氣脫硫相結(jié)合的脫硫工藝,而爐內(nèi)脫硫主要采用噴入石灰石粉的方式。粉煤灰脫硫方式為尾部濕法,煤粉爐燃燒溫度均大于1 200 ℃,主要采用爐外煙氣濕法脫硫。CFB鍋爐燃料主要采用劣質(zhì)煤、煤矸石、煤泥等,一般含硫量較高,且入爐粒度小于9 mm,導(dǎo)致灰渣排放量大(約為燃煤量的60%~70%),其中灰渣的比例約為1∶1~1.5∶1。而煤粉爐主要采用高熱值低硫煤,入爐煤采用粉煤,灰渣排放量小(約為燃煤量的15%~25%),主要以粉煤灰為主。

        (2)化學(xué)成分與礦物組成

        CFB灰渣與粉煤灰均是煤燃燒后的灰燼,故其主要成分SiO2、Al2O3含量相近。但對(duì)于采用爐內(nèi)脫硫的CFB灰渣而言,由于爐內(nèi)噴入了一定量石灰石粉,導(dǎo)致CFB灰渣中CaO、SO3含量升高。粉煤灰經(jīng)1 200 ℃以上高溫熔融而后冷卻而成,主要是玻璃態(tài)的圓球形顆粒,具有較好火山灰活性和較低的需水性。而CFB灰渣主要礦物為石英和脫水粘土礦物、活性硅、鋁及少量的鋁酸鈣等產(chǎn)物,以及CaSO4、CaCO3、f-CaO等。CFB灰渣也具有較好的火山灰活性,且大部分優(yōu)于煤粉爐粉煤灰。但由于形成溫度低、結(jié)構(gòu)疏松多孔,需水量大,對(duì)外加劑的吸附性強(qiáng),再加上對(duì)其中f-CaO、CaSO4、CaCO3缺乏認(rèn)識(shí)和調(diào)控技術(shù),導(dǎo)致其在水泥與混凝土中利用受限。CFB灰渣的礦物組成為石英、脫水粘土礦物、氧化鈣、碳酸鈣,無(wú)水硫酸鈣,亞硫酸鈣,無(wú)定形相粉煤灰的礦物組成為石英,莫來(lái)石,無(wú)定形相硫酸鹽,f-CaO。

        2 CFB灰渣的物理化學(xué)特性

        CFB灰渣由塊粒狀渣與粉末狀灰組成,塊粒狀渣表面多孔,內(nèi)部呈蜂窩狀,質(zhì)地堅(jiān)硬。其容重為1 200~1 300 kg/m3,吸水率為9%~11%,主要成份為:SiO2,Al2O3,CaO,F(xiàn)e2O3,其礦物成份包括為石英、脫水粘土礦物、氫氧化鈣、碳酸鈣、無(wú)水硫酸鈣,亞硫酸鈣,無(wú)定形相,性質(zhì)穩(wěn)定。與粉煤灰相比,F(xiàn)e2O3含量較高,故而CFB灰呈暗紅色。CaO含量為5%~8%,但f-CaO不到1%,SO3含量也低于3%,是一種質(zhì)量較好的灰。其礦物成分SiO2、CaSO4、mCaO.nAl2O3具有較好的水化活性,在潮濕空氣中易較快結(jié)硬板結(jié)。見(jiàn)表1,表2。

        表1 CFB灰與粉煤灰指標(biāo)對(duì)比表

        表2 CFB灰渣化學(xué)成份表

        3 CFB灰渣的穩(wěn)定性分析

        穩(wěn)定性與崩解性:CFB灰渣燒失量約10%~30%,這是CFB灰渣未完全氣化、釋放揮發(fā)分形成的焦炭類(lèi)物質(zhì),性質(zhì)穩(wěn)定;而且CFB灰渣在排出前經(jīng)歷了高溫熔融燒結(jié),其中含有的約6%~9%CaO發(fā)生了充分的化合反應(yīng),形成了莫來(lái)石和鈣長(zhǎng)石以及無(wú)定型的玻璃體等性質(zhì)穩(wěn)定的礦相。而常見(jiàn)的體積不穩(wěn)定類(lèi)固廢比如鋼渣與CFB灰渣性質(zhì)大不相同,鋼渣中CaO含量可達(dá)50%,且有部分被包裹未化合的游離氧化鈣(f-CaO),緩慢水化后轉(zhuǎn)變?yōu)闅溲趸?,因而具有潛在膨脹性。?guó)內(nèi)CFB灰渣有用于生產(chǎn)免燒磚、輕質(zhì)墻板以及硅酸鹽水泥混合材料的報(bào)道,目前尚無(wú)膨脹破壞或其他體積不穩(wěn)定性的報(bào)道。堆場(chǎng)CFB灰渣經(jīng)過(guò)數(shù)十年的風(fēng)化和雨水沖刷,仍保持初排渣時(shí)具有的粒徑,表明CFB灰渣和煤矸石等具有天然巖石風(fēng)化特征的固廢不同,基本不會(huì)出現(xiàn)崩解等問(wèn)題。在實(shí)驗(yàn)室將CFB灰渣浸泡3個(gè)月后,CFB灰渣仍基本保持原性狀。因此CFB灰渣是一種性質(zhì)穩(wěn)定、不易風(fēng)化、不易崩解的工業(yè)固體廢棄材料。

