CFB灰代换粉煤灰用于地基处理的可能性初探

2021-04-06申铁军

黑龙江交通科技 2021年3期

吴非，申铁军

(山西路桥建设集团有限公司，山西太原 030006)

0 引言

煤化工产品生产时会产生大量的燃烧后灰分结渣，如粉煤灰已被土木工程建设广泛使用，CFB灰渣与粉煤灰同属于煤化工固体废弃物，如果因地制宜，就地取材，将其科学、高效利用，变废为宝，既降低工程建设施工成本，又可助力煤化工企业绿色发展，同时减少固废填埋和砂石开采引起的环境污染，可具有显著的经济效益和社会效益。

1 CFB灰渣代换粉煤灰的有效性

1.1 CFB灰渣

CFB是Circulating Fluidized Bed的英文缩写，是煤化工企业、火力发电厂的循环流化床锅炉机组生产出来的一种较煤粉燃烧技术燃料适用性、污染物排放都有较大优势的燃烧灰渣。煤在循环流化床锅炉(Circulating Fluidized Bed)在730～930 ℃的高温下采用干法脱硫技术形成CFB灰渣，同时释放大量CO2，其中，飞灰约占55%，底渣约占45%，所以简称CFB灰渣。

1.2 CFB灰与粉煤灰的异同点

CFB灰渣、粉煤灰均为煤燃烧发电后排出的灰渣。但由于采用不同类型锅炉与脱硫工艺，导致CFB灰渣与煤粉锅炉粉煤灰和炉渣存在较大的差异。

(1)形成过程与燃料品质

CFB锅炉脱硫方式为炉内干法+尾部半干法，燃烧温度730～950 ℃，且多采用炉内脱硫或炉内脱硫与炉外烟气脱硫相结合的脱硫工艺，而炉内脱硫主要采用喷入石灰石粉的方式。粉煤灰脱硫方式为尾部湿法，煤粉炉燃烧温度均大于1 200 ℃，主要采用炉外烟气湿法脱硫。CFB锅炉燃料主要采用劣质煤、煤矸石、煤泥等，一般含硫量较高，且入炉粒度小于9 mm，导致灰渣排放量大(约为燃煤量的60%～70%)，其中灰渣的比例约为1∶1～1.5∶1。而煤粉炉主要采用高热值低硫煤，入炉煤采用粉煤，灰渣排放量小(约为燃煤量的15%～25%)，主要以粉煤灰为主。

(2)化学成分与矿物组成

CFB灰渣与粉煤灰均是煤燃烧后的灰烬，故其主要成分SiO2、Al2O3含量相近。但对于采用炉内脱硫的CFB灰渣而言，由于炉内喷入了一定量石灰石粉，导致CFB灰渣中CaO、SO3含量升高。粉煤灰经1 200 ℃以上高温熔融而后冷却而成，主要是玻璃态的圆球形颗粒，具有较好火山灰活性和较低的需水性。而CFB灰渣主要矿物为石英和脱水粘土矿物、活性硅、铝及少量的铝酸钙等产物，以及CaSO4、CaCO3、f-CaO等。CFB灰渣也具有较好的火山灰活性，且大部分优于煤粉炉粉煤灰。但由于形成温度低、结构疏松多孔，需水量大，对外加剂的吸附性强，再加上对其中f-CaO、CaSO4、CaCO3缺乏认识和调控技术，导致其在水泥与混凝土中利用受限。CFB灰渣的矿物组成为石英、脱水粘土矿物、氧化钙、碳酸钙，无水硫酸钙，亚硫酸钙，无定形相粉煤灰的矿物组成为石英，莫来石，无定形相硫酸盐，f-CaO。

2 CFB灰渣的物理化学特性

CFB灰渣由块粒状渣与粉末状灰组成，块粒状渣表面多孔，内部呈蜂窝状，质地坚硬。其容重为1 200～1 300 kg/m3，吸水率为9%～11%，主要成份为：SiO2，Al2O3，CaO，Fe2O3，其矿物成份包括为石英、脱水粘土矿物、氢氧化钙、碳酸钙、无水硫酸钙，亚硫酸钙，无定形相，性质稳定。与粉煤灰相比，Fe2O3含量较高，故而CFB灰呈暗红色。CaO含量为5%～8%，但f-CaO不到1%，SO3含量也低于3%，是一种质量较好的灰。其矿物成分SiO2、CaSO4、mCaO.nAl2O3具有较好的水化活性，在潮湿空气中易较快结硬板结。见表1，表2。

表1 CFB灰与粉煤灰指标对比表

表2 CFB灰渣化学成份表

3 CFB灰渣的稳定性分析

稳定性与崩解性：CFB灰渣烧失量约10%～30%，这是CFB灰渣未完全气化、释放挥发分形成的焦炭类物质，性质稳定；而且CFB灰渣在排出前经历了高温熔融烧结，其中含有的约6%～9%CaO发生了充分的化合反应，形成了莫来石和钙长石以及无定型的玻璃体等性质稳定的矿相。而常见的体积不稳定类固废比如钢渣与CFB灰渣性质大不相同，钢渣中CaO含量可达50%，且有部分被包裹未化合的游离氧化钙(f-CaO)，缓慢水化后转变为氢氧化物，因而具有潜在膨胀性。国内CFB灰渣有用于生产免烧砖、轻质墙板以及硅酸盐水泥混合材料的报道，目前尚无膨胀破坏或其他体积不稳定性的报道。堆场CFB灰渣经过数十年的风化和雨水冲刷，仍保持初排渣时具有的粒径，表明CFB灰渣和煤矸石等具有天然岩石风化特征的固废不同，基本不会出现崩解等问题。在实验室将CFB灰渣浸泡3个月后，CFB灰渣仍基本保持原性状。因此CFB灰渣是一种性质稳定、不易风化、不易崩解的工业固体废弃材料。

4 CFB灰渣的使用性能分析

4.1 CFB混凝土抗压强度

CFB灰渣具有火山灰活性，火山灰反应较为缓慢，其强度在28 d、60 d甚至90 d后才体现出来，因此会导致水泥强度比纯硅酸盐水泥要低，特别是早期强度严重偏低，但恰恰正好满足地下GFG桩基的使用性能，见表3。

表3 CFB灰渣对CFG桩基抗压强度试验表

从表3可看出，CFB灰渣的抗压强度的增长规律，第6组28 d强度达到23.5 MPa，满足CFG桩的抗压强度要求，CFB灰渣中的灰与水泥组成胶凝材料，CFB灰渣中的渣代替CFG桩中的碎石充当骨料，从而形成CFB桩，与CFG桩相比，每方仅用水泥150kg，且完全不用碎石，具有很大的经济效益。

4.2 激发作用分析

CFB灰渣中含有大量的SiO2和Al2O3等具有胶凝活性的物质，如外加剂以一定的方式对其进行激发，对灰渣表面进行改性，使其表面具有胶凝活性的位点进一步增多，即以物理方式对炉渣活性进行了激发。同时，通过外加剂的激活作用与水泥水化产生的Ca(OH)2及其产生的碱性环境则会对CFB灰渣活性进行化学激发，从而实现CFB灰渣胶凝活性的物理化学复合激发，从而在材料组成与性

能上，即为抗压强度增高、水泥用量降低，耐久性更好。