循环硫化床粉煤灰超细化研究

董建勋 ， 洪雪莲 ， 王 琛

(1.河南平煤神马环保节能有限公司 ， 河南 平顶山 467000 ； 2.神马实业股份有限公司 尼龙化工研究院 ， 河南 平顶山 467000 ； 3.炼焦煤资源开发及综合利用国家重点实验室 ， 河南 平顶山 467000 ； 4.中国人民解放军信息工程大学 ， 河南 郑州 450002)

循环硫化床锅炉(CFB)粉煤灰是在循环流化床锅炉中以850～950 ℃燃烧时生成的，燃烧中掺入了石灰石，且易于在锅炉燃烧过程中实现脱硫脱氮，具有燃煤适应性广、低污染排放、热效率高等优点[1-3]。但是，循环流化床锅炉属于中温燃烧，燃烧过程加入了大量的脱硫剂，导致其产生的粉煤灰较普通煤粉炉粉煤灰有很大差异，难以用常规方式进行利用。如果不合理处理将会造成对水源、土壤、海洋及大气的二次污染，粉煤灰是我国当前排量较大的工业废渣之一。每年粉煤灰排放量达5～6亿t。随着电力工业的发展，燃煤电厂的粉煤灰排放量逐年增加。大量的粉煤灰不加处理，就会产生扬尘，污染大气；若排入水系会造成河流淤塞，而其中的有毒化学物质还会对人体和生物造成危害[4-6]。

粉煤灰中总的氧化钙含量虽然很高，但是活性氧化钙的含量不高。由于粉煤灰中含有新的硫酸钙外壳，将未反应的氧化钙覆盖，而且氧化钙与二氧化硫反应后生成的硫酸钙摩尔体积大，将氧化钙的孔堵塞，大大降低了飞灰中氧化钙的比表面积[7-9]。未反应的氧化钙在影响后续使用，用于水泥和混凝土中的粉煤灰明确规定不能把循环硫化床锅炉粉煤灰直接应用到水泥和混凝土的生产中，而煤粉炉粉煤灰(PC)可以直接使用[10]。

目前，国内超微粉加工以气流磨的应用最多，可制备多种高纯度的超微粉体物料，具有工艺简单、产品粒度分布较窄、颗粒形态较好等优点，是近年来发展最快的超微粉加工技术之一。以压缩空气为介质的气流磨，虽在制备超微粉的效果上比较好，但存在着能耗大、成本高、设备复杂等缺点[11]。过热蒸汽为介质的气流磨，具有能耗低、粉碎度高等优点，在相同的压力、温度条件下，用过热蒸汽可以比压缩空气能得到更细的产品。同时在整个粉碎、分级、收集系统中，避免超细粉的脱水、干燥的物料固结等缺点，有效地降低加工成本和能耗,利于大规模生产[12]。

超细粉煤灰(比表面积700～1 000 m2/kg)是一种高功能性的水泥混合材和混凝土掺合料，采用高效的制备工艺来生产超细粉煤灰是提升粉煤灰附加值的工业化有效途径之一。如何制备高功能效应的粉煤灰是深化利用粉煤灰的研发方向，而应用经济高效的制备工艺来实施粉煤灰的超细粉磨是非常有效的途径之一。开展循环流化床锅炉脱硫灰渣综合利用，变废为宝，实现环境和经济效益的双赢，对环境保护和可持续发展具有长远意义[13]。本文采用西南科技大学陈海焱教授课题组开发的蒸汽动能磨对CFB灰进行超细化研究。

1 实验条件

1.1 试验装置

1.空气压缩机 2.冷冻干燥机 3.空气储气罐 4.加料槽 5.涡轮气流分离机 6.布袋收集器 7.高压引风机

1.2 蒸汽动能磨参数

蒸汽温度≥260 ℃，压力0.5～0.8 MPa；CFB灰样品河南神马尼龙化工有限责任公司；超细粉煤灰粉体的粒度控制范围D50=4～10 μm。

1.3 实验方法

CFC灰首先进行筛分，粒径介于20 μm和5 mm之间的烟道灰采用气体输送的方式进入蒸汽动能磨，蒸汽温度控制在260 ℃以上，压力0.5～0.8 MPa，经气流磨粉磨粒径达到要求后进入保温仓，气固分离后进入成品储仓。

