粉煤灰需水量比的影响因素及降低措施

2016-12-06张雪陈仕国王群英贾鲁涛李勇辉

综合智慧能源 2016年8期

关键词：需水量细度煤粉

张雪，陈仕国，王群英，贾鲁涛，李勇辉

（1.贵州乌江水电开发有限责任公司，贵阳　550002；2.华电电力科学研究院，杭州　310030）

粉煤灰需水量比的影响因素及降低措施

张雪1，陈仕国2，王群英2，贾鲁涛2，李勇辉2

（1.贵州乌江水电开发有限责任公司，贵阳550002；2.华电电力科学研究院，杭州310030）

需水量比是评价燃煤电厂粉煤灰品质的重要指标。介绍了粉煤灰的减水效应，对细度、烧失量和颗粒形态等影响粉煤灰需水量比的因素进行了分析，介绍了目前国内外降低粉煤灰需水量的技术和方法，以提高粉煤灰品质，提升电厂粉煤灰经济效益。

粉煤灰；需水量比；细度；烧失量；锅炉负荷

0　引言

粉煤灰是煤炭在锅炉中燃烧后，随烟气从锅炉尾部排出经收尘设备收集的固体颗粒，由于其具有形态效应、微集料效应、活性效应等，粉煤灰已成为水泥、混凝土的重要矿物掺合料［1-3］。作为现代商品混凝土的重要辅助材料之一，粉煤灰的需水量比将影响新拌混凝土的工作性能以及硬化混凝土的力学强度和耐久性等［4］。

粉煤灰需水量比是指按规定的水泥标准砂浆流动性试验方法，以30%粉煤灰取代硅酸盐水泥时所需的水量与硅酸盐水泥标准砂浆需水量之比。需水量比是评价粉煤灰品质及影响其工程应用的重要物理指标［5］，粉煤灰的需水量比越小，其工程利用价值就越高。高品质粉煤灰减水效果明显，可显著降低混凝土的拌合用水量，提高混凝土品质，而低品质粉煤灰会增加混凝土的用水量，对混凝土性能产生不利影响［6］。

1　粉煤灰的减水效应

高品质粉煤灰具有一定的减水效应，其减水机制有形态效应和微集料效应两种［7］。粉煤灰形态效应是指粉煤灰由其颗粒外观形态、表面性质、内部结构、颗粒级配等物理性状所产生的效应：粉煤灰微珠呈球状，可起到滚珠轴承的作用，降低用水量［8］；而粗大、疏松、多孔、形状不规则的颗粒，则可吸附更多的水分，增加用水量。粉煤灰微集料效应取决于固体颗粒的堆积状态，合理的颗粒级配可减少体系中的填充水量［9］。所以，控制粉煤灰的细度及粒径分布，可充分发挥其形态效应和微集料效应，起到良好的减水效果，提高水泥或混凝土性能。

2　影响粉煤灰需水量比的主要因素

2.1细度

粉煤灰的细度是评价其品质的重要指标之一，通常以45μm筛余量（%）作为粉煤灰细度指标［10］。粉煤灰细度较大时，其颗粒表面疏松多孔，蓄水能力强；同时，细小玻璃微珠较少，粉煤灰的滚珠轴承润滑作用减弱，降低浆体的流动性，导致需水量比增大［5］。武斌等人［11］的粉煤灰细度与需水量比间关系的研究结果如图1所示，粉煤灰的需水量比并不是随着细度的逐渐增大而增大，而是在一定范围内随着细度的增大而增大。当45 μm筛余量小于20%时，随着粉煤灰细度的增大，需水量比降低，与王述银等人［9］的研究结果并不一致。原因可能是不同来源粉煤灰品质存在较大差异，这也表明虽然细度对粉煤灰需水量比影响很大，但并不能起到决定性作用，还需考虑其他因素（如烧失量）的影响［12］。M Thomas等人［13］在总结大量试验数据的基础上，给出了烧失量一定的情况下，需水量Y与粉煤灰细度X1（45 μm筛余量）之间的关系：当烧失量为3%～4%时，Y=88.76+0.25X1（相关系数R2=0.86）；当烧失量为5%～11%时，Y=89.32+ 0.38X1（相关系数R2=0.85）。

