CFB灰代換粉煤灰用于地基處理的可能性初探

吳 非，申鐵軍

(山西路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司，山西 太原 030006)

0 引 言

煤化工產(chǎn)品生產(chǎn)時會產(chǎn)生大量的燃燒后灰分結(jié)渣，如粉煤灰已被土木工程建設(shè)廣泛使用，CFB灰渣與粉煤灰同屬于煤化工固體廢棄物，如果因地制宜，就地取材，將其科學(xué)、高效利用，變廢為寶，既降低工程建設(shè)施工成本，又可助力煤化工企業(yè)綠色發(fā)展，同時減少固廢填埋和砂石開采引起的環(huán)境污染，可具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

1 CFB灰渣代換粉煤灰的有效性

1.1 CFB灰渣

CFB是Circulating Fluidized Bed的英文縮寫，是煤化工企業(yè)、火力發(fā)電廠的循環(huán)流化床鍋爐機(jī)組生產(chǎn)出來的一種較煤粉燃燒技術(shù)燃料適用性、污染物排放都有較大優(yōu)勢的燃燒灰渣。煤在循環(huán)流化床鍋爐(Circulating Fluidized Bed)在730～930 ℃的高溫下采用干法脫硫技術(shù)形成CFB灰渣，同時釋放大量CO2，其中，飛灰約占55%，底渣約占45%，所以簡稱CFB灰渣。

1.2 CFB灰與粉煤灰的異同點

CFB灰渣、粉煤灰均為煤燃燒發(fā)電后排出的灰渣。但由于采用不同類型鍋爐與脫硫工藝，導(dǎo)致CFB灰渣與煤粉鍋爐粉煤灰和爐渣存在較大的差異。

(1)形成過程與燃料品質(zhì)

CFB鍋爐脫硫方式為爐內(nèi)干法+尾部半干法，燃燒溫度730～950 ℃，且多采用爐內(nèi)脫硫或爐內(nèi)脫硫與爐外煙氣脫硫相結(jié)合的脫硫工藝，而爐內(nèi)脫硫主要采用噴入石灰石粉的方式。粉煤灰脫硫方式為尾部濕法，煤粉爐燃燒溫度均大于1 200 ℃，主要采用爐外煙氣濕法脫硫。CFB鍋爐燃料主要采用劣質(zhì)煤、煤矸石、煤泥等，一般含硫量較高，且入爐粒度小于9 mm，導(dǎo)致灰渣排放量大(約為燃煤量的60%～70%)，其中灰渣的比例約為1∶1～1.5∶1。而煤粉爐主要采用高熱值低硫煤，入爐煤采用粉煤，灰渣排放量小(約為燃煤量的15%～25%)，主要以粉煤灰為主。

(2)化學(xué)成分與礦物組成

CFB灰渣與粉煤灰均是煤燃燒后的灰燼，故其主要成分SiO2、Al2O3含量相近。但對于采用爐內(nèi)脫硫的CFB灰渣而言，由于爐內(nèi)噴入了一定量石灰石粉，導(dǎo)致CFB灰渣中CaO、SO3含量升高。粉煤灰經(jīng)1 200 ℃以上高溫熔融而后冷卻而成，主要是玻璃態(tài)的圓球形顆粒，具有較好火山灰活性和較低的需水性。而CFB灰渣主要礦物為石英和脫水粘土礦物、活性硅、鋁及少量的鋁酸鈣等產(chǎn)物，以及CaSO4、CaCO3、f-CaO等。CFB灰渣也具有較好的火山灰活性，且大部分優(yōu)于煤粉爐粉煤灰。但由于形成溫度低、結(jié)構(gòu)疏松多孔，需水量大，對外加劑的吸附性強，再加上對其中f-CaO、CaSO4、CaCO3缺乏認(rèn)識和調(diào)控技術(shù)，導(dǎo)致其在水泥與混凝土中利用受限。CFB灰渣的礦物組成為石英、脫水粘土礦物、氧化鈣、碳酸鈣，無水硫酸鈣，亞硫酸鈣，無定形相粉煤灰的礦物組成為石英，莫來石，無定形相硫酸鹽，f-CaO。

2 CFB灰渣的物理化學(xué)特性

CFB灰渣由塊粒狀渣與粉末狀灰組成，塊粒狀渣表面多孔，內(nèi)部呈蜂窩狀，質(zhì)地堅硬。其容重為1 200～1 300 kg/m3，吸水率為9%～11%，主要成份為：SiO2，Al2O3，CaO，F(xiàn)e2O3，其礦物成份包括為石英、脫水粘土礦物、氫氧化鈣、碳酸鈣、無水硫酸鈣，亞硫酸鈣，無定形相，性質(zhì)穩(wěn)定。與粉煤灰相比，F(xiàn)e2O3含量較高，故而CFB灰呈暗紅色。CaO含量為5%～8%，但f-CaO不到1%，SO3含量也低于3%，是一種質(zhì)量較好的灰。其礦物成分SiO2、CaSO4、mCaO.nAl2O3具有較好的水化活性，在潮濕空氣中易較快結(jié)硬板結(jié)。見表1，表2。

