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CFB炉渣特征及活性评价

发表时间：2020/9/29 来源：《基层建设》2020年第17期作者：崔韬1 韩鲁嘉2 靳秀芝3 韩涛3 王泽天3

[导读] 摘要：本文利用XRD和SEM等测试分析方法，研究了煤矸石循环流化床发电（CFB）炉渣特性，利用强度贡献率法研究了CFB炉渣用作水泥混凝土掺合料的活性。

        1太原市材料工业服务中心山西太原 030001；
        2山西鲁嘉环境工程材料科技有限公司山西太原 030031；
        3中北大学材料科学与工程学院山西太原 030051
        摘要：本文利用XRD和SEM等测试分析方法，研究了煤矸石循环流化床发电（CFB）炉渣特性，利用强度贡献率法研究了CFB炉渣用作水泥混凝土掺合料的活性。结果分析表明，CFB炉渣以无定性SiO2和Al2O3为主要矿物，存在多孔结构。在一定细度下，CFB炉渣具有火山灰活性，将其加入到水泥中，会引起早期强度降低，对水泥的后期强度发展有利。
        关键词：炉渣；矿物组成；水化；活性
        引言
        利用煤矸石发电是综合利用煤矸石最有效手段之一，既可以有效利用其中碳产热发电，又实现了煤矸石矿物的煅烧加工。目前，循环流化床（CFB）发电技术是有效利用煤矸石、煤泥和劣质煤发电首选。CFB锅炉为低温锅炉，正常炉温在850℃～950℃之间[1]，产生的炉渣和飞灰与常规煤粉炉不同，直接用在水泥混凝土中，会影响水泥混凝土的工作性、强度等性能[2，3]。有学者分别从CFB灰渣外观形态、矿物组成等对其进行的初步研究，得出了许多有参考价值的结论[4-6]。
        本文以大同某热电厂的煤矸石循环流化床炉渣为研究对象，在研究其物化特性的基础上，评价其在水泥混凝土中的活性，为有效加工CFB灰渣提供参考。
        1 试验
        1.1试验材料
        1.1.1 熟料
        熟料来源于山西智海榆次水泥分公司，化学组成见表1。标准磨粉磨45min，比表面积为325m2/kg。
        表1 熟料的化学组成

        1.1.2石膏
        天然石膏，粉磨45min，其SO3含量为37.14%。
        1.1.3 CFB炉渣
        CFB炉渣来源于大同国投电厂，化学组成见表2，炉渣粉密度2.57g/cm3。
        表2 CFB炉渣化学成分

        1.2试验方法
        1.2.1 炉渣形貌分析（SEM）
        扫描电镜型号为日立S-4800。
        1.2.2 X-衍射（XRD）分析
        X射线衍射仪型号为D/max-RB X射线衍射仪（日本理学制造），铜靶Kα、λ=0.1543nm。
        1.2.3 活性指数
        活性指数依据《GB/T 2847-2005 用于水泥中的火山灰质混合材》进行。
        2结果与分析
        2.1 CFB灰渣特征
        2.1.2 CFB炉渣形貌
        CFB炉渣宏观形貌见图1a和1b，其组成为粗细相间的颗粒状物料，由白色颗粒和黑色颗粒组成，黑色颗粒约占5%左右，与化学成分中的烧失量相当。利用扫描电镜观测发现，黑色颗粒呈多孔结构，为未燃尽的碳，见图1c；白色颗粒较为致密，类似矿渣颗粒，见图1d。从微观形貌上看，此类炉渣用在水泥混凝土中，可能会增加用水量。

        a：未磨炉渣                     b：未磨炉渣

        c：黑色颗粒                       d：白色颗粒
        图1炉渣SEM图
        2.1.2 CFB炉渣矿物组成
        炉渣的X衍射见图2。由图可知，CFB炉渣的主要矿物为无定性SiO2和Al2O3，少量无定性硅铝氧化物，类似于偏高岭土。矿物组成与其燃烧温度（850℃-960℃）相关性良好，无水石膏衍射峰不明显，可能与SO3含量较少有关。从矿物组成上看，此类炉渣有较高的水化活性。

        图2 炉渣的XRD图
        2.2 CFB炉渣的活性评价
        2.2.1 CFB炉渣的活性指数
        采用活性指数来评价炉渣的活性，活性指数依据GB/T 2847-2005《用于水泥中的火山灰质混合材》进行，CFB炉渣粉的活性指数以掺30%炉渣的水泥胶砂强度与不掺炉渣的硅酸盐水泥胶砂的抗压强度的百分比率来表示。活性指数越大，说明炉渣的活性越好。实验配比与胶砂28天强度见表3。
        表3 CFB炉渣活性指数测试数据