上述两个关系式反映了粉煤灰需水量比与一些因素之间存在着一定的关系，且函数式的计算结果与试验结果有较好的吻合度。但由于上述公式中的细度指标不一定有普遍意义，且影响粉煤灰需水量的因素较多，因此公式的实用意义不大。一般而言，磨细粉煤灰的需水量比小于原状粉煤灰，若按上述公式，则会得出相反的结果。磨细粉煤灰时，粉磨打碎了粉煤灰中的多孔状无定型熔渣，减少了毛细管吸水作用，同时也打碎了粉煤灰中的组合粒子，减少了开口空心颗粒，从而使得水泥浆体或新拌混凝土的需水量比降低［12］。

图1　粉煤灰细度与需水量比的关系［11］

2.2烧失量

烧失量是表征未燃烧完全有机物（包括炭粒）数量的指标，烧失量越大，表明粉煤灰中可燃物越多。

从粉煤灰用于水泥和混凝土掺合料的角度，粉煤灰烧失量对需水量比有一定的影响，烧失量大的粉煤灰中残留炭多，而炭粒本身粗大多孔且无胶凝性，容易吸水，从而导致粉煤灰的需水量比增大。武斌等人［11］研究认为，粉煤灰的需水量比随烧失量的增大呈线性增大，相关系数R2高达0.90（如图2所示）。该研究结果表明，烧失量对粉煤灰的需水量有负面作用。此外，粉煤灰中过量的未燃炭降低了混凝土中掺加的引气剂的引气效果，对混凝土的耐久性产生负面影响。因此，水泥和混凝土用粉煤灰对烧失量有严格的要求，烧失量过大的粉煤灰将增加拌制混凝土时的用水量，从而降低混凝土强度和耐久性。

图2　粉煤灰烧失量与需水量比关系［11］

从燃煤电厂的角度考虑，粉煤灰中未燃炭含量过高，不仅造成了能源的浪费，而且由于炭颗粒导电性强，降低了静电除尘的效果［14］。

表1为不同锅炉燃烧负荷对粉煤灰品质影响的研究结果［14］。从表1可以看出，燃烧负荷小的锅炉，粉煤灰烧失量相对较大，对粉煤灰的应用存在很大的影响；而负荷大的锅炉，粉煤灰烧失量则较小，这主要是因为大负荷燃烧时，锅炉相对较大且燃烧温度较高，煤粉燃烧比较充分，烧失量较小。

表1　不同燃烧负荷产生的粉煤灰品质［14］

表2列举了世界上主要燃煤国家或地区要求的粉煤灰烧失量［12］。目前世界各国对应用于混凝土中粉煤灰的烧失量均有限制，除了中国和俄罗斯的粉煤灰最大烧失量值较高以外，其他各国的粉煤灰烧失量标准值基本相似。

表2　世界上主要燃煤国家或地区的粉煤灰最大烧失量要求

2.3颗粒形态

粉煤灰需水量比与粉煤灰的颗粒形貌有很大关系［15］。高品质粉煤灰以球形颗粒为主，表面光滑，多孔组分很少。粉煤灰中表面光滑的球形颗粒越多，相应需水量比越少，而多孔颗粒越多，则需水量比也必然增加。图3为贵州华电桐梓电厂的粉煤灰原灰扫描电镜图。

煤粉炉炉膛内煤粉燃烧温度为1200～1500℃，煤粉燃烧时，黏土物质熔融成微液滴，在炉内湍流的热空气作用下高速自旋，形成浑圆的硅铝球体，并随烟气被除尘器收集。因此，虽然各电厂锅炉燃烧条件不同，但煤粉炉粉煤灰颗粒的表面形态基本相似，均为形状规则、表面致密且光滑的球状颗粒。

综上所述，诸多因素影响了粉煤灰的品质。有资料指出，不能完全以细度、烧失量和颗粒形态等指标来反映粉煤灰的需水性，不同来源的粉煤灰品质差异较大，不同因素对其需水量比的影响也不尽相同，需水量比受多因素影响，需综合考虑［16］。但整体而言，粉煤灰细度和烧失量可视为影响粉煤灰需水性的最主要因素，可在这两方面采取相应的措施。

