循環(huán)硫化床粉煤灰超細化研究

董建勛 ， 洪雪蓮 ， 王 琛

(1.河南平煤神馬環(huán)保節(jié)能有限公司 ， 河南 平頂山 467000 ； 2.神馬實業(yè)股份有限公司 尼龍化工研究院 ， 河南 平頂山 467000 ； 3.煉焦煤資源開發(fā)及綜合利用國家重點實驗室 ， 河南 平頂山 467000 ； 4.中國人民解放軍信息工程大學(xué) ， 河南 鄭州 450002)

循環(huán)硫化床鍋爐(CFB)粉煤灰是在循環(huán)流化床鍋爐中以850～950 ℃燃燒時生成的，燃燒中摻入了石灰石，且易于在鍋爐燃燒過程中實現(xiàn)脫硫脫氮，具有燃煤適應(yīng)性廣、低污染排放、熱效率高等優(yōu)點[1-3]。但是，循環(huán)流化床鍋爐屬于中溫燃燒，燃燒過程加入了大量的脫硫劑，導(dǎo)致其產(chǎn)生的粉煤灰較普通煤粉爐粉煤灰有很大差異，難以用常規(guī)方式進行利用。如果不合理處理將會造成對水源、土壤、海洋及大氣的二次污染，粉煤灰是我國當前排量較大的工業(yè)廢渣之一。每年粉煤灰排放量達5～6億t。隨著電力工業(yè)的發(fā)展，燃煤電廠的粉煤灰排放量逐年增加。大量的粉煤灰不加處理，就會產(chǎn)生揚塵，污染大氣；若排入水系會造成河流淤塞，而其中的有毒化學(xué)物質(zhì)還會對人體和生物造成危害[4-6]。

粉煤灰中總的氧化鈣含量雖然很高，但是活性氧化鈣的含量不高。由于粉煤灰中含有新的硫酸鈣外殼，將未反應(yīng)的氧化鈣覆蓋，而且氧化鈣與二氧化硫反應(yīng)后生成的硫酸鈣摩爾體積大，將氧化鈣的孔堵塞，大大降低了飛灰中氧化鈣的比表面積[7-9]。未反應(yīng)的氧化鈣在影響后續(xù)使用，用于水泥和混凝土中的粉煤灰明確規(guī)定不能把循環(huán)硫化床鍋爐粉煤灰直接應(yīng)用到水泥和混凝土的生產(chǎn)中，而煤粉爐粉煤灰(PC)可以直接使用[10]。

目前，國內(nèi)超微粉加工以氣流磨的應(yīng)用最多，可制備多種高純度的超微粉體物料，具有工藝簡單、產(chǎn)品粒度分布較窄、顆粒形態(tài)較好等優(yōu)點，是近年來發(fā)展最快的超微粉加工技術(shù)之一。以壓縮空氣為介質(zhì)的氣流磨，雖在制備超微粉的效果上比較好，但存在著能耗大、成本高、設(shè)備復(fù)雜等缺點[11]。過熱蒸汽為介質(zhì)的氣流磨，具有能耗低、粉碎度高等優(yōu)點，在相同的壓力、溫度條件下，用過熱蒸汽可以比壓縮空氣能得到更細的產(chǎn)品。同時在整個粉碎、分級、收集系統(tǒng)中，避免超細粉的脫水、干燥的物料固結(jié)等缺點，有效地降低加工成本和能耗,利于大規(guī)模生產(chǎn)[12]。

超細粉煤灰(比表面積700～1 000 m2/kg)是一種高功能性的水泥混合材和混凝土摻合料，采用高效的制備工藝來生產(chǎn)超細粉煤灰是提升粉煤灰附加值的工業(yè)化有效途徑之一。如何制備高功能效應(yīng)的粉煤灰是深化利用粉煤灰的研發(fā)方向，而應(yīng)用經(jīng)濟高效的制備工藝來實施粉煤灰的超細粉磨是非常有效的途徑之一。開展循環(huán)流化床鍋爐脫硫灰渣綜合利用，變廢為寶，實現(xiàn)環(huán)境和經(jīng)濟效益的雙贏，對環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展具有長遠意義[13]。本文采用西南科技大學(xué)陳海焱教授課題組開發(fā)的蒸汽動能磨對CFB灰進行超細化研究。

1 實驗條件

1.1 試驗裝置

1.空氣壓縮機 2.冷凍干燥機 3.空氣儲氣罐 4.加料槽 5.渦輪氣流分離機 6.布袋收集器 7.高壓引風(fēng)機

1.2 蒸汽動能磨參數(shù)