        4 CFB灰渣的使用性能分析

        4.1 CFB混凝土抗壓強(qiáng)度

        CFB灰渣具有火山灰活性,火山灰反應(yīng)較為緩慢,其強(qiáng)度在28 d、60 d甚至90 d后才體現(xiàn)出來(lái),因此會(huì)導(dǎo)致水泥強(qiáng)度比純硅酸鹽水泥要低,特別是早期強(qiáng)度嚴(yán)重偏低,但恰恰正好滿足地下GFG樁基的使用性能,見(jiàn)表3。

        表3 CFB灰渣對(duì)CFG樁基抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)表

        從表3可看出,CFB灰渣的抗壓強(qiáng)度的增長(zhǎng)規(guī)律,第6組28 d強(qiáng)度達(dá)到23.5 MPa,滿足CFG樁的抗壓強(qiáng)度要求,CFB灰渣中的灰與水泥組成膠凝材料,CFB灰渣中的渣代替CFG樁中的碎石充當(dāng)骨料,從而形成CFB樁,與CFG樁相比,每方僅用水泥150kg,且完全不用碎石,具有很大的經(jīng)濟(jì)效益。

        4.2 激發(fā)作用分析

        CFB灰渣中含有大量的SiO2和Al2O3等具有膠凝活性的物質(zhì),如外加劑以一定的方式對(duì)其進(jìn)行激發(fā),對(duì)灰渣表面進(jìn)行改性,使其表面具有膠凝活性的位點(diǎn)進(jìn)一步增多,即以物理方式對(duì)爐渣活性進(jìn)行了激發(fā)。同時(shí),通過(guò)外加劑的激活作用與水泥水化產(chǎn)生的Ca(OH)2及其產(chǎn)生的堿性環(huán)境則會(huì)對(duì)CFB灰渣活性進(jìn)行化學(xué)激發(fā),從而實(shí)現(xiàn)CFB灰渣膠凝活性的物理化學(xué)復(fù)合激發(fā), 從而在材料組成與性

        能上,即為抗壓強(qiáng)度增高、水泥用量降低,耐久性更好。

        4.3 抗凍性能分析

        (1)CFB灰渣中的灰具有與粉煤灰相似的作用,使混凝土/混合料結(jié)構(gòu)更為致密,水分所占孔隙體積減小,從而降低了凍脹發(fā)生的概率,所以CFB灰的添加使得其抗凍性得到進(jìn)一步提高,凍脹約束力增強(qiáng)。

        (2)CFB灰渣顆粒內(nèi)部有大量閉孔及被封閉通孔存在,降低了材料的導(dǎo)熱系數(shù),所以CFB灰渣的保溫抗凍性滿足地下工程CFG樁的要求。

        5 CFB灰渣與水泥適應(yīng)性試驗(yàn)

        以基準(zhǔn)水泥與CFB灰渣的重量比m水泥:mCFB=15∶85為例,見(jiàn)表4。

        從表4可看出,基準(zhǔn)水泥與CFB灰基本上是匹配的,水泥漿材料配比為:m水泥:mCFB=15∶85;水固比為1∶1.2~1∶1.4為佳。

        6 結(jié) 語(yǔ)

        目前,國(guó)內(nèi)對(duì)CFB灰渣的分類(lèi)、各類(lèi)CFB灰渣的理化性質(zhì)尚無(wú)系統(tǒng)性研究,CFB灰渣還不能被廣泛應(yīng)用于無(wú)害化、大體量化資源化利用。通過(guò)以上分析,為實(shí)現(xiàn)CFB灰渣大體積資源化利用提供了可能。

        表4 水泥與CFB灰適應(yīng)性試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

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