1.4 气流磨工作原理

将过热蒸汽通过喷嘴高速喷出，高速射流带动物料作高速碰撞、摩擦而粉碎。被粉碎的物料随气流到达分级区，达到细度要求的物料，最终由收集器收集。未达到要求的物料，再返回粉碎室继续粉碎，直至达到所需细度并被捕集为止。

2 结果讨论

2.1 CFB灰基本数据

对CFB灰进行初步分析，得到的基础数据见表1。由于锅炉温度较低，粉煤灰的比表面积很小，每千克300～400 m2，同时由于烟道气脱硫要求，脱硫剂用量加大，总钙含量偏高，最高达到20%。

表1 CFB灰指标分析

2.2 粒径分析

对CFB灰处理前后粒径变化情况进行分析，结果见表2。

表2 CFB灰样品粒径

由表2可以看出，蒸汽动能磨采用不同频率进行超细化，粉煤灰的粒径变化情况各异，D50和D90数据中，D90变化的幅度较大。5 Hz的条件下CFB粉超细化处理后，D90为45.29 μm，达到了I级灰对细度的要求，仅从细度方面考虑，基本满足多数以粉煤灰为原料的建材产品的要求[15]。

表3 用于水泥和混凝土中粉煤灰的划分标准

2.3 组分分析

为了进一步研究CFB灰超细化的效果，分别分析了处理前后的化学组分和烧失量的变化情况，分析结果见表4和表5。由表4可以看出，CFB灰变化最大的两个组分是SiO2和CaO，SiO2的含量不断增加，而CaO的含量不断减少。由于在超细化过程中CaO比较稳定，不可能发生分解，也不会因发生化学反应而造成含量减少，可能原因是在烟气脱硫过程中部分CaO被包埋形成小颗粒，超细化过程中颗粒被打破，由于相对密度较大而在动能磨底部沉积，以不能处理的大颗粒粉煤杂质排出，造成CFB灰中CaO比例减小[16-17]。由于粉煤灰的Ca通常以CaSiO3的形式计算，CaO的减少，最终导致SiO2的含量增加。由表5数据可知，CFB灰在超细化过程中烧失量变化不大，含水率和含碳量变化很小，证明CFB灰性质稳定。图2显示了各CFB灰样品的 XRD分析结果，从图2中可知，处理过程CaO的峰变小的趋势，进一步验证了表4数据的可靠性。

表4 CFB灰化学组分

表5 CFB灰样品烧失量

图2 CFB灰XRD分析图

2.4 微观分析

图3展示了CFB灰在超细化过程样品的电镜分析图，并以PC灰的电镜图作为对比。由图3可以看出，PC灰中的微珠较多(图3a)，而CFB灰中的微珠很少(图3b)，而不规则的颗粒比较多，这与二者的生成条件有关。经过超细化后，CFB灰中的不规则颗粒减少(图3c和图3d)，主要是原有的CaO包埋物被打开，处理过程逐渐被分开，进一步证明了CFB粉中存在少量未反应的CaO，这也是影响后续使用的主要原因之一。而蒸汽动能磨处理CFB灰可以有效地降低未反应的CaO含量，提高CFB灰的使用量。

图3 不同粉煤灰样品电镜分析

3 结论

采用蒸汽喷射磨在蒸汽温度>260 ℃，压力0.5～0.8 MPa的条件下对循环硫化床锅炉(CFB)粉煤灰进行超细化研究。研究表明，超细化可以大幅减少包覆的CaO颗粒，含量明显降低并减少CFB灰中CaO的总量，为提高CFB灰在建材中的应用量奠定了理论基础。得出以下结论：①CFB粉中存在一定量未反应的CaO，是影响后续使用的重要原因；②蒸汽喷射磨处理CFB粉时，粉煤灰中包裹未反应的氧化钙被打开，得到释放和消解，提高了粉煤灰的活性，降低了膨胀性风险，有利于后续的使用。