蒸汽溫度≥260 ℃，壓力0.5～0.8 MPa；CFB灰樣品河南神馬尼龍化工有限責(zé)任公司；超細粉煤灰粉體的粒度控制范圍D50=4～10 μm。

1.3 實驗方法

CFC灰首先進行篩分，粒徑介于20 μm和5 mm之間的煙道灰采用氣體輸送的方式進入蒸汽動能磨，蒸汽溫度控制在260 ℃以上，壓力0.5～0.8 MPa，經(jīng)氣流磨粉磨粒徑達到要求后進入保溫倉，氣固分離后進入成品儲倉。

1.4 氣流磨工作原理

將過熱蒸汽通過噴嘴高速噴出，高速射流帶動物料作高速碰撞、摩擦而粉碎。被粉碎的物料隨氣流到達分級區(qū)，達到細度要求的物料，最終由收集器收集。未達到要求的物料，再返回粉碎室繼續(xù)粉碎，直至達到所需細度并被捕集為止。

2 結(jié)果討論

2.1 CFB灰基本數(shù)據(jù)

對CFB灰進行初步分析，得到的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)見表1。由于鍋爐溫度較低，粉煤灰的比表面積很小，每千克300～400 m2，同時由于煙道氣脫硫要求，脫硫劑用量加大，總鈣含量偏高，最高達到20%。

表1 CFB灰指標分析

2.2 粒徑分析

對CFB灰處理前后粒徑變化情況進行分析，結(jié)果見表2。

表2 CFB灰樣品粒徑

由表2可以看出，蒸汽動能磨采用不同頻率進行超細化，粉煤灰的粒徑變化情況各異，D50和D90數(shù)據(jù)中，D90變化的幅度較大。5 Hz的條件下CFB粉超細化處理后，D90為45.29 μm，達到了I級灰對細度的要求，僅從細度方面考慮，基本滿足多數(shù)以粉煤灰為原料的建材產(chǎn)品的要求[15]。

表3 用于水泥和混凝土中粉煤灰的劃分標準

2.3 組分分析

為了進一步研究CFB灰超細化的效果，分別分析了處理前后的化學(xué)組分和燒失量的變化情況，分析結(jié)果見表4和表5。由表4可以看出，CFB灰變化最大的兩個組分是SiO2和CaO，SiO2的含量不斷增加，而CaO的含量不斷減少。由于在超細化過程中CaO比較穩(wěn)定，不可能發(fā)生分解，也不會因發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而造成含量減少，可能原因是在煙氣脫硫過程中部分CaO被包埋形成小顆粒，超細化過程中顆粒被打破，由于相對密度較大而在動能磨底部沉積，以不能處理的大顆粒粉煤雜質(zhì)排出，造成CFB灰中CaO比例減小[16-17]。由于粉煤灰的Ca通常以CaSiO3的形式計算，CaO的減少，最終導(dǎo)致SiO2的含量增加。由表5數(shù)據(jù)可知，CFB灰在超細化過程中燒失量變化不大，含水率和含碳量變化很小，證明CFB灰性質(zhì)穩(wěn)定。圖2顯示了各CFB灰樣品的 XRD分析結(jié)果，從圖2中可知，處理過程CaO的峰變小的趨勢，進一步驗證了表4數(shù)據(jù)的可靠性。

表4 CFB灰化學(xué)組分

表5 CFB灰樣品燒失量

圖2 CFB灰XRD分析圖

2.4 微觀分析

圖3展示了CFB灰在超細化過程樣品的電鏡分析圖，并以PC灰的電鏡圖作為對比。由圖3可以看出，PC灰中的微珠較多(圖3a)，而CFB灰中的微珠很少(圖3b)，而不規(guī)則的顆粒比較多，這與二者的生成條件有關(guān)。經(jīng)過超細化后，CFB灰中的不規(guī)則顆粒減少(圖3c和圖3d)，主要是原有的CaO包埋物被打開，處理過程逐漸被分開，進一步證明了CFB粉中存在少量未反應(yīng)的CaO，這也是影響后續(xù)使用的主要原因之一。而蒸汽動能磨處理CFB灰可以有效地降低未反應(yīng)的CaO含量，提高CFB灰的使用量。

圖3 不同粉煤灰樣品電鏡分析

3 結(jié)論

采用蒸汽噴射磨在蒸汽溫度>260 ℃，壓力0.5～0.8 MPa的條件下對循環(huán)硫化床鍋爐(CFB)粉煤灰進行超細化研究。研究表明，超細化可以大幅減少包覆的CaO顆粒，含量明顯降低并減少CFB灰中CaO的總量，為提高CFB灰在建材中的應(yīng)用量奠定了理論基礎(chǔ)。得出以下結(jié)論：①CFB粉中存在一定量未反應(yīng)的CaO，是影響后續(xù)使用的重要原因；②蒸汽噴射磨處理CFB粉時，粉煤灰中包裹未反應(yīng)的氧化鈣被打開，得到釋放和消解，提高了粉煤灰的活性，降低了膨脹性風(fēng)險，有利于后續(xù)的使用。