图3　粉煤灰原灰扫描电镜图

3　降低粉煤灰需水量比的措施

由上述分析可知，粉煤灰的细度和烧失量是影响粉煤灰需水量比的主要因素，因此，降低粉煤灰的细度、降低粉煤灰的烧失量和增加其球形颗粒含量等成为降低粉煤灰需水量比的主要措施。

3.1通过磨细工艺降低粉煤灰需水量比

磨细工艺对粉煤灰需水量的影响主要有两方面［17］。

（1）通过磨细工艺，可打碎粉煤灰中的多孔状无定型熔融渣，降低熔融渣的毛细管吸水效应，还可打碎粉煤灰中的组合粒子，使包裹在组合粒子中的玻璃微珠释放出来，玻璃微珠能够使新拌混凝土或砂浆中水泥颗粒的絮凝结构解絮并分散颗粒，增加润滑作用，从而改善新拌混凝土或砂浆的需水量比和流变性能，发挥粉煤灰的形态效应［18］。

（2）通过磨细工艺，粉煤灰的部分颗粒破碎，比表面积增大，加水拌合时其颗粒表面吸附的水也随之增加，即增大了粉煤灰的需水量比。若生产过程中粉煤灰的磨细时间过长，将造成粉煤灰比表面积过大，不仅会使成品灰的需水量比增大，也增加了电耗［17］。因此，选用合理的工艺，将合格的成品及时排出粉磨外，避免过磨细现象，对有效控制需水量比极为重要。

合肥水泥设计研究院开发了半终磨细工艺流程，先将粉煤灰中的合格细粉分选出来，然后对分选后的粗粉进行磨细，有效降低了过磨细现象。实践表明，相对于传统的开路磨细系统和先磨细再分选的闭路系统，该工艺不仅可有效降低粉煤灰的需水量比，而且有利于提高系统的磨细效率，降低电耗。传统的闭路磨细系统和半终磨细系统工艺流程分别如图4、图5所示［19］。

图4　普通闭路磨细工艺系统

图5　半终磨细工艺系统

大唐国际张家口发电厂建成了年产72万tⅠ级粉煤灰的半终磨细生产线，通过先分选后磨细的方式，有效地保持了原灰的颗粒形貌，在确保产品细度的条件下，既提高了粉煤灰的活性，也使其需水量比不超标。此外，实践发现，粉煤灰产品粒度的均匀性和颗粒的球形度是决定粉煤灰需水量比的关键［20］。

3.2通过降低残炭含量降低粉煤灰需水量比

降低残炭含量的工艺方法主要分为热处理和原灰分选处理两类。

3.2.1热处理

粉煤灰的热处理包含两个方面。

补缝→测量→修补缝隙→打磨杆件至钢材本色→涂刷钢钢粘结剂→安装一侧钢抱箍→对位安装另一侧钢抱箍→安装高强对拉锚栓→拧紧受力→完工

（1）在锅炉外对粉煤灰的热处理工艺，即对粉煤灰进行再加热，去除粉煤灰中的未燃炭，从而有效降低粉煤灰的烧失量。Richard E.John［21］设计了一种粉煤灰热处理工艺：热处理器对粉煤灰加热去除未燃炭，接着冷却后送至储灰仓。在该工艺中，加热器采用电加热，炉膛内温度超过1 000℃，系统配备粉尘回收和粉煤灰水冷却系统。虽然该工艺达到了降低粉煤灰中未燃炭含量的目的，但能量消耗较高，需考虑成本。

（2）通过调节锅炉的燃烧参数达到降低未燃炭含量的目的。粉煤灰未燃炭含量高的原因有以下几方面［22-24］：1）锅炉内总配风量不足，致使氧含量不足；2）燃料和炉内空气分布不平衡（某些区域氧含量偏低）；3）漏风带入氧气，造成氧含量虚高；4）入炉煤煤粉粒度过大，导致一定时间内煤粉燃烧不充分；5）粉煤灰中未燃炭含量与烟气中NOx含量的关系成反比。图6为氧含量、煤粉粒度与烧失量的关系图，由图6可以看出，随着煤粉粒度的降低和氧含量的增加，粉煤灰烧失量呈下降的趋势，且降低煤粉粒度的效果更加明显。

