循环流化床锅炉飞灰化学组成特征研究

叶诗瑛

（合肥热电集团有限公司,合肥 230022）

1 前言

煤炭是中国最主要的能源，从1980年至2011年，中国的煤炭生产量和消费量都呈逐渐增加的趋势，自2002来以来，煤炭的消费量大幅度增加。在2011年，中国消费40.5亿吨，位居世界第一。在煤炭的消费中，电厂用煤占绝大数比例，约为70% (USEIA., 2011; You.,2010) 。

大量的电厂用煤导致了环境和经济的问题，燃煤过程产生的巨大的环境污染物是不容忽视的。以一个典型的1000MV的电厂为例，每年将产生1,000,000吨的废弃物，这其中包括SOx，NOx、CO2，酸性气体，以及固体废物，如，飞灰，底灰，脱硫的固体废物等等，这些统称为燃煤废物，或者是燃煤副产品(Epstein., 2011; Agrawal.,2010)。在中国燃煤废物，煤矸石和钢渣被列为三大工业废物。在燃煤电厂中，飞灰占燃煤废物的大部分，大约为70%左右。中国现已成为世界上最大的飞灰生产国，据预测到2020年，飞灰的产量将为570×106～610×106吨(Barnes., 2004; Cao., 2008)。大量产生的飞灰，除了极少数的被回收利用，大部分将直接填埋，这给环境造成了极大的危害。

国内外大量的文献集中在飞灰中的有害微量元素的释放机理和迁移规律，但飞灰中的化学组成特征对于飞灰的产生机理和再利用有着重要的指导意义，基于此，本文对燃煤电厂中不同粒径飞灰的化学组成进行了分析研究，为飞灰的再利用提供基础信息。

2 采样和实验

本实验飞灰来源于热电厂稳定运行时除尘器出口处，该厂锅炉为5台75t/h次高温次高压循环流化床。烟气净化系统由石灰石炉内脱硫和布袋除尘系统两部分组成，其脱硫和除尘效率分别达到82%、99.99%。

本次试验的样品采于热电厂除尘器与仓泵接口处，如图1所示位置为采样位置。样品保存在聚乙烯袋中以防被污染，颗粒的粒径分析采用激光粒度分布仪（丹东百特BT-2003）。

图1 热电厂生产工艺图

将飞灰在105℃烘干24h之后，根据其颗粒的大小，用100、120、170、240目的筛子将飞灰划分为5个不同粒径范围，依次得到飞灰a(<100), 飞灰b (100～120), 飞灰c (120～170), 飞灰d (170-240)和飞灰e (>240)，对不同粒径的飞灰颗粒进行XRF（X射线荧光光谱法）测试分析。

3 结果和讨论

3.1 飞灰的颗粒特征

表1 飞灰中不同颗粒颗径分类

D10：表示有10%颗粒的颗径小于4.62μm；D50：表示有50%飞灰颗粒的颗径小于27.96μm；D90：表示有90%颗粒的颗径小于75.39μm；AMD：飞灰颗粒平均颗径。

图2 飞灰中颗粒的典型分布图

颗粒分布特征是飞灰的一项重要的指标。一方面，指示燃烧效率，另一方面影响飞灰的利用，淋滤和健康风险。本次试验中，飞灰的粒径范围为0.3 to 250μm，其中大部分位于20-25μm。从图2看出，飞灰的粒径呈明显的双峰分布，出现两个峰值，位于0.5-0.6μm处，另一个位于20-25 μm，这与前人的研究基本想符合。

Mehta (1998) 的研究表明，在混凝土的再利用过程中，粒径小于10μm飞灰的颗粒反应更快，能够增加混凝土的强度，而颗粒大于45μm的颗粒反应很慢（> 1年）。本次试验中，大部分飞灰粒径均小于45μm，约占70%以上，可以作为混凝土的原材料。

3.2 飞灰的化学成分

飞灰是一种较为复杂的固体废物，在不同的颗粒，不同的电厂，不同的燃烧条件下，其化学组成和微量元素的含量均不同。一般来说，飞灰的化学组成主要为SiO2，Al2O3，Fe2O3和少量的CaO。根据这些组分含量的不同，ASTM C618 （ASTM是美国材料实验协会所制定的相关标准，混凝土中使用的煤飞灰和未处理的或煅烧的天然火山灰的标准规范）将灰分划分为C级和F级，F级，一般来自于无烟煤，烟煤和亚烟煤，其CaO的含量小于7%，C级，主要是来自褐煤，其石灰含量较高CaO (5～30 wt.%)。在中国通常根据飞灰中钙含量的差异将其非为高钙灰和低钙灰(Gu., 2004)。也有学者将燃煤飞灰根据成分分为硅铝质，钙质，铁质和有机质四种类型。

表2 热电厂不同颗粒的飞灰化学成分(wt.%)

表2为不同颗粒的飞灰化学成分，从表可以看出，飞灰的主要成分为SiO2, Al2O3, 和CaO，占了70%以上，还有少量的MnO, TiO2,K2O, P2O5, Na2O, SO3, Fe2O3，和MgO，其含量均低于5%，根据ASTM C618的分类，这类飞灰可以分为F级。另外飞灰中高含量的钙和铝在利用过程中可以增加混泥土的强度和耐腐蚀度 (Ma., 1999)。

飞灰中大部分元素的含量与前人统计的数据相当，除了CaO和SO3，这主要是由于锅炉中加入了石灰石去除硫，使硫未被排放到大气中，从而导致燃烧产物中的CaO和SO3的含量增加。大部分元素含量随着颗粒粒径的减小其含量出现逐步增加的趋势，这主要是由于小颗粒的较大的比表面积，另外，小颗粒冷却的越快，导致其不稳定性增大，从而成为活性的结构，更容易吸附元素 (Meij., 1994; 2007)。

4 结论

通过对CFB锅炉的飞灰化学组成和颗粒分布特征分析可以得出：（1）飞灰颗粒的分布为双峰分布，且大部分飞灰颗粒位于20-25μm；（2）飞灰中元素含量与中国飞灰的均值想接近，除了CaO和SO3，主要是由于石灰石除硫所导致；（3）飞灰的颗粒和化学组成为飞灰的综合利用提供了基本的信息，本次实验中飞灰较适用于混泥土的原料。

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