張雪，陳仕國，王群英，賈魯濤，李勇輝

（1.貴州烏江水電開發(fā)有限責任公司，貴陽　550002；2.華電電力科學研究院，杭州　310030）

粉煤灰需水量比的影響因素及降低措施

張雪1，陳仕國2，王群英2，賈魯濤2，李勇輝2

（1.貴州烏江水電開發(fā)有限責任公司，貴陽550002；2.華電電力科學研究院，杭州310030）

需水量比是評價燃煤電廠粉煤灰品質(zhì)的重要指標。介紹了粉煤灰的減水效應，對細度、燒失量和顆粒形態(tài)等影響粉煤灰需水量比的因素進行了分析，介紹了目前國內(nèi)外降低粉煤灰需水量的技術(shù)和方法，以提高粉煤灰品質(zhì)，提升電廠粉煤灰經(jīng)濟效益。

粉煤灰；需水量比；細度；燒失量；鍋爐負荷

0　引言

粉煤灰是煤炭在鍋爐中燃燒后，隨煙氣從鍋爐尾部排出經(jīng)收塵設備收集的固體顆粒，由于其具有形態(tài)效應、微集料效應、活性效應等，粉煤灰已成為水泥、混凝土的重要礦物摻合料［1-3］。作為現(xiàn)代商品混凝土的重要輔助材料之一，粉煤灰的需水量比將影響新拌混凝土的工作性能以及硬化混凝土的力學強度和耐久性等［4］。

粉煤灰需水量比是指按規(guī)定的水泥標準砂漿流動性試驗方法，以30%粉煤灰取代硅酸鹽水泥時所需的水量與硅酸鹽水泥標準砂漿需水量之比。需水量比是評價粉煤灰品質(zhì)及影響其工程應用的重要物理指標［5］，粉煤灰的需水量比越小，其工程利用價值就越高。高品質(zhì)粉煤灰減水效果明顯，可顯著降低混凝土的拌合用水量，提高混凝土品質(zhì)，而低品質(zhì)粉煤灰會增加混凝土的用水量，對混凝土性能產(chǎn)生不利影響［6］。

1　粉煤灰的減水效應

高品質(zhì)粉煤灰具有一定的減水效應，其減水機制有形態(tài)效應和微集料效應兩種［7］。粉煤灰形態(tài)效應是指粉煤灰由其顆粒外觀形態(tài)、表面性質(zhì)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、顆粒級配等物理性狀所產(chǎn)生的效應：粉煤灰微珠呈球狀，可起到滾珠軸承的作用，降低用水量［8］；而粗大、疏松、多孔、形狀不規(guī)則的顆粒，則可吸附更多的水分，增加用水量。粉煤灰微集料效應取決于固體顆粒的堆積狀態(tài)，合理的顆粒級配可減少體系中的填充水量［9］。所以，控制粉煤灰的細度及粒徑分布，可充分發(fā)揮其形態(tài)效應和微集料效應，起到良好的減水效果，提高水泥或混凝土性能。

2　影響粉煤灰需水量比的主要因素

2.1細度

粉煤灰的細度是評價其品質(zhì)的重要指標之一，通常以45μm篩余量（%）作為粉煤灰細度指標［10］。粉煤灰細度較大時，其顆粒表面疏松多孔，蓄水能力強；同時，細小玻璃微珠較少，粉煤灰的滾珠軸承潤滑作用減弱，降低漿體的流動性，導致需水量比增大［5］。武斌等人［11］的粉煤灰細度與需水量比間關(guān)系的研究結(jié)果如圖1所示，粉煤灰的需水量比并不是隨著細度的逐漸增大而增大，而是在一定范圍內(nèi)隨著細度的增大而增大。當45 μm篩余量小于20%時，隨著粉煤灰細度的增大，需水量比降低，與王述銀等人［9］的研究結(jié)果并不一致。原因可能是不同來源粉煤灰品質(zhì)存在較大差異，這也表明雖然細度對粉煤灰需水量比影響很大，但并不能起到?jīng)Q定性作用，還需考慮其他因素（如燒失量）的影響［12］。M Thomas等人［13］在總結(jié)大量試驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，給出了燒失量一定的情況下，需水量Y與粉煤灰細度X1（45 μm篩余量）之間的關(guān)系：當燒失量為3%～4%時，Y=88.76+0.25X1（相關(guān)系數(shù)R2=0.86）；當燒失量為5%～11%時，Y=89.32+ 0.38X1（相關(guān)系數(shù)R2=0.85）。

