孫曉坤,熊 威

(中國礦業(yè)大學(xué)(北京),北京100083)

循環(huán)流化床燃燒(CFBC)技術(shù)是一項(xiàng)近20年發(fā)展起來的清潔煤燃燒技術(shù)。它具有燃料適應(yīng)性廣、燃燒效率高、氮氧化物排放低、低成本石灰石爐內(nèi)脫硫、負(fù)荷調(diào)節(jié)比大和負(fù)荷調(diào)節(jié)快等突出優(yōu)點(diǎn)。隨著清潔能源技術(shù)的推動,循環(huán)流化床技術(shù)在電廠已日漸普及,產(chǎn)生大量的CFBC固硫灰。CFBC固硫灰是煤在循環(huán)流化床鍋爐里燃燒后的副產(chǎn)物,其生成溫度在700～900℃,比普通粉煤灰(PC粉煤灰)生成溫度(1 200～1 400℃)低得多,所以其化學(xué)組成、礦物組成、顆粒形貌和物化性能都有很大的不同[1-4]。隨著CFBC固硫灰日益增多,其研究和利用變得必要和急迫。地質(zhì)聚合物(geopolymers)是法國材料科學(xué)家Davidovits于20世紀(jì)70年代發(fā)明的一種無機(jī)高分子聚合物[5],其基本成分為鋁硅酸鹽,基本結(jié)構(gòu)為由[SiO4]和[AlO4]四面體構(gòu)成的無定形三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[6]。地質(zhì)聚合物具有許多突出的優(yōu)點(diǎn),如優(yōu)良的力學(xué)性能和耐久性、耐高溫、耐酸、可固結(jié)重金屬離子、低能耗、低有害氣體排放等[7,8],為此受到廣大科研工作者的重視。國內(nèi)外已經(jīng)有大量關(guān)于地質(zhì)聚合物的研究,但大部分都是以普通粉煤灰或礦渣等固體廢棄物作為膠凝材料[9,10],以CFBC固硫灰為膠凝材料的研究直到2005年左右才開始,國內(nèi)更少。因此,為了推廣CFBC固硫灰作為地質(zhì)聚合物膠凝材料的大量應(yīng)用。該文以100%CFBC固硫灰為膠凝材料,采用堿激發(fā)方法,系統(tǒng)研究了不同條件對CFBC固硫灰地質(zhì)聚合物強(qiáng)度的影響,為CFBC固硫灰作為地質(zhì)聚合物膠凝材料的應(yīng)用提供了有效的數(shù)據(jù)理論基礎(chǔ),為其進(jìn)一步的研究提供了依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 原材料

原材料是山西平朔煤矸石電廠分選出的中徑9μm 的CFBC 固硫灰,堿激發(fā)劑為模數(shù)3.3的水玻璃和NaOH 溶液。表1是CFBC固硫灰的化學(xué)組成:表2是原材料的物理性能。

表1 CFBC固硫灰化學(xué)組成

表2 CFBC固硫灰物理性能

由于試樣CFBC固硫灰標(biāo)稠和需水量比太大,該電廠固硫灰燒成溫度在750～850 ℃,很多性能與普通粉煤灰有很大不同。通過SEM,對普通標(biāo)準(zhǔn)2級粉煤灰和試樣CFBC固硫灰作了對比分析,見圖1、圖2。

由圖1可以看出,固硫灰試樣顆?；緵]有成球,整體為多孔片狀物；圖2可以看出2級粉煤灰顆粒大多為大小不等的球體,對比兩者可知固硫灰試樣需水量大的根本原因是其成型為多孔片狀物。

激光粒度分析儀得到CFBC固硫灰粒徑分布如下:

中位徑:8.428μm；體積平均徑:13.01μm；面積平均徑:4.585μm；遮光率:12.33%；跨度:3.393；平均徑:1.841μm；比表面積:422.0 m2/kg；擬合殘差:1.055%。

由圖3可知,CFBC固硫灰粒度分布曲線相對較陡峭,粒度分布范圍較密集,30μm 以下約占90%,中位徑為約8μm,比表面積較大。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

CFBC固硫灰的水泥膠砂強(qiáng)度測定方法按照GB/T 17671—1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法》進(jìn)行,試塊尺寸采用100 mm×100 mm×100 mm。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 水玻璃模數(shù)和激發(fā)劑堿含量對強(qiáng)度的影響

取CFBC灰450 g,模數(shù)為0.8、1、1.2,激發(fā)劑含堿量(Na2O 質(zhì)量)分別為7%、8%、9%、12%、13%、17%,水灰比為0.67(CFBC 灰需水量大),設(shè)計(jì)試驗(yàn)如表3所示。分別測定23 ℃條件下1 d、3 d、7 d和60 ℃條件下2 h、3 h、4 h試塊的抗壓強(qiáng)度。

