丁健

（天津渤化永利化工股份有限公司,天津300450）

我國(guó)的主要能源以煤炭為主。目前我國(guó)的一次能源（煤、石油、水力、核能等）消耗中，煤炭占67%，還將持續(xù)增長(zhǎng)。我國(guó)一次能源的這個(gè)實(shí)際情況決定了我國(guó)電力工業(yè)的裝機(jī)必然以燃煤電機(jī)組為主、其他發(fā)電機(jī)組為輔的格局。但同時(shí)，燃煤電廠也是污染大戶(hù)。

燃煤電廠以煤炭為燃料，煤炭燃燒后會(huì)產(chǎn)生大量的粉煤灰。我國(guó)的粉煤灰隨著電力工業(yè)，尤其是燃煤電廠的迅猛發(fā)展，排放量急劇增加。更重要的是，質(zhì)量很輕的粉煤灰會(huì)隨風(fēng)飛揚(yáng)，如果環(huán)保措施不當(dāng)，會(huì)影響數(shù)公里范圍，對(duì)周邊居民的生活和健康造成巨大影響，嚴(yán)重的情況甚至?xí)廴敬髿?、土壤和水資源[1]。粉煤灰的大量存貯堆放和污染一直是燃煤火電廠非常棘手的問(wèn)題，如何對(duì)大量貯存堆放的粉煤灰進(jìn)行有效處理和資源化利用，一直是燃煤電廠非常關(guān)注的問(wèn)題，同時(shí)也是眾多電力環(huán)保工作者悉心研究的課題。

燃煤火電廠是污染大戶(hù)的另一個(gè)重要方面表現(xiàn)在，它會(huì)向大氣中排放大量的二氧化硫等有害氣體。二氧化硫是大氣主要污染物之一，它溶于水可以形成酸雨，還可以造成光化學(xué)污染，其大量無(wú)組織排放對(duì)自然環(huán)境和人類(lèi)健康會(huì)造成很大危害。目前，解決燃煤電廠大量排放二氧化硫的問(wèn)題，最有效的途徑是對(duì)燃煤電廠排放的尾氣實(shí)施煙氣脫硫。其中，濕式石灰石（石灰）-石膏法用石灰石作為吸收劑，價(jià)廉易得，此法技術(shù)成熟，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，對(duì)SO2脫除率高，適用于任何煤種，副產(chǎn)品是脫硫石膏可用率高。世界各國(guó)的大型火電廠中，90%以上采用此技術(shù)。

石灰石（石灰）-石膏濕法脫硫工藝的副產(chǎn)物中有大量的脫硫石膏。脫硫石膏與天然石膏的主成分相同，均為二水合硫酸鈣CaSO4·2H2O，呈粉末狀。

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展以及人民生活水平的提高，我國(guó)工業(yè)和生活用電量將會(huì)以較大幅度持續(xù)增長(zhǎng)，建設(shè)一批大機(jī)組燃煤電廠和實(shí)施煙氣脫硫是必然趨勢(shì)。與此同時(shí)，燃煤電廠將排放出大量的粉煤灰和脫硫石膏，這是燃煤電廠伴生的一個(gè)重要問(wèn)題。對(duì)于粉煤灰和脫硫石膏這兩大固體廢物，要較好的處理和利用，達(dá)到固廢資源化，不僅對(duì)電廠本身具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保意義，而且對(duì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及試劑

粉煤灰綜合利用實(shí)驗(yàn)中使用的設(shè)備如表1所示。

表1 粉煤灰綜合利用實(shí)驗(yàn)中使用的設(shè)備

粉煤灰綜合利用實(shí)驗(yàn)中所用原料及化學(xué)藥品如表2所示。

表2 粉煤灰綜合利用實(shí)驗(yàn)中所用原料及化學(xué)藥品

1.2 實(shí)驗(yàn)依據(jù)

