我的研究对象是CFB锅炉的灰渣。随着环保意识的提高,火力发电对大气环境的影响受到了极大关注。CFB锅炉因其低成本、高效脱硫和低NO排放等优点而成为了目前煤炭洁净燃烧的首选炉型。它的燃料适应性广,可以利用各种种类的生物质、垃圾废弃物等。目前,已经开发出了CFB锅炉技术为基础的IGCC系统、PCFBC系统、PGCFB-CC系统并实现产业化。

CFB锅炉灰渣特性的影响因素很多,其中包括燃料种类。无烟煤的飞灰含量很高,有的高达20%以上,而且平均粒径达到了53 m。生物质的底渣具有很高的堆积密度和低的沉降率。而且,对氮、硫等元素的含量和吸附有着重要的作用。这些特性使得CFB锅炉的灰渣可以在很多方面应用,例如水泥、陶瓷、钢铁等传统行业中的建材、填充材料、脱硫材料等。同时,也可以用作土壤改良剂和固体废物填埋场覆盖层等,对废弃物的处理起到了很好的作用。

根据我的观察,燃料灰渣的熔点比较低,这会使其很容易结渣。而且,灰分主要含有铁、钙、铝、钾和钠等元素,与煤飞灰的化学组成有很大不同。城市垃圾灰中通常含有大量重金属离子,如铅、汞等。 我参加了刘彦鹏、王勤辉等人在一台0.5 MW的CFB燃烧试验台上进行的4种不同煤种的燃烧试验。我们发现,挥发分高,灰分含量低的煤种在燃烧过程中会产生更多的细灰渣颗粒,导致底渣中细颗粒的份额也比较高。而且,灰渣大部分以飞灰的形式排出。煤种并没有对所产生的飞灰颗粒粒径分布造成太大影响,但飞灰含碳量却会随着煤中碳分的增加而增加。同时,在同一燃烧装置下,底渣的含碳量会随着燃煤灰分的增加而增加。 我发现,处理技术、锅炉运行环境、季节变化、负荷变化以及操作人员的差异等因素都会对CFB锅炉灰渣的特性产生较大的变化,但是规律性并不明显。举个例子,为了提高脱硫效率,CFB锅炉运行中采用了炉内添加石灰石脱硫技术,它的灰渣与普通煤粉的灰渣就有所不同。根据我的观察,灰渣在形态、粒度、化学性质等方面有很多不同之处,很难用常规的灰渣利用方式对其进行处理。我在本文中仅分析了一种典型的CFB锅炉灰渣与煤粉炉灰渣特性的差异及其应用。 我发现,与煤粉炉相比,典型的CFB锅炉具有燃料中掺加石灰石粉实现炉内脱硫、燃烧温度低、蓄热量大、底渣在炉膛中停留时间较长、排灰量较大等特点。因此,两者产生的灰渣在物理和化学特性等方面有很大的不同。CFB锅炉灰渣又分为F类低钙灰和c类高钙灰,我在本文中仅对燃烧褐煤或亚褐煤所形成的高钙灰(SiO2+AI2O3+Fe2O3≥50%)进行了分析,具体分析结果见表1。 我还发现,CFB锅炉飞灰与常规粉煤灰在很多方面也有不同。首先,为了达到国家规定的脱硫效率,满足环保要求,CFB锅炉设计的Ca/S一般都大于2,因此,CFB锅炉飞灰中含有大量未反应的CaO(超过10%)。国外把C我了解到,CaO含量超过10%的粉煤灰被称为C类灰,而低于10%的则被称为F类灰。C类灰本身具有一定的水硬性,这是因为其中游离的CaO能够刺激灰渣中活性SiO2和活性A12O3生成具有一定水硬性的凝胶类物质。同时,CaO的水化硬化以及由CaSO4参与的水化反应也会生成一些强度较高的Ca(OH)2和水泥水化矿物,如钙矾石,因此C类灰可作为水泥混合材。而F类灰常用作混凝土掺和料,其水化热比C类灰低。 然而,高含量的CaO会带来较大的体积膨胀,严重影响建筑制品的体积安定性,因此是一个致命的隐患。 我发现粉煤灰中Fe2O3、SiO2、A12O3的含量也直接关系到其作为建材原料的优劣。这是因为粉煤灰的活性主要来自活性SiO2,和活性A12O3在一定碱性条件下的水化作用。CFB锅炉经过了解,我知道飞灰中含有A12O3、SiO2等活性成分,是一种活性骨料,可以与胶凝材料发生界面反应,从而提高混凝土的抗弯强度,有利于增强界面强度。但是,按照美国粉煤灰标准ASTM(618)中的规定,用于水泥的C类灰中,Fe2O3+SiO2+A12O3的含量必须占总量的50%以上。然而CFB锅炉飞灰中的三者总量不足50%,这对飞灰的应用是不利的。此外,CFB锅炉飞灰中Fe2O3含量过高,而SiO2和A12O3则偏少,这对飞灰的活性更为不利。 另外,我还了解到,在粉煤灰中,一部分硫以可溶性石膏(CaSO4)的形式存在,它对粉煤灰早期强度的发挥有一定作用,因此,硫对粉煤灰的活性是有利的。但随着脱硫效率的提高,CFB锅炉飞灰中硫酸盐的含量相应提高,从而导致体积膨胀,使得建材制品不稳定,并对结构混凝土中的钢筋产生腐蚀作用。根据我国国家标准规定,作为建材使用的粉煤灰,其中SO3的质量分数不得高于3%。我发现,SO3含量高是CFB锅炉飞灰在建筑应用方面的不利因素。高含量的SO3会导致体积膨胀,使得建材制品不稳定,并对结构混凝土中的钢筋产生腐蚀作用。 此外,由于CFB锅炉炉温较低,很多惰性碳未充分燃烧,使得飞灰的烧失量较高。飞灰中的未燃碳粒疏松多孔,与其他物质结合能力较差,这会对一些外加剂的使用效果产生不利影响。在制作水泥、混凝土的掺合料时,这会存在一定的技术障碍。不过,由于飞灰中含有一定的碳含量,国内外大多采用飞灰回燃技术,提高飞灰的燃尽度。 除此之外,CFB锅炉飞灰的细度较大。粉煤灰的细度对早期水化反应有影响,是工程应用的重要指标。细度越大,说明活性物质越多,用于建材制作也更为有利。此外,粉煤灰的堆积密度也反映其颗粒排列的松紧程度。CFB锅炉飞灰的松堆积密度和压实堆积密度均低于常规粉煤灰的最高限值,这表明该种粉煤灰的可密实性不如其他粉煤灰。我了解到,常规粉煤灰在工程中的应用受到很大限制。而与常规粉煤灰相比,CFB锅炉底渣有着很大的区别。 首先,CFB锅炉底渣中MgO含量较低,这使得其工程安定性优于飞灰。此外,CFB锅炉底渣的CaO含量很高,虽然它在水泥生产应用中有一定的水硬活性,但目前仍然受到限制,只有部分用作水泥添加剂,大多数只用于制砖、铺路和填土等较简单的利用。 另外,在CFB锅炉底渣中,Fe2O3的含量较高,而A12O3和SiO2的含量较低,三者的总量也比常规渣低。而CFB锅炉底渣中SO3的含量则较高,在建材应用中可能会使钙钒石膨胀,从而引发耐久性问题。不过,根据毕春丽等人做的研究试验,CFB锅炉底渣在混凝土中的应用表现良好,SO3的溶解度与炉渣的细度有关。当CFB锅炉底渣被用作混凝土细骨料时,可以减少SO3的溶出,且细骨料表面也能起到良好的机械锚固效果。我发现,CFB锅炉底渣和常规渣有着很大的区别。CFB锅炉底渣中的活性物质可以与水泥水化产物反应生成的产物包裹在骨料表面,从而进一步抑制SO3的溶出,有效抑制钙钒石的生成,不存在SO3的安定性问题。 此外,CFB锅炉底渣的烧失量很低,一般含碳量低于3%,结合底渣一定的水硬活性,可以直接用作水泥或其他建筑材料的原料。CFB锅炉底渣中含有较多的大颗粒,且呈不规则状,因此其比表面积较小。当应用于混凝土时,虽然会影响混凝土的流动性和易性,并使得它与水泥在包裹卵石时空隙率增大,影响混凝土的密实度和强度,但如果将底渣用作中砂的替代物时,可将其适当磨细,从而避免这些问题。因为底渣颗粒大小混杂,而粗颗粒形成的孔隙会被细颗粒充填,容易形成紧密结构,这使得底渣成为建筑工程上最理想的散体建筑材料之一。 此外,CFB锅炉底渣的可密