IGCC灰在国内建筑领域的应用建议

陈 刚

(上海同济工程项目管理咨询有限公司，上海，200092)

中国是以煤炭为主要一次能源的国家，并且短时间内不会有根本改变，未来中国将面临的巨大温室气体减排压力，这决定了我国必须大力发展清洁高效的燃煤发电技术。IGCC(Integrated Gasification Combined Cycle)是整体煤气化联合循环发电系统的简称，具有将固体煤的气化、净化与燃气—蒸汽联合循环发电相结合的清洁高效发电技术和低排放的突出优势，是一种未来煤基发电及低排放发电系统的最佳选择，目前国内已建成华能绿色煤电天津IGCC 电厂示范项目。与传统电厂发电工艺不同，IGCC 电厂先将原料煤在气化炉中气化为煤气，再经过除尘净化后进入燃机燃烧，煤中大量矿物性灰分在还原性化学气体中被熔化成灰渣，煤的燃烧比传统电厂更为充分，出灰量比传统电厂少，与传统电厂产生的飞灰容易渗析相比，IGCC 灰类似玻璃一样不会渗析。尽管IGCC 系统具有低排放的优点，但是全国推广该技术以后，排灰量仍然是个不小的数量，合理处置其排放的灰对改善环境质量、推动循环经济发展、带动废物处置产业化和增强城市废物处置的环境安全具有十分重要的意义。

1 组分分析

1.1 化学成分及矿物组成分析

为分析IGCC 灰的主要化学成分，根据《水泥化学分析方法》(GB/T176－2008)中X 射线荧光分析方法的要求，采用粉末压片法对取自华能绿色煤电天津IGCC 电厂的IGCC 灰进行X 射线荧光半定量分析。

为分析IGCC 灰的矿物组成，对IGCC 灰进行多晶体X 射线衍射分析－X 射线广角衍射谱试验，试验参照标准为《转靶多晶体X 射线衍射方法通则》(JY/T009－ 1996)，试验仪器型号为RIGAKU D/max 2550VB/PC。

1.2 测试结果及分析

IGCC 灰X 射线荧光半定量分析结果见表1，IGCC灰进行多晶体X 射线衍射分析－X 射线广角衍射谱试验结果见图1。

图1 IGCC 灰X 射线衍射图谱

从X 射线荧光半定量分析的结果可以看出，IGCC灰的主要化学成分以SiO2、Al2O3、CaO 和Fe2O3为主，与粉煤灰一致。从图1 显示的X 射线衍射峰看出，强度最高的部分峰特征值模糊，是无定型态的表现，结合X 射线荧光半定量分析出的灰组分主要以SiO2、Al2O3、CaO 和Fe2O3为主的结果，可以断定灰的矿物组成以无定型态为主。综合上述结果，可以初步判定，IGCC 灰类似于传统火力发电厂排放的粉煤灰。

表1 IGCC 灰荧光半定量分析结果

2 性能测试

基于化学成分及矿物组成分析测试的结果，对IGCC 灰的性能测试参照粉煤灰的标准进行。

2.1 用于混凝土掺合料和水泥混合材的试验

参照《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》(GB/T1596－2005)中规定的粉煤灰指标，对IGCC 灰进行测试，相关指标中，需水量比、细度、含水量、活性指数试验方法参照《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》(GB/T1596－2005)，安定性试验方法参照《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》(GB/T1346－2011)，密度试验方法参照《水泥密度测定方法》(GB/T208－2014)，烧失量、SO3含量和f－CaO 含量试验方法参照《水泥化学分析方法》(GB/T176－2008)。

2.2 试验结果分析

IGCC 灰用于混凝土掺合料和水泥混合材的试验结果见表2。

表2 IGCC 灰参照《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》指标的测试结果

对照测试数据和相关标准的技术要求，可以看出，IGCC 灰满足用于拌制混凝土和砂浆用粉煤灰技术要求中Ⅱ级灰的要求。

3 IGCC灰在建筑领域的应用预测

3.1 用于水泥混合材

随着国民经济的不断发展，中国的住房、城市道路交通，以及对外空港、码头、桥梁和高速公路建设也要跟上经济增长的需求，水泥的消费量不断上升，这对资源的需求不断提高，将IGCC 灰掺入不同品种水泥熟料中磨成水泥，可有效降低水泥行业对原材料资源的消耗。在硅酸盐水泥和普通硅酸水泥进行成品配料过程中掺加IGCC 灰，再经均化仓混合均匀处理，配制成新的水泥品种，也是一条利用技术途径，值得重视探讨的重要举措，具有开发前景。

