燃煤锅炉类型对粉煤灰品质的影响概述

邵宁宁，刘泽，王栋民

（中国矿业大学（北京） 化学与环境工程学院，北京 100083）

燃煤锅炉类型对粉煤灰品质的影响概述

邵宁宁，刘泽，王栋民

（中国矿业大学（北京） 化学与环境工程学院，北京 100083）

本文立足于中国目前的燃煤技术及其产出的粉煤灰对环境和生态带来严峻挑战的现状，总结和分析了主要的工业燃煤锅炉类型对其产灰品质的影响，为实现粉煤灰的更好更充分利用提供了参考。

燃煤锅炉；类型；粉煤灰；品质

0　引言

自 20 世纪二十年代大规模燃煤发电以来，数十亿吨的粉煤灰和其他煤相关的副产品随之产生，不仅造成了严重的环境污染和大量资源的浪费，而且粉煤灰和灰渣的大量堆砌还占用了大量的土地。这其中，燃煤锅炉所排放的烟气和粉尘被认为是我国（尤其是我国北方）大气污染的罪魁祸首。据统计，我国 SO2排放量的 90%、NOX排放量的 70% 以及一次PM2.5 排放量的 60% 均来自于煤炭的燃烧和使用过程[1]。燃煤锅炉向大气中排放的有毒有害气体以及颗粒污染物能够长期存在于空气中，不仅降低了空气质量，而且对人的身体健康造成了严重的危害[2-4]。

随着科技的发展和人们对环境和生态的日益重视，燃煤锅炉不断被改造和完善，以达到烟气排放标准，一大批形式各异、种类繁多的燃煤锅炉随之而产生。然而，各式燃煤锅炉达到排放标准的同时，却造成了其产灰种类的多样化和性质的波动性，给粉煤灰的综合利用造成了很大的障碍[5]。另外，我国仅在 2010 年就排放粉煤灰 4.8 亿吨，综合利用量为3.26 亿吨，即 1.5 亿吨的粉煤灰被堆积而没被利用[6]。由此可见，虽然粉煤灰综合利用率已经达到较高水平，但是由于产出数量庞大，每年仍有近 1.5 亿吨的粉煤灰无法利用而被堆积在土地上，造成了严重的环境污染和土地资源的浪费。因此，粉煤灰的综合利用迫在眉睫。

本文立足于繁杂的燃煤锅炉对粉煤灰的品质造成多样化的基础上，总结并分析了我国目前主要的燃煤锅炉类型和工况对其产出的粉煤灰品质的影响，为燃煤电厂以及其他工业用煤企业提出了提高粉煤灰经济效益的参考意见和一定的方案。

1　粉煤灰品质的主要评价参数

目前粉煤灰已经广泛应用于建筑材料、矿井回填、路基路面建设、保温隔声材料，以及精细化工和冶金等行业[7-11]。随着人们对粉煤灰利用的深入和认识的加深，一些参数（如粉煤灰活性、细度、烧失量等）已逐渐被定义为影响粉煤灰品质的重要评价参数。

1.1活性 (Activity)

活性，即火山灰活性，是指富含硅铝质的材料经过高温煅烧后，具有能够在常温有水的情况下与氢氧化钙（Ca(OH)2）反应生成水硬性胶凝材料的特性[12]。火山灰活性是粉煤灰最为重要的品质参数，目前尚无统一的定量方法，通常通过粉煤灰细度[13-15]、需水量比[14,16]、拌合物的强度[17,18]等指标间接比较。影响粉煤灰活性的主要因素有：燃煤锅炉的炉膛温度、内部玻璃体含量（即无定型态含量）、硫酸盐含量、细度、烧失量等[19,20]。

1.2细度 (Fineness)

细度表示粉煤灰颗粒的粗细程度，它是反应粉煤灰活性的主要参数，因此也是评价粉煤灰优劣的重要指标。粉煤灰的细度通常由比表面积、45μm 筛余量、85μm 筛余量等指标表示，细度的大小与其拌合物的强度有着很好的相关性。目前，我国通用的粉煤灰分级方法中，细度是区分商品混凝土用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ 级粉煤灰的重要参数，具体情况见表 1。

