CFB灰代換粉煤灰用于地基處理的可能性初探

吳 非，申鐵軍

(山西路橋建設集團有限公司，山西 太原 030006)

0 引 言

煤化工產品生產時會產生大量的燃燒后灰分結渣，如粉煤灰已被土木工程建設廣泛使用，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、高效利用，變廢為寶，既降低工程建設施工成本，又可助力煤化工企業綠色發展，同時減少固廢填埋和砂石開采引起的環境污染，可具有顯著的經濟效益和社會效益。

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、火力發電廠的循環流化床鍋爐機組生產出來的一種較煤粉燃燒技術燃料適用性、污染物排放都有較大優勢的燃燒灰渣。煤在循環流化床鍋爐(Circulating Fluidized Bed)在730～930 ℃的高溫下采用干法脫硫技術形成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電后排出的灰渣。但由于采用不同類型鍋爐與脫硫工藝，導致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

CFB鍋爐脫硫方式為爐內干法+尾部半干法，燃燒溫度730～950 ℃，且多采用爐內脫硫或爐內脫硫與爐外煙氣脫硫相結合的脫硫工藝，而爐內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煤、煤矸石、煤泥等，一般含硫量較高，且入爐粒度小于9 mm，導致灰渣排放量大(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。但對于采用爐內脫硫的CFB灰渣而言，由于爐內噴入了一定量石灰石粉，導致CFB灰渣中CaO、SO3含量升高。粉煤灰經1 200 ℃以上高溫熔融而后冷卻而成，主要是玻璃態的圓球形顆粒，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，且大部分優于煤粉爐粉煤灰。但由于形成溫度低、結構疏松多孔，需水量大，對外加劑的吸附性強，再加上對其中f-CaO、CaSO4、CaCO3缺乏認識和調控技術，導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，內部呈蜂窩狀，質地堅硬。其容重為1 200～1 300 kg/m3，吸水率為9%～11%，主要成份為：SiO2，Al2O3，CaO，Fe2O3，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，性質穩定。與粉煤灰相比，Fe2O3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硬板結。見表1，表2。

表1 CFB灰與粉煤灰指標對比表

表2 CFB灰渣化學成份表

3 CFB灰渣的穩定性分析

穩定性與崩解性：CFB灰渣燒失量約10%～30%，這是CFB灰渣未完全氣化、釋放揮發分形成的焦炭類物質，性質穩定；而且CFB灰渣在排出前經歷了高溫熔融燒結，其中含有的約6%～9%CaO發生了充分的化合反應，形成了莫來石和鈣長石以及無定型的玻璃體等性質穩定的礦相。而常見的體積不穩定類固廢比如鋼渣與CFB灰渣性質大不相同，鋼渣中CaO含量可達50%，且有部分被包裹未化合的游離氧化鈣(f-CaO)，緩慢水化后轉變為氫氧化物，因而具有潛在膨脹性。國內CFB灰渣有用于生產免燒磚、輕質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定性的報道。堆場CFB灰渣經過數十年的風化和雨水沖刷，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化特征的固廢不同，基本不會出現崩解等問題。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灰渣是一種性質穩定、不易風化、不易崩解的工業固體廢棄材料。

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，火山灰反應較為緩慢，其強度在28 d、60 d甚至90 d后才體現出來，因此會導致水泥強度比純硅酸鹽水泥要低，特別是早期強度嚴重偏低，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律，第6組28 d強度達到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，具有很大的經濟效益。

4.2 激發作用分析

CFB灰渣中含有大量的SiO2和Al2O3等具有膠凝活性的物質，如外加劑以一定的方式對其進行激發，對灰渣表面進行改性，使其表面具有膠凝活性的位點進一步增多，即以物理方式對爐渣活性進行了激發。同時，通過外加劑的激活作用與水泥水化產生的Ca(OH)2及其產生的堿性環境則會對CFB灰渣活性進行化學激發，從而實現CFB灰渣膠凝活性的物理化學復合激發， 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/混合料結構更為致密，水分所占孔隙體積減小，從而降低了凍脹發生的概率，所以CFB灰的添加使得其抗凍性得到進一步提高，凍脹約束力增強。

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

5 CFB灰渣與水泥適應性試驗

以基準水泥與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 語

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

表4 水泥與CFB灰適應性試驗數據表