表1 CFB灰與粉煤灰指標(biāo)對比表

表2 CFB灰渣化學(xué)成份表

3 CFB灰渣的穩(wěn)定性分析

穩(wěn)定性與崩解性：CFB灰渣燒失量約10%～30%，這是CFB灰渣未完全氣化、釋放揮發(fā)分形成的焦炭類物質(zhì)，性質(zhì)穩(wěn)定；而且CFB灰渣在排出前經(jīng)歷了高溫熔融燒結(jié)，其中含有的約6%～9%CaO發(fā)生了充分的化合反應(yīng)，形成了莫來石和鈣長石以及無定型的玻璃體等性質(zhì)穩(wěn)定的礦相。而常見的體積不穩(wěn)定類固廢比如鋼渣與CFB灰渣性質(zhì)大不相同，鋼渣中CaO含量可達(dá)50%，且有部分被包裹未化合的游離氧化鈣(f-CaO)，緩慢水化后轉(zhuǎn)變?yōu)闅溲趸?，因而具有潛在膨脹性。國?nèi)CFB灰渣有用于生產(chǎn)免燒磚、輕質(zhì)墻板以及硅酸鹽水泥混合材料的報道，目前尚無膨脹破壞或其他體積不穩(wěn)定性的報道。堆場CFB灰渣經(jīng)過數(shù)十年的風(fēng)化和雨水沖刷，仍保持初排渣時具有的粒徑，表明CFB灰渣和煤矸石等具有天然巖石風(fēng)化特征的固廢不同，基本不會出現(xiàn)崩解等問題。在實驗室將CFB灰渣浸泡3個月后，CFB灰渣仍基本保持原性狀。因此CFB灰渣是一種性質(zhì)穩(wěn)定、不易風(fēng)化、不易崩解的工業(yè)固體廢棄材料。

4 CFB灰渣的使用性能分析

4.1 CFB混凝土抗壓強度

CFB灰渣具有火山灰活性，火山灰反應(yīng)較為緩慢，其強度在28 d、60 d甚至90 d后才體現(xiàn)出來，因此會導(dǎo)致水泥強度比純硅酸鹽水泥要低，特別是早期強度嚴(yán)重偏低，但恰恰正好滿足地下GFG樁基的使用性能，見表3。

表3 CFB灰渣對CFG樁基抗壓強度試驗表

從表3可看出，CFB灰渣的抗壓強度的增長規(guī)律，第6組28 d強度達(dá)到23.5 MPa，滿足CFG樁的抗壓強度要求，CFB灰渣中的灰與水泥組成膠凝材料，CFB灰渣中的渣代替CFG樁中的碎石充當(dāng)骨料，從而形成CFB樁，與CFG樁相比，每方僅用水泥150kg，且完全不用碎石，具有很大的經(jīng)濟(jì)效益。

4.2 激發(fā)作用分析

CFB灰渣中含有大量的SiO2和Al2O3等具有膠凝活性的物質(zhì)，如外加劑以一定的方式對其進(jìn)行激發(fā)，對灰渣表面進(jìn)行改性，使其表面具有膠凝活性的位點進(jìn)一步增多，即以物理方式對爐渣活性進(jìn)行了激發(fā)。同時，通過外加劑的激活作用與水泥水化產(chǎn)生的Ca(OH)2及其產(chǎn)生的堿性環(huán)境則會對CFB灰渣活性進(jìn)行化學(xué)激發(fā)，從而實現(xiàn)CFB灰渣膠凝活性的物理化學(xué)復(fù)合激發(fā)， 從而在材料組成與性

能上，即為抗壓強度增高、水泥用量降低，耐久性更好。

4.3 抗凍性能分析

(1)CFB灰渣中的灰具有與粉煤灰相似的作用，使混凝土/混合料結(jié)構(gòu)更為致密，水分所占孔隙體積減小，從而降低了凍脹發(fā)生的概率，所以CFB灰的添加使得其抗凍性得到進(jìn)一步提高，凍脹約束力增強。

(2)CFB灰渣顆粒內(nèi)部有大量閉孔及被封閉通孔存在，降低了材料的導(dǎo)熱系數(shù)，所以CFB灰渣的保溫抗凍性滿足地下工程CFG樁的要求。

5 CFB灰渣與水泥適應(yīng)性試驗

以基準(zhǔn)水泥與CFB灰渣的重量比m水泥：mCFB=15∶85為例，見表4。

從表4可看出，基準(zhǔn)水泥與CFB灰基本上是匹配的，水泥漿材料配比為：m水泥：mCFB=15∶85；水固比為1∶1.2～1∶1.4為佳。

6 結(jié) 語

目前，國內(nèi)對CFB灰渣的分類、各類CFB灰渣的理化性質(zhì)尚無系統(tǒng)性研究，CFB灰渣還不能被廣泛應(yīng)用于無害化、大體量化資源化利用。通過以上分析，為實現(xiàn)CFB灰渣大體積資源化利用提供了可能。

表4 水泥與CFB灰適應(yīng)性試驗數(shù)據(jù)表