图6　煤粉细度对粉煤灰烧失量的影响［25］

目前，电厂锅炉运行的最大挑战是既要降低NOx排放量又要保证煤粉燃烧充分。鉴于此，通过调节锅炉的燃烧参数来降低未燃炭含量相对比较困难，而提高入炉煤煤粉的粒度则更加有效。

3.2.2原灰分选处理

钟晓亮［26］研究发现，粉煤灰的含炭量与粒径的关系存在一定规律，该研究中的所有锅炉的分布趋势基本稳定，不同锅炉之间有一定的差别；各粒径组的含炭量都是随着粒径的增大而增大，增长的幅度随总体含炭量的增大而明显增加，这说明粉煤灰含炭量增加的主要原因是大颗粒煤粉燃烧不充分。此外，研究还发现，从各粒径组的含炭量占总体含炭量的比例变化趋势看，不同锅炉之间有很大的差别，但若以80 μm为界，分为较大粒径组和较小粒径组，所有锅炉均有一个相对稳定的趋势，即未燃炭集中在较大粒径组。

摩擦静电的干法分选工艺不利用化学试剂，性能可靠且工艺简单。张全国等人［28］在粉煤灰静电分离脱炭方面做了大量试验研究。该团队建立了国内第1台粉煤灰高压静电分离中试装置，对粉煤灰颗粒摩擦荷电机制、摩擦带电状况、摩擦带电器及进行电选的可行性进行了研究。运用流体力学理论及电场理论分析和计算了粉煤灰颗粒在高压电场中的运动规律；然后进行粉煤灰脱炭系统工况参数的优化试验，确定电压、极板间距、摩擦材料、粉尘质量浓度对系统结果的影响，优化粉煤灰电分离脱炭装置工况参数。研究证明，粉煤灰电分离脱炭装置从技术层面上是可行的，装置运行试验能将粉煤灰中炭的质量分数从9.5%降为3.2%，脱炭率为64.64%，产率为38.86%。

在循环流化床锅炉粉煤灰摩擦电选脱炭方面，李海生［29］首次运用非接触式红外热成像技术手段研究摩擦带电器中的气固两相流温度场分布，以评价颗粒在摩擦带电器内的摩擦、碰撞效果，并结合数值模拟结果探究摩擦碰撞高效区的形成机制。该方法对研究气固两相流、循环流化床锅炉粉煤灰颗粒强化带电和高效脱炭具有明确的指导意义。

泡沫浮选的湿法分选工艺主要用于处理贮存粉煤灰，处理后将其变成有用的粉煤灰产品和碳基固体燃料。罗道成等人［30］采用了“一粗一精一扫”全浮选流程对粉煤灰中未燃炭的浮选进行了试验研究。试验结果表明，该方法可以有效提高粉煤灰中未燃炭的回收率，既可获得一定质量的高品质炭粒，又可有效降低粉煤灰中的含炭量。但是经过浮选后的粉煤灰为浆液状态，无法直接应用于水泥或者混凝土中，需要做其他方面的应用处理，这也是需要考虑的问题。

4　结束语

综上所述，影响粉煤灰需水量比的主要因素为粉煤灰颗粒细度和烧失量，目前国内外采用的手段主要有磨细、静电分离、泡沫浮选、提高入炉煤煤粉细度和改善锅炉燃烧条件等。综合比较而言，粉煤灰磨细工艺、静电分离工艺和提高入炉煤煤粉细度这些措施对于改善粉煤灰品质并降低粉煤灰需水量比具有较好的效果，且有较强的可操作性。

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（本文责编：刘芳）

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1674-1951（2016）08-0003-05

2016-07-01；

2016-07-15

张雪（1974—），女，广东开平人，工程师，从事火电环保管理工作（E-mail：zx2593812＠126.com）。