上述兩個關(guān)系式反映了粉煤灰需水量比與一些因素之間存在著一定的關(guān)系，且函數(shù)式的計算結(jié)果與試驗結(jié)果有較好的吻合度。但由于上述公式中的細度指標不一定有普遍意義，且影響粉煤灰需水量的因素較多，因此公式的實用意義不大。一般而言，磨細粉煤灰的需水量比小于原狀粉煤灰，若按上述公式，則會得出相反的結(jié)果。磨細粉煤灰時，粉磨打碎了粉煤灰中的多孔狀無定型熔渣，減少了毛細管吸水作用，同時也打碎了粉煤灰中的組合粒子，減少了開口空心顆粒，從而使得水泥漿體或新拌混凝土的需水量比降低［12］。

圖1　粉煤灰細度與需水量比的關(guān)系［11］

2.2燒失量

燒失量是表征未燃燒完全有機物（包括炭粒）數(shù)量的指標，燒失量越大，表明粉煤灰中可燃物越多。

從粉煤灰用于水泥和混凝土摻合料的角度，粉煤灰燒失量對需水量比有一定的影響，燒失量大的粉煤灰中殘留炭多，而炭粒本身粗大多孔且無膠凝性，容易吸水，從而導致粉煤灰的需水量比增大。武斌等人［11］研究認為，粉煤灰的需水量比隨燒失量的增大呈線性增大，相關(guān)系數(shù)R2高達0.90（如圖2所示）。該研究結(jié)果表明，燒失量對粉煤灰的需水量有負面作用。此外，粉煤灰中過量的未燃炭降低了混凝土中摻加的引氣劑的引氣效果，對混凝土的耐久性產(chǎn)生負面影響。因此，水泥和混凝土用粉煤灰對燒失量有嚴格的要求，燒失量過大的粉煤灰將增加拌制混凝土時的用水量，從而降低混凝土強度和耐久性。

圖2　粉煤灰燒失量與需水量比關(guān)系［11］

從燃煤電廠的角度考慮，粉煤灰中未燃炭含量過高，不僅造成了能源的浪費，而且由于炭顆粒導電性強，降低了靜電除塵的效果［14］。

表1為不同鍋爐燃燒負荷對粉煤灰品質(zhì)影響的研究結(jié)果［14］。從表1可以看出，燃燒負荷小的鍋爐，粉煤灰燒失量相對較大，對粉煤灰的應用存在很大的影響；而負荷大的鍋爐，粉煤灰燒失量則較小，這主要是因為大負荷燃燒時，鍋爐相對較大且燃燒溫度較高，煤粉燃燒比較充分，燒失量較小。

表1　不同燃燒負荷產(chǎn)生的粉煤灰品質(zhì)［14］

表2列舉了世界上主要燃煤國家或地區(qū)要求的粉煤灰燒失量［12］。目前世界各國對應用于混凝土中粉煤灰的燒失量均有限制，除了中國和俄羅斯的粉煤灰最大燒失量值較高以外，其他各國的粉煤灰燒失量標準值基本相似。

表2　世界上主要燃煤國家或地區(qū)的粉煤灰最大燒失量要求

2.3顆粒形態(tài)

粉煤灰需水量比與粉煤灰的顆粒形貌有很大關(guān)系［15］。高品質(zhì)粉煤灰以球形顆粒為主，表面光滑，多孔組分很少。粉煤灰中表面光滑的球形顆粒越多，相應需水量比越少，而多孔顆粒越多，則需水量比也必然增加。圖3為貴州華電桐梓電廠的粉煤灰原灰掃描電鏡圖。

煤粉爐爐膛內(nèi)煤粉燃燒溫度為1200～1500℃，煤粉燃燒時，黏土物質(zhì)熔融成微液滴，在爐內(nèi)湍流的熱空氣作用下高速自旋，形成渾圓的硅鋁球體，并隨煙氣被除塵器收集。因此，雖然各電廠鍋爐燃燒條件不同，但煤粉爐粉煤灰顆粒的表面形態(tài)基本相似，均為形狀規(guī)則、表面致密且光滑的球狀顆粒。

綜上所述，諸多因素影響了粉煤灰的品質(zhì)。有資料指出，不能完全以細度、燒失量和顆粒形態(tài)等指標來反映粉煤灰的需水性，不同來源的粉煤灰品質(zhì)差異較大，不同因素對其需水量比的影響也不盡相同，需水量比受多因素影響，需綜合考慮［16］。但整體而言，粉煤灰細度和燒失量可視為影響粉煤灰需水性的最主要因素，可在這兩方面采取相應的措施。

圖3　粉煤灰原灰掃描電鏡圖

3　降低粉煤灰需水量比的措施

由上述分析可知，粉煤灰的細度和燒失量是影響粉煤灰需水量比的主要因素，因此，降低粉煤灰的細度、降低粉煤灰的燒失量和增加其球形顆粒含量等成為降低粉煤灰需水量比的主要措施。