1.3烧失量 (Loss on ignition)

粉煤灰烧失量是指粉煤灰中未完全燃烧的成分（主要成分是碳）所占粉煤灰总量的百分含量。在燃煤发电厂中，一般认为烧失量就是粉煤灰中的含碳量。粉煤灰中碳分的存在对粉煤灰质量有很大的负面影响，主要表现在：

碳粒多为粗大多孔的结构，易吸水。碳分含量越多，烧失量越大，其需水量也就越大。当粉煤灰用于混凝土时，由于需水量的增大会导致泌水率的增加[19]。

烧失量越小，拌合物浆体的流动性越好；反之越差[22]。

用作混凝土掺合料时，未燃碳分由于比重较小，遇水后会浮在混凝土的表层，影响混凝土的质量和美观。

多孔碳组分具有很强的吸附能力，能够对掺入混凝土中的引气剂、引气型减水剂等产生强烈吸附，从而增加用量和混凝土成本[19]。

表1　混凝土掺合料用粉煤灰分级标准[21]

1.4需水比 (Water demand ratio)

在一定的流动度下，掺一定量粉煤灰的水泥胶砂的需水量与基准水泥胶砂(不掺粉煤灰)的需水量之比，称为需水比。粉煤灰需水比与其强度贡献有着很好的相关性，而且其影响效果通常是养护早期高于后期。通常情况下，将需水比越小的粉煤灰掺入混凝土后，有减水作用，不仅可以增加混凝土强度，而且还可以提高混凝土抗渗性和耐久性[23]。

1.5其他 (Others)

除上述指标可以用来表征粉煤灰的品质优劣外，粉煤灰的密度、含硫量等也可以在一定程度上反应粉煤灰的品质[19]。另外，近年来有一些学者运用模糊数学的理论提出评价粉煤灰品质的复合因子评价参数[24-26]，但还没有得到广泛的认可和接受。

2　主要燃煤锅炉类型和工况对粉煤灰品质的影响

粉煤灰是煤在燃煤锅炉中燃烧的产物，因此其品质除了与原料（主要是燃煤种类、煤粉粒度等）因素有关以外，另外一个重要的因素就是锅炉的类型和运行状况。按照燃烧方式分，锅炉可分为层燃炉（链条炉和抛煤机炉）、煤粉炉、流化床炉、液态排渣炉（包括旋风炉）等。不同燃烧方式的锅炉，其工作运行条件（炉膛温度、送风量等）大不相同，导致其产出的粉煤灰和灰渣的品质也大有差异，同时飞灰与灰渣的比例也会有所不同。

2.1煤粉炉 (Pulverized coal combustion boiler)

煤粉炉又称室燃炉，它是先将燃煤磨成粉状，然后再用热空气将煤粉吹入炉膛中，煤粉在炉膛内进行悬浮燃烧的一种锅炉。由于采取粉磨措施，使得煤的燃烧表面积大大增加，同时悬浮在炉膛内可以充分接触空气而进行富氧燃烧，从而该种锅炉提高了煤的燃烧效率，使煤的燃烧程度提高，大大降低了产出粉煤灰中的碳分及其他可燃成分的含量。通常情况下，该炉子的炉膛温度可高达 1450～1600℃，煤在其中燃烧充分，所以产出的粉煤灰含碳量较低（1%～5%），飞灰的比例可高达 90%，炉渣占 10%，而且粉煤灰的粒度大多在 3～100μm 的范围内，粒度小于 10μm 的颗粒可高达20%～40%，粉煤灰整体品质很高[19,23]。

煤粉炉是目前我国燃煤发电厂主流的燃煤锅炉，我国燃煤容量在 120t/h 及以上的锅炉基本上都采用固体排渣煤粉炉[23]。

2.2层燃炉 (Gate coal combustion furnace)