表3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)表

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4、圖5所示。圖4、圖5表明23 ℃和60 ℃下,模數(shù)1的強(qiáng)度整體水平明顯高于模數(shù)0.8和1.2；在23 ℃條件下,模數(shù)0.8、1、1.2時(shí),隨著激發(fā)劑堿含量的增大,強(qiáng)度均有上升趨勢,且隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間增加,強(qiáng)度提高,但當(dāng)模數(shù)為0.8,激發(fā)劑堿含量由12%增加到13%時(shí),3 d和7 d強(qiáng)度會略有下降；隨激發(fā)劑堿含量由7%升到12%,強(qiáng)度隨之大幅提高,尤其是7%～9%強(qiáng)度提高更快,由12%～17%,強(qiáng)度變化緩慢,上下有略微波動；60℃養(yǎng)護(hù),當(dāng)激發(fā)劑堿含量為7%～13%時(shí)與23℃下強(qiáng)度趨勢大致相同,而其明顯區(qū)別是當(dāng)激發(fā)劑堿含量為13%～17%,其強(qiáng)度有明顯下降趨勢,且隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間增加,其強(qiáng)度整體水平有所下降。

2.2 養(yǎng)護(hù)溫度和堿液陳化溫度對強(qiáng)度的影響

激發(fā)劑堿含量為12%,模數(shù)為1,堿液陳化溫度為23 ℃,養(yǎng)護(hù)溫度分別為40 ℃、50 ℃、60 ℃、70 ℃、80 ℃,水灰比0.67,分別各養(yǎng)護(hù)2 h、3 h、4 h,測試試塊抗壓強(qiáng)度,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

由表4可知,隨養(yǎng)護(hù)溫度(40～80 ℃)的升高,養(yǎng)護(hù)2 h、3 h、4 h,強(qiáng)度先增大后減小,且在養(yǎng)護(hù)溫度為60 ℃時(shí)出現(xiàn)最大值。

表4 養(yǎng)護(hù)溫度(40～80 ℃)對強(qiáng)度的影響

激發(fā)劑堿含量為12%,模數(shù)為1,養(yǎng)護(hù)溫度為60 ℃,激發(fā)劑的陳化溫度分別為40 ℃、45 ℃、50 ℃、55 ℃、60 ℃,水灰比0.67,分別各養(yǎng)護(hù)2 h、3 h、4 h,測試試塊抗壓強(qiáng)度,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 激發(fā)劑陳化溫度對強(qiáng)度的影響

由表5可知,隨激發(fā)劑陳化溫度(40～60 ℃)的升高,60 ℃養(yǎng)護(hù)2 h、3 h、4 h,強(qiáng)度先增大后減小,且在陳化溫度為50 ℃時(shí)出現(xiàn)最大值。

3 結(jié) 論

a.激發(fā)劑模數(shù)和堿含量對CFBC固硫灰地質(zhì)聚合物強(qiáng)度影響明顯,文中當(dāng)堿激發(fā)劑模數(shù)為1時(shí),其他條件相同,強(qiáng)度有最大值；激發(fā)劑堿含量由7%提高到12%,強(qiáng)度隨之大幅提高,再提高激發(fā)劑堿含量(13%～17%),強(qiáng)度變化不明顯,且在高溫養(yǎng)護(hù)60 ℃時(shí),強(qiáng)度反而明顯下降。

b.養(yǎng)護(hù)溫度和激發(fā)劑陳化溫度和CFBC固硫灰地質(zhì)聚合物強(qiáng)度不是簡單的正相關(guān)關(guān)系,而是隨著其溫度的提高,強(qiáng)度先增大,后減小,且在某一溫度取得最大值；室溫養(yǎng)護(hù)時(shí),強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間增加而增大；高溫養(yǎng)護(hù)60 ℃時(shí),養(yǎng)護(hù)達(dá)到一定時(shí)間后,強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加反而減小,且在某一養(yǎng)護(hù)時(shí)間處有最大值。

c.由CFBC固硫灰的形貌特征決定其地質(zhì)聚合物試塊水灰比很大(0.67),這很大程度制約了其強(qiáng)度的發(fā)展,故減小CFBC固硫灰的需水量成了優(yōu)化其性能和適應(yīng)性的重要途徑。有兩種方法可參考:(1)從物理形貌出發(fā),改變其顆粒粒度和形貌來減小需水量,如適當(dāng)粉磨；(2)從化學(xué)方向出發(fā),開發(fā)合適的CFBC 固硫灰減水劑,減小其需水量。從節(jié)能高效方面考慮,減水劑的開發(fā)更優(yōu)。