3.2 用于混凝土掺合料

随着混凝土技术的发展，人们越来越认识到矿物掺合料在改善混凝土的工作性、力学性能和耐久性方面起着重要的作用。通过在混凝土中掺加灰渣，能起到工程施工成本降低，改善混凝土的和易性、可泵性，增加混凝土的黏性，减少混凝土离析与泌水，使混凝土的凝结时间相对延长，坍落度损失减小，降低水化热，减少或消除混凝土中碱集料反应的危害［1］。矿物掺合料的应用为IGCC 灰提供了一条可能的应用途径，Acosta 等人在其发表的论文《Valorisation of IGCC byproducts from the Puertollano Power Plant》中，已经就IGCC 灰的火山灰活性以及用作混凝土掺合料的适宜性进行了确认。

3.3 用于制作灰渣混凝土空心砌块

灰渣混凝土小型空心砌块是一种主要材料为灰渣、水泥、外加剂等，经搅拌、震动成型、脱模养护(自然养护或蒸汽养护)而成的新型墙体材料，其优点为原料来源广泛、轻质、保温隔热性好、节地和节能。灰渣混凝土小型空心砌块的主要原料为灰渣，原料价格便宜，具有较好的经济与社会效益，可广泛用于低层建筑的承重结构及公共与民用建筑的填充墙、围护墙。IGCC 灰用于制作灰渣混凝土空心砌块，主要是作为原材料中的掺合料加以利用。国内灰渣混凝土小型空心砌块多以炉底灰渣应用为主，考虑到IGCC 灰渣除灰工艺及形成过程，其火山灰活性比一般炉底灰高，应用小型空心砌块中，能产生更高的强度。

3.4 制作砂浆

砌体结构设计规范中明确规定，工程±0.0m 以下砌体必须采用水泥砂浆砌筑，但水泥砂浆也有本身的不足，即和易性差、泌水率大、水泥用量偏高、砂浆硬化快、易开裂等。高任清等人的研究显示，在混合砂浆中使用粉煤灰替代全部石灰膏，是可行的;通过在不同养护环境条件下和不同龄期的强度进行试验，均能满足规范、设计和使用要求［2］。IGCC 灰类似粉煤灰的特性，使得在混合砂浆中使用IGCC 灰变为可能，通过合理确定配比，既能保证砌筑质量，又能降低产品成本，还能保护环境和节约资源，应该会有较好的经济效益和社会效益。

3.5 制作建筑陶瓷

我国建筑陶瓷行业产销量呈快速增长态势，2014年1－6月，我国建筑陶瓷制品制造业销售收入总额达到1971.274 亿元，同比增长12.15%，巨大的产值背后是巨大的资源消耗，如能利用IGCC 灰制作建筑陶瓷，将从一定程度上缓解建筑陶瓷行业的资源需求压力。国外已有一些学者研究了IGCC 灰用来制作建筑陶瓷的可能性，IGCC 灰在建筑陶瓷中的应用主要是作为一种活性组分加入，经研究［3］，加入IGCC 灰后，常温下建筑陶瓷的烧结过程有所改善。

3.6 用于建筑回填和填筑

一般的灰在建筑回填和填筑方面的应用主要为软基处理和填筑路堤。IGCC 灰用于软基处理方面，主要是在换填、抛石挤淤、袋装沙井、沙桩、塑料排水板、粉喷桩、旋喷桩等方法中代替或部分代替水泥等胶结材料，主要作用是固结使整体稳定，提高承载能力，可以节约水泥、减少投资。IGCC 灰用于填筑路堤可以节省耕地，合理利用资源，以达到减轻土基压力，提高路堤水稳性能的目的［4］。由于IGCC 灰在水环境下中溶出物量很微小，对环境无污染，因此，在没有找到其它利用途径的情况下，回填是处理IGCC 灰的方式之一，国外建成IGCC 电厂的地区已有实施。值得注意的回填是一种几乎没有任何附加值的处理方式。

4 结 论

IGCC 灰在化学成分和矿物组成方面与粉煤灰类似，其性能满足用于拌制混凝土和砂浆用粉煤灰技术要求中Ⅱ级灰的要求，可在水泥混合材、混凝土掺合料、灰渣混凝土空心砌块、砂浆、建筑陶瓷、建筑回填和填筑等方面考虑加以利用，但各利用方式所带来的附加值不同。

［1］胡小锋，方晓瑞，胡春环.粉煤灰对高强混凝土性能的影响［J］.华北水利水电学院学报，2009，5:53－55

［2］高任清，陈建兵，胡文稚等.水泥粉煤灰混合砂浆应用技术研究［J］.混凝土，2008，6:85－88

［3］M＇onica Aineto，Anselmo Acosta，Isabel Iglesias.The role of a coal gasification fly ash as clay additive inbuilding ceramic［J］.Journal of the European Ceramic Society，2006，(26):3783－3787

［4］吕喜禄.吉林省公路建设土地资源节约集约利用技术研究［D］.西安:长安大学，2012