經(jīng)過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研可知，粉煤灰在膠結(jié)材料上的應(yīng)用，很大程度上取決于Al2O3、SiO2、CaO三種氧化物的含量以及反應(yīng)活性。粉煤灰玻璃體的主要組成物質(zhì)是Al2O3和SiO2，粉煤灰的主要膠結(jié)組分是CaO，CaO含量的高低直接影響產(chǎn)品的性能。我們通常將石膏作為水泥緩凝劑，其原理為：水泥熟料中鋁酸三鈣（簡(jiǎn)稱(chēng)C3A）遇到水迅速會(huì)很快反應(yīng)，生成鋁酸鈣水化物，導(dǎo)致水泥漿體快速凝結(jié)成型，不利于施工。當(dāng)石膏加入后，阻止C3A與水反應(yīng)。首先石膏與C3A反應(yīng)，生成難溶于水的水合硫鋁酸鈣，即鈣礬石，反應(yīng)過(guò)程式子如下：

鈣礬石在C3A顆粒表面形成一層包裹，可以暫緩C3A進(jìn)行水化，使水泥的凝結(jié)時(shí)間得到延緩，有利于工人施工[2]。

水泥熟料的主要成分為：硅酸三鈣（Ca3O5Si）、硅 酸 二 鈣 （Ca2O6Si2）、 鐵 鋁 酸 四 鈣（4CaO·Al2O3·Fe2O3）、鋁酸三鈣（3CaO·Al2O3）。當(dāng)水泥熟料與水接觸之后，其中的硅酸三鈣、硅酸二鈣早期水化反應(yīng)生成大量的Ca(OH)2堿性激發(fā)劑，這樣可以增加粉煤灰混合物液相中的OH-濃度，促進(jìn)粉煤灰玻璃體中Si-O鍵和Al-O鍵的斷裂，從而使粉煤灰玻璃體中的SiO2和Al2O3具有活性，在玻璃體的球型顆粒表面體現(xiàn)出來(lái)。但是因?yàn)檫@是一個(gè)緩慢的過(guò)程，所以會(huì)使?jié){體早期的強(qiáng)度很低。只要提高液相堿度，可使此過(guò)程加速?；旌衔锪现袎A性越強(qiáng)，pH越高，越有助于粉煤灰玻璃體特征的體現(xiàn)。

鑒于上述三種材料能夠相輔相成，因此用粉煤灰和脫硫石膏作為本項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的主要原料，摻雜少量的水泥熟料，詳細(xì)摸索上述三種主要原料的配比，制備出抗折和抗壓性能等綜合性能優(yōu)于同等質(zhì)量的水泥用量的膠凝材料，變廢為寶，也將大大減少水泥用量；將來(lái)制備的膠結(jié)材料主要用于制備建筑膠砂、混凝土或者建筑墻體裝修材料等。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 粉煤灰和石膏的配比對(duì)產(chǎn)品強(qiáng)度的影響

按照粉煤灰與脫硫石膏1∶3、1∶1、3∶1的比例組織配方一如表3，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)所做的膠結(jié)材砌塊分別在自然條件下和標(biāo)準(zhǔn)條件下（20℃、濕度90），養(yǎng)護(hù)14d和28d，經(jīng)檢測(cè)得出數(shù)據(jù)如圖1、2。

圖1 砌塊抗壓強(qiáng)度

表3 膠結(jié)材砌塊配方一

圖2 砌塊抗折強(qiáng)度

由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出：增加配料中粉煤灰的量能提高產(chǎn)品的抗壓和抗折性能，但粉煤灰的加入量過(guò)多會(huì)影響砌塊的性能，實(shí)驗(yàn)中粉煤灰與脫硫石膏比例為1∶1時(shí)，表現(xiàn)最佳。脫硫石膏具有粒度集中，級(jí)配差的特點(diǎn)。由脫硫石膏加水拌制成的漿體流動(dòng)性較差。摻入球形微粒結(jié)構(gòu)的粉煤灰，能夠使?jié){體的流動(dòng)性得到一定的改善，這是因?yàn)榉勖夯业那蛐挝⒘＝Y(jié)構(gòu)表面是光滑的，易于滑動(dòng)，這樣可以使最終膠結(jié)材的級(jí)配得到優(yōu)化，降低標(biāo)準(zhǔn)稠度的需水量。