层燃炉一个典型的特征就是存在一个金属栅格——炉排（炉箅），燃煤置于其上，形成均匀的、具有一定厚度的燃料层并燃烧，这种锅炉称为层燃炉，又叫火床炉。如果炉排可以转动，那么就称为链条炉。供燃烧用的一次风从炉排下面用鼓风机向上鼓入，使煤燃烧时得到充分的氧气。通常情况下，炉膛内的温度为 1300～1400℃，燃烧用煤通常为块状原煤。层燃炉而对煤的质量没有要求，因此，这种燃烧方式也导致了产出的粉煤灰中可燃物较多，可高达 20%～30%，产出多为灰渣，飞灰比例较少（仅占 20%），而且飞灰粒度较大，大多在 100～200μm 之间[19]。故而，该燃煤锅炉产出的粉煤灰品质很差。常兵[27]研究了针对链条炉不同的配风方式对燃煤燃烧和废弃物排放情况的影响。研究认为：采用推迟配风方式，再结合特定的“双人字型”炉拱，可以达到提高锅炉效率、降低 NOx 排放的较好效果。

2.3旋风炉 (Cyclone furnace)

粉状燃料在炉膛内进行悬浮燃烧，并且由于锅炉底部的设计使得其底部炉温高达 160℃ 以上，这样高的温度使得燃料燃烧后以熔融态的形式排出，这种炉子被称为液态排渣炉。旋风炉是最为普遍的液态排渣炉，它的特点是在前置的圆筒形风筒内组织旋涡燃烧，强大的二次风所造成的旋转气流将大部分燃料甩向圆筒内壁，使旋风筒内的容积热负荷达到煤粉炉的 10～30 倍[23]。虽然该种炉子炉膛温度很高，但是由于燃烧产物多以液态渣排出，故而出渣率特别高，旋风炉的出渣率一般可高达 85%～90%，飞灰仅占 10%～15%，粉煤灰产率较低，但其产出的粉煤灰品质优异，有利于进一步的利用[19,28]。

2.4流化床锅炉 (Fluidized bed combustion boiler)

流化床锅炉也称沸腾炉，是一种应用比较成熟的锅炉。目前国内应用最为广泛的流化床锅炉当属循环流化床锅炉，循环流化床锅炉燃烧技术是一种较为成熟的清洁能源技术。循环流化床锅炉通常搭载石灰石脱硫系统，而且其炉膛燃烧温度较低（通常只有 750～900℃）[29,30]。因此，产出的粉煤灰往往具有较高的含硫量，虽然其活性相对于传统的煤粉炉粉煤灰低，但是活性还是保持了一定的水平，在一定的机械活化作用下能够表现出较好的性能[31,32]。

表 2 给出了主要锅炉类型对应的燃烧温度以及对应的灰渣特性情况。

3　结语及展望

随着国家“十二五”规划的提出和执行，大宗工业固体废弃物利用已逐渐被国人和企业界所重视。目前粉煤灰利用主要集中在水泥掺合料、路基路面填料等粗放型领域，而具有高附加值的粉煤灰产业很少，这主要取决于我国燃煤电厂产出的粉煤灰的品质普遍较差，而且品质波动性较大。因此，为了能够提高粉煤灰的综合利用水平和经济效益水平，就应该从粉煤灰产出源头——燃煤锅炉进行严格控制和把关，为粉煤灰高新科技的发展和应用打好基础。

表2　锅炉种类及其对应的灰渣情况

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［通讯地址］北京市海淀区学院路丁 11 号（100083）

An overview of the effect of coal combustion boiler type on the properties of coal fly ash

Shao Ningning, Liu Ze, Wang Dongmin
(School of Chemical and Environmental Engineering, China University of Mining & Technology, Beijing 100083)

This paper established on the current conditions that the coal combustion technology and coal fly ash of China have brought severe challenges to the local environment and ecosystem. The effect of primary industrial coal combustion boiler type to the quality of coal ash have been summarized and analyzed in this study, which may provide some guidance for better usage of coal fly ash.

coal combustion boiler; type; coal fly ash; quality

邵宁宁（1989—），男，博士研究生，主要从事粉煤灰用于新型建筑材料方面的研究。