【分享】炉底渣磨细优化其品质的试验
近年来, 我国东南沿海经济发达地区的粉煤灰综合利用形势很好, 如苏、浙和沪等地的干排粉煤灰甚至出现供不应求的局面, 然而在这些地区占燃煤电厂所排灰渣20 %左右的炉底渣的综合利用仍然未受到应有的重视。目前, 国内外对于炉底渣综合利用的研究也较少, 90 %以上的炉底渣仍然是灰场堆埋, 占用大量的土地。国内有少量的炉底渣作为建筑材料中的粗集料或细骨料使用, 以取代河砂或碎石, 国外则主要是将其作为道路的路堤和基层, 这些利用方式的经济效益不高。
目前东南沿海经济发达地区的优质粉煤灰及水泥活性混合材料的市场需求远得不到满足, 如果能将电厂的炉底渣磨细优化其品质, 将其加工成相当于国标Ⅱ级粉煤灰的产品, 不仅能够解决其存贮占地及其它环境问题, 还会带来明显的经济效益。因此, 本试验以浙江长兴燃煤电厂的炉底渣为例, 进行了磨细优化其品质的试验研究。
浙江长兴电厂锅炉属亚临界煤粉炉, 燃烧温度>1200 ℃, 炉底渣在高温熔融状态下经过水淬处理后通过刮板捞渣机连续捞出, 再经碎渣机破碎, 然后用输渣皮带机输送至贮渣仓, 用卡车运往灰渣场堆放。
本次试验所用的样品取自长兴电厂两个锅炉所排的湿炉底渣样, 编号为1#、2#, 烘干备用。
1 炉底渣的理化特性
1.1 化学成分
采用ARL-9800 型X 射线荧光光谱仪( XRFS) 对长兴电厂炉底渣进行常量化学成分分析, 分析结果表明( 见表1) , 炉底渣的SiO2、Al2O3和Fe2O3的总和都超过了85 %, 而CaO 含量均<5 %, 其化学成分与低钙粉煤灰的较相类似 。
1.2 矿物相
采用ARLX1TRA 型旋转阳极X 射线衍射仪对长兴电厂炉底渣的矿物相进行了分析, 以2#炉底渣为例, 长兴电厂炉底渣的X 射线衍射峰较宽厚( 图1) ,说明其矿物相中玻璃体的含量占优势, 结晶相物质所占比例较低。在结晶相物质中, 晶体矿物相态也不是十分复杂, 除了主要的晶体矿物相莫来石( 3Al2O3 ·2SiO2 ) 、α-石英( α-SiO2 ) 外, 还含有少量的赤铁矿, 而且以α-石英较多, 莫来石次之, 赤铁矿最少。
1.3 微量元素含量
利用XRFS 对长兴电厂炉底渣中的微量元素含量进行了分析, 分析结果表明( 表2) , 炉底渣中所含可检测到的微量元素种类较多, 其中包括一些有毒、有害元素, 但含量均不高, 与国家农用粉煤灰污染控制标准相比较, 炉底渣中各种微量元素含量均不超标, 若作为土壤改良剂施加到土壤中也不会有问题,应用到建材中更不会造成污染。
1.4 放射性元素含量
炉底渣的放射性元素含量是采用XRFS 测定的,放射性比活度则是根据其放射性元素含量通过放射化学法计算而得, 并按国家环保总局颁布的《建筑材料放射性核素限量(GB6566-2001) 》规定计算了其外照射和内照射两个指标。结果表明( 表3) , 长兴电厂炉底渣的放射性元素的比活度较小, 将其掺入建筑材料中, 符合国标( GB6566-2001) 要求, 不会造成放射性方面的安全隐患。
2 炉底渣最佳粉磨工艺
决定粉煤灰品质的最重要的3个指标为:细度、需水量比和烧失量 。长兴电厂炉底渣的烧失量较低, 其细度可通过粉磨而获得, 显然, 对长兴电厂炉底渣进行磨细, 关键就是如何通过合适的粉磨工艺使磨细炉底渣的需水量比能尽量达到最小值。
2.1 磨机和粉磨条件
试验所用磨机型号SM-500, 规格 500mm ×500mm, 转速48r min, 球配为磨水泥熟料的标准球配, 电机功率为1.5kW。
由于1#和2#样品的化学成分、矿物相等诸多特征均较相似, 故本次粉磨试验仅采用2#样品作为代表, 每次入磨量为5kg, 粉磨时间分别为10、20、30、40 min等, 到达预定粉磨时间后, 对磨细炉底渣进行相关测试, 找出粉磨时间与出料的细度和需水量比之间的变化关系, 当磨细炉底渣的需水量比达到最小时, 以此确定为最佳粉磨时间。
2.2 最佳粉磨时间