3.1通過磨細工藝降低粉煤灰需水量比

磨細工藝對粉煤灰需水量的影響主要有兩方面［17］。

（1）通過磨細工藝，可打碎粉煤灰中的多孔狀無定型熔融渣，降低熔融渣的毛細管吸水效應，還可打碎粉煤灰中的組合粒子，使包裹在組合粒子中的玻璃微珠釋放出來，玻璃微珠能夠使新拌混凝土或砂漿中水泥顆粒的絮凝結(jié)構(gòu)解絮并分散顆粒，增加潤滑作用，從而改善新拌混凝土或砂漿的需水量比和流變性能，發(fā)揮粉煤灰的形態(tài)效應［18］。

（2）通過磨細工藝，粉煤灰的部分顆粒破碎，比表面積增大，加水拌合時其顆粒表面吸附的水也隨之增加，即增大了粉煤灰的需水量比。若生產(chǎn)過程中粉煤灰的磨細時間過長，將造成粉煤灰比表面積過大，不僅會使成品灰的需水量比增大，也增加了電耗［17］。因此，選用合理的工藝，將合格的成品及時排出粉磨外，避免過磨細現(xiàn)象，對有效控制需水量比極為重要。

合肥水泥設計研究院開發(fā)了半終磨細工藝流程，先將粉煤灰中的合格細粉分選出來，然后對分選后的粗粉進行磨細，有效降低了過磨細現(xiàn)象。實踐表明，相對于傳統(tǒng)的開路磨細系統(tǒng)和先磨細再分選的閉路系統(tǒng)，該工藝不僅可有效降低粉煤灰的需水量比，而且有利于提高系統(tǒng)的磨細效率，降低電耗。傳統(tǒng)的閉路磨細系統(tǒng)和半終磨細系統(tǒng)工藝流程分別如圖4、圖5所示［19］。

圖4　普通閉路磨細工藝系統(tǒng)

圖5　半終磨細工藝系統(tǒng)

大唐國際張家口發(fā)電廠建成了年產(chǎn)72萬tⅠ級粉煤灰的半終磨細生產(chǎn)線，通過先分選后磨細的方式，有效地保持了原灰的顆粒形貌，在確保產(chǎn)品細度的條件下，既提高了粉煤灰的活性，也使其需水量比不超標。此外，實踐發(fā)現(xiàn)，粉煤灰產(chǎn)品粒度的均勻性和顆粒的球形度是決定粉煤灰需水量比的關(guān)鍵［20］。

3.2通過降低殘?zhí)亢拷档头勖夯倚杷勘?/p>

降低殘?zhí)亢康墓に嚪椒ㄖ饕譃闊崽幚砗驮曳诌x處理兩類。

3.2.1熱處理

粉煤灰的熱處理包含兩個方面。

補縫→測量→修補縫隙→打磨桿件至鋼材本色→涂刷鋼鋼粘結(jié)劑→安裝一側(cè)鋼抱箍→對位安裝另一側(cè)鋼抱箍→安裝高強對拉錨栓→擰緊受力→完工

（1）在鍋爐外對粉煤灰的熱處理工藝，即對粉煤灰進行再加熱，去除粉煤灰中的未燃炭，從而有效降低粉煤灰的燒失量。Richard E.John［21］設計了一種粉煤灰熱處理工藝：熱處理器對粉煤灰加熱去除未燃炭，接著冷卻后送至儲灰倉。在該工藝中，加熱器采用電加熱，爐膛內(nèi)溫度超過1 000℃，系統(tǒng)配備粉塵回收和粉煤灰水冷卻系統(tǒng)。雖然該工藝達到了降低粉煤灰中未燃炭含量的目的，但能量消耗較高，需考慮成本。

（2）通過調(diào)節(jié)鍋爐的燃燒參數(shù)達到降低未燃炭含量的目的。粉煤灰未燃炭含量高的原因有以下幾方面［22-24］：1）鍋爐內(nèi)總配風量不足，致使氧含量不足；2）燃料和爐內(nèi)空氣分布不平衡（某些區(qū)域氧含量偏低）；3）漏風帶入氧氣，造成氧含量虛高；4）入爐煤煤粉粒度過大，導致一定時間內(nèi)煤粉燃燒不充分；5）粉煤灰中未燃炭含量與煙氣中NOx含量的關(guān)系成反比。圖6為氧含量、煤粉粒度與燒失量的關(guān)系圖，由圖6可以看出，隨著煤粉粒度的降低和氧含量的增加，粉煤灰燒失量呈下降的趨勢，且降低煤粉粒度的效果更加明顯。

圖6　煤粉細度對粉煤灰燒失量的影響［25］

目前，電廠鍋爐運行的最大挑戰(zhàn)是既要降低NOx排放量又要保證煤粉燃燒充分。鑒于此，通過調(diào)節(jié)鍋爐的燃燒參數(shù)來降低未燃炭含量相對比較困難，而提高入爐煤煤粉的粒度則更加有效。