2.2 砂子配比對(duì)產(chǎn)品強(qiáng)度的影響

按照水泥占灰膏（粉煤灰和石膏）總質(zhì)量的40%，砂子添加量為灰膏總質(zhì)量的20%、30%、40%、50%的比例組織配方二如表4，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)所做的膠結(jié)材砌塊分別在自然條件下和標(biāo)準(zhǔn)條件下（20℃、濕度90），養(yǎng)護(hù)14d和28d，經(jīng)檢測(cè)得出數(shù)據(jù)如圖3、4。

表4 膠結(jié)材砌塊配方二

圖3 砌塊抗壓強(qiáng)度

圖4 砌塊抗折強(qiáng)度

由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出：加大沙子的加入量，砌塊的抗壓強(qiáng)度由試驗(yàn)3.1中的最大值7 MPa提升至16MPa。沙子能夠起到骨架的作用，水泥填充上砂子之間的空隙,從而形成密實(shí)的堆積結(jié)構(gòu)，這樣可以防止砌塊離析和嚴(yán)重泌水的情況發(fā)生，提高拌合物的粘聚力。

2.3 CaO配比對(duì)產(chǎn)品強(qiáng)度的影響

為了研究促進(jìn)劑CaO對(duì)砌塊性能的影響，以配方一為基礎(chǔ)添加CaO組織配方三如表5，進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)所做的膠結(jié)材砌塊分別在自然條件下和標(biāo)準(zhǔn)條件下（20℃、濕度90），養(yǎng)護(hù)14d和28d，經(jīng)檢測(cè)得出數(shù)據(jù)如圖5、6。

表5 膠結(jié)材砌塊配方三

圖5 砌塊抗壓強(qiáng)度

圖6 砌塊抗折強(qiáng)度

由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出：促進(jìn)劑CaO的加入，能夠提高砌塊的早期強(qiáng)度，在砌塊養(yǎng)護(hù)14d時(shí)，即可得到本組實(shí)驗(yàn)的最高值。這是由于石灰特殊的比表面積和結(jié)構(gòu)，石灰與水的反應(yīng)初期會(huì)放出大量熱量，生成氫氧化鈣。在這種堿性條件下，可以促進(jìn)了粉煤灰玻璃體中Si-O鍵和Al-O鍵斷裂，使粉煤灰玻璃體中SiO2和Al2O3具有活性，在玻璃球型顆粒表面更容易溶出。

2.4 水泥配比對(duì)產(chǎn)品強(qiáng)度的影響

為了探究配料中水泥對(duì)砌塊性能的影響，以水泥與灰膏（粉煤灰+石膏）的不同比例添加水泥組織配方四如表6，進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)所做的膠結(jié)材砌塊分別在自然條件下和標(biāo)準(zhǔn)條件下（20℃、濕度90），養(yǎng)護(hù)14d和28d，經(jīng)檢測(cè)得出數(shù)據(jù)如圖7、8。

表6 膠結(jié)材砌塊配方四

圖7 砌塊抗壓強(qiáng)度

圖8 砌塊抗折強(qiáng)度

由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出：隨著提高水泥與灰膏（粉煤灰+石膏）的比例可以提高產(chǎn)品的抗壓和抗折性能。這是由于水泥熟料水化后能產(chǎn)生大量具有活性的氫氧化鈣，隨著膠結(jié)材水化過(guò)程的進(jìn)行，活性氫氧化鈣不斷的得到補(bǔ)充，到了反應(yīng)后期膠結(jié)材砌塊就會(huì)具有較好的性能。

3 結(jié)論

本試驗(yàn)揭示了各個(gè)因素對(duì)粉煤灰-脫硫石膏膠結(jié)材強(qiáng)度的影響：1）增加粉煤灰的摻入量能提高產(chǎn)品的抗壓和抗折性能，但過(guò)度添加粉煤灰會(huì)導(dǎo)致砌塊的性能表現(xiàn)不佳；2）沙子的摻入，可以增強(qiáng)砌塊的抗壓強(qiáng)度；3）加入促進(jìn)劑CaO，能夠促進(jìn)反應(yīng)，提高砌塊的早期強(qiáng)度；4）增加水泥的摻入量可以提高產(chǎn)品的抗壓和抗折性能。