        试验方法按《GB/T 17671-1999 水泥胶砂强度检验方法》进行。分别测定试验样品的28d抗压强度R28和对比水泥胶砂的28d抗压强度R028。按式1计算28d活性指数K28。
        K28=（R28/R028）×100%=（38.44/48.82）×100%=78.74%≥65% （式1）
        式中：R28—掺30%炉渣的胶砂28d抗压强度MPa；
        R028—对比水泥胶砂28d抗压强度MPa。
        炉渣的活性指数K28=78.74%＞65%，由活性指数说明炉渣具有一定的火山灰活性。
        2.2.2CFB炉渣细度对活性的影响
        在水泥-CFB炉渣复合胶凝体系中，材料的强度来源于水泥对强度的贡献和CFB炉渣对强度的贡献。
        设试样中熟料和石膏的掺量为Pc，炉渣掺量为Ps，水固比相同的情况下，对比试样的强度与熟料和炉渣掺量直接相关，若假定其强度与水泥掺量和炉渣掺量呈线性关系，则：
        R=R0Pc+RxPs                      （式2）
        式中：R—对比试样的强度（MPa）；
        R0—基准试样（熟料+石膏）的强度（MPa）；
        Rx—对比试样中与炉渣增强效应相关的强度（MPa）；
        Pc—熟料和石膏的掺量（%）；
        Ps—炉渣掺量（%）。
        在式2中，Ps是自变量，是本次实验的控制因素，R0是常数，是基准试样（熟料+石膏）的强度，R是一个观测值，可以通过检测试样的强度得出，只有Rx通过试验无法直接读出。考虑到本次实验的目的是CFB炉渣强度贡献的研究，而其直观的定义也是与炉渣贡献相关的强度，因此将CFB炉渣强度贡献率p定义为掺CFB炉渣的试样中CFB炉渣增强效应相关强度与该试验强度实测值的比值，即：
                                   （式3）
        结合式2和式3可得
                            （式4）
        （1）炉渣对水泥体系强度贡献率与掺量的关系
        利用式4计算CFB炉渣（比表面积434m2/kg）对强度的贡献率，见图3。由图3可知，炉渣掺量为5%时，CFB炉渣对水泥抗压强度强度的贡献率大于0，说明在水泥中掺入少量CFB炉渣粉，可以提高水泥的强度。CFB炉渣掺量大于5%时，3天和7天龄期强度贡献率均要小于0，28天龄期CFB炉渣的强度贡献率均大于0，说明CFB炉渣掺入水泥中会导致早期强度降低，对水泥后期强度发展有利。当CFB炉渣细粉掺量为5%时，CFB炉渣细粉掺量少，体系中的Ca（OH）2的含量能满足激发炉渣活性的要求[7]，使CFB炉渣细粉表现出较大水化活性，随着CFB炉渣细粉掺量增加时，体系中Ca（OH）2的含量变少，使炉渣水化早期的反应程度低、水化产物少，炉渣在体系中主要起到填充作用，导致炉渣对早期强度的贡献小，对水泥强度造成不利影响；7天龄期后，随着体系中Ca（OH）2与炉渣反应增加，炉渣活性逐渐被激发，炉渣水化产物增多，其对水泥体系强度贡献率逐渐增大，到28天龄期时，各掺量下炉渣均有利于水泥体系强度的发展。

        图3 炉渣粉强度贡献率与掺量关系
        （2）炉渣对水泥体系强度贡献率与细度的关系
        利用式4计算CFB炉渣细度（掺量为30%）对强度的贡献率，见图4。由图4中可知，在CFB炉渣细粉掺量为50%时，各种细度的CFB炉渣粉对3天和7天龄期强度的贡献率均小于0，对28天龄期强度的贡献率均大于0，随细度增大，强度贡献率增加变缓；在各龄期下，CFB炉渣对强度的贡献率随CFB炉渣细粉比表面积的增大而增大。这是由于细磨的CFB炉渣粉颗粒直径小，与较粗的水泥颗粒配合形成较合理的颗粒级配，起到密实填充作用；同时，炉渣经过机械力活化后，炉渣的活性增强，表面自由能增大，表面晶格畸变增加，从而可以产生更多的水化产物，增加对强度的贡献。

        图4 炉渣粉强度贡献率与细度关系
        3.结论
        1）CFB炉渣的主要矿物为无定性SiO2、Al2O3和少量无定性硅铝氧化物，存在5%多孔材料。
        2）比表面积为400m2/kg的CFB炉渣粉的活性指数为78.74%，符合《GB/T 2847-2005 用于水泥中的火山灰质混合材》中对于火山灰质混合材活性的要求。
        3）CFB炉渣粉掺量小于5%时，CFB炉渣粉对水泥-CFB炉渣复合胶凝体系的强度具有较大的贡献，增加掺量会使CFB炉渣粉对强度的贡献率显著下降。比表面积越大的CFB炉渣粉对强度的贡献率越大，但在后期仅增加CFB炉渣粉的比表面积不能明显增加CFB炉渣粉对强度的贡献率。
        参考文献：
        [1] Dongfang Li，Xiwei Ke，Man Zhang，et al.A comprehensive mass balance model of a 550 MWe ultra-supercritical CFB boiler with internal circulation[J].Energy，2020，206：1-9
        [2] 赵少鹏，陆加越，沙建芳等.煤矸石电厂CFB粉煤灰与炉渣的特性对比研究[J].水泥，2016，08：7-10.
        [3] 李昊，陈午凤，王长安等.急冷处理对CFB锅炉底渣脱硫特性的影响[J].化工学报，2016，09：3583-3589．．
        [4] 赵计辉，王栋民，惠飞等.循环流化床灰渣作为水泥混合材的研究及性能改善[J].科学技术与工程，2014，18：129-134
        [5] 任才富，王栋民，郑大鹏等.循环流化床粉煤灰特性与利用研究进展[J].商品混凝土，2016，01：26-29.
        [6] 陈袁魁，袁龙华，朱龙飞等.CFB脱硫灰渣用作水泥混合材的研究[J].新世纪水泥导报，2014，04：15-19.
        [7] 何宏舟，过伟丽.循环流化床锅炉炉内脱硫灰渣的水化特性研究[J].煤炭转化.2010，03：72-75.
        作者简介：
        崔韬（1987-），男，山西太原人，本科，从事水泥生产企业管理、新技术新工艺推广应用与性能研究工作。
        基金项目：
        山西省科技重大专项燃煤灰渣与工业副产石膏耦合制备超高强功能建筑材料技术（MC2016-02）。
        山西省科技重大专项超高孔隙率、高性能煤系煅烧高岭土制技术与产业化示范（20181101003）。