3.2.2原灰分選處理

鐘曉亮［26］研究發(fā)現(xiàn)，粉煤灰的含炭量與粒徑的關(guān)系存在一定規(guī)律，該研究中的所有鍋爐的分布趨勢基本穩(wěn)定，不同鍋爐之間有一定的差別；各粒徑組的含炭量都是隨著粒徑的增大而增大，增長的幅度隨總體含炭量的增大而明顯增加，這說明粉煤灰含炭量增加的主要原因是大顆粒煤粉燃燒不充分。此外，研究還發(fā)現(xiàn)，從各粒徑組的含炭量占總體含炭量的比例變化趨勢看，不同鍋爐之間有很大的差別，但若以80 μm為界，分為較大粒徑組和較小粒徑組，所有鍋爐均有一個相對穩(wěn)定的趨勢，即未燃炭集中在較大粒徑組。

摩擦靜電的干法分選工藝不利用化學試劑，性能可靠且工藝簡單。張全國等人［28］在粉煤灰靜電分離脫炭方面做了大量試驗研究。該團隊建立了國內(nèi)第1臺粉煤灰高壓靜電分離中試裝置，對粉煤灰顆粒摩擦荷電機制、摩擦帶電狀況、摩擦帶電器及進行電選的可行性進行了研究。運用流體力學理論及電場理論分析和計算了粉煤灰顆粒在高壓電場中的運動規(guī)律；然后進行粉煤灰脫炭系統(tǒng)工況參數(shù)的優(yōu)化試驗，確定電壓、極板間距、摩擦材料、粉塵質(zhì)量濃度對系統(tǒng)結(jié)果的影響，優(yōu)化粉煤灰電分離脫炭裝置工況參數(shù)。研究證明，粉煤灰電分離脫炭裝置從技術(shù)層面上是可行的，裝置運行試驗能將粉煤灰中炭的質(zhì)量分數(shù)從9.5%降為3.2%，脫炭率為64.64%，產(chǎn)率為38.86%。

在循環(huán)流化床鍋爐粉煤灰摩擦電選脫炭方面，李海生［29］首次運用非接觸式紅外熱成像技術(shù)手段研究摩擦帶電器中的氣固兩相流溫度場分布，以評價顆粒在摩擦帶電器內(nèi)的摩擦、碰撞效果，并結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果探究摩擦碰撞高效區(qū)的形成機制。該方法對研究氣固兩相流、循環(huán)流化床鍋爐粉煤灰顆粒強化帶電和高效脫炭具有明確的指導意義。

泡沫浮選的濕法分選工藝主要用于處理貯存粉煤灰，處理后將其變成有用的粉煤灰產(chǎn)品和碳基固體燃料。羅道成等人［30］采用了“一粗一精一掃”全浮選流程對粉煤灰中未燃炭的浮選進行了試驗研究。試驗結(jié)果表明，該方法可以有效提高粉煤灰中未燃炭的回收率，既可獲得一定質(zhì)量的高品質(zhì)炭粒，又可有效降低粉煤灰中的含炭量。但是經(jīng)過浮選后的粉煤灰為漿液狀態(tài)，無法直接應用于水泥或者混凝土中，需要做其他方面的應用處理，這也是需要考慮的問題。

4　結(jié)束語

綜上所述，影響粉煤灰需水量比的主要因素為粉煤灰顆粒細度和燒失量，目前國內(nèi)外采用的手段主要有磨細、靜電分離、泡沫浮選、提高入爐煤煤粉細度和改善鍋爐燃燒條件等。綜合比較而言，粉煤灰磨細工藝、靜電分離工藝和提高入爐煤煤粉細度這些措施對于改善粉煤灰品質(zhì)并降低粉煤灰需水量比具有較好的效果，且有較強的可操作性。

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（本文責編：劉芳）

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A

1674-1951（2016）08-0003-05

2016-07-01；

2016-07-15

張雪（1974—），女，廣東開平人，工程師，從事火電環(huán)保管理工作（E-mail：zx2593812＠126.com）。

陳仕國（1987—），男，山東臨沂人，助理工程師，從事燃煤電廠固廢利用方面的工作（E-mail：hpuchenshiguo＠163.com）。

王群英（1977—），女，遼寧營口人，教授級高級工程師，從事燃煤電廠環(huán)境保護領(lǐng)域的研究（E-mail：qunying-wang＠chder.com）。

賈魯濤（1989—），男，山東德州人，助理工程師，從事燃煤電廠固廢利用方面的工作（E-mail：lutao-jia＠chder.com）。

李勇輝（1984—），男，河南靈寶人，工程師，從事環(huán)境污染控制及資源綜合利用方面的工作（E-mail：kmyh2003＠sina.com）。