表4 为不同粉磨时间出料的细度(45μm筛余量) 、比表面积和需水量比之间的关系, 随着粉磨时间的延长, 磨细炉底渣的细度逐渐减小, 其比表面积呈增加的趋势。但是当粉磨时间由30 min增加到40 min时(表4) , 炉底渣的需水量比变化不明显, 都是103 %。这是由于随着炉底渣由粗变细, 其堆积变密实, 空隙体积减小, 需水量比也就减少;但随着炉底渣由细变得更细, 其比表面积也将增大, 在颗粒表面形成水膜所需的水量增多, 导致炉底渣磨细到一定程度后, 其需水量比的变化就不明显。因此, 若以最小需水量比作为判别标准, 那么将最佳的粉磨时间确定为30 min, 相应的出料细度( 45 μm筛余量) 控制在10 %左右, 这时出料的需水量比最低;能使磨细炉底渣达到Ⅱ级粉煤灰的需水量比≤105 %的质量标准。
3 磨细炉底渣的颗粒特征及火山灰活性
3.1 颗粒级配特征
将4个经不同粉磨时间的磨细炉底渣采用英国MASTERSIZER 2000激光粒度分析仪进行了分析测试, 随着粉磨时间的延长, 出料的平均粒径逐渐减小,如粉磨10min样品的平均粒径为28.656μm, 而粉磨40min样品的平均粒径则降为10.035μm。
图3 显示了在粉磨过程中出料颗粒级配的变化特征关系, 随着粉磨时间增加, 磨细出料中<20μm的颗粒逐步增加, 而介于20～45μm的颗粒含量几乎不变, 磨细出料中>45μm的颗粒的含量则逐渐降低, 这表明粉磨工艺对进料中>45μm的颗粒较有效。实验表明, 通过标准球磨机( 如本次研究所采用的) 粉磨物料, 要将进料中<45μm的颗粒再磨细, 效果将不会很明显, 阮燕用普通球磨机对不同颗粒组成的粉煤灰磨细试验也有类似结果。由于粉磨初期进料中含较多的>45μm的颗粒, 导致了粉磨初期磨细出料的细度下降较明显, 随着粉磨时间增加, 粉磨进料中>45μm 的颗粒变少, 粉磨出料的细度下降也就变得缓慢。也就是说, 通过磨细工艺控制磨细出料的细度,受到一定的限制。因此, 在实际工程中, 根据设计目标和要求, 可按最佳粉磨时间控制磨细炉底渣的细度, 否则, 将浪费能源, 也不会带来最佳效果。
3.2 颗粒形貌
利用南京大学现代分析中心的扫描电子显微镜对长兴电厂磨细炉底渣的形貌进行了分析( 图2) 。
从图中可以看出, 磨细炉底渣基本上以不规则颗粒为主, 多呈薄片状。
3.3 火山灰活性
评定材料的火山灰活性有多种方法, 如维卡法( 石灰吸收值法) 、强度法和酸碱溶出法等。本次研究采用强度法, 以纯水泥砂浆为基准样, 依据( GB1596-2005) 所规定的“抗折、抗压强度”测定活性的方法, 测定了长兴电厂磨细炉底渣及磨细粉煤灰的火山灰活性, 这种方法能直接反映被测物对水泥基材料强度的贡献, 是目前国内外公认的较好方法。测定结果见表5 。其中磨细Ⅱ级粉煤灰由长兴电厂统灰粉磨15min得到, 45μm筛余量为9.27%, 与2#3细度相近。
测定结果表明(表5) , 掺有磨细炉底渣的水泥胶砂3d的抗折、抗压强度随着炉底渣细度的减小而增加;而不同细度炉底渣的28 d抗折、抗压强度的差异变小。磨细炉底渣的3 d抗压强度明显优于磨细Ⅱ级灰的, 表明其早强效果较好;随着养护龄期的增长, 磨细炉底渣与磨细Ⅱ级粉煤灰强度的差距变小, 但28d时磨细渣的抗折和抗压强度均仍然略高于磨细Ⅱ级粉煤灰的( 细度相近时) 。
4 结论
(1) 长兴电厂炉底渣的化学成分以SiO2与Al2O3较高为特征;物相以玻璃体占绝对优势, 结晶相物质含量较低, 结晶矿物相以石英、莫来石为主, 另外还含有少量的赤铁矿;微量元素和放射性元素含量均在国标规定的限定范围内。
( 2) 若长兴电厂炉底渣通过磨细优化其品质的目标定位于生产相当Ⅱ级粉煤灰的磨细炉底渣, 那么在标准试验磨和入磨量为5kg 的条件下, 粉磨时间约为30min, 45μm筛余量控制在10%左右, 即可达到预期目标。
( 3) 随着粉磨时间增加, 磨细炉底渣出料中介于20～45μm的颗粒含量几乎不变, 而>45μm的颗粒的含量逐渐降低并导致<20μm颗粒含量逐步增加, 粉磨工艺对进料中>45μm的颗粒较有效;磨细炉底渣基本上以不规则颗粒为主, 多呈薄片状。
( 4) 磨细炉底渣与磨细Ⅱ级粉煤灰的火山灰性能对比试验表明, 磨细炉底渣的早强要明显优于磨细Ⅱ级粉煤灰的, 28d的强度也仍然略高于磨细Ⅱ级粉煤灰的, 即磨细炉底渣的火山灰活性要优于磨细Ⅱ级粉煤灰。
( 5) 将长兴电厂的炉底渣通过磨细优化其品质,拓宽其综合利用的途径, 并期望获得较好的经济、环境和社会效益, 这在技术上是可行的。
作者：余锦龙 翟建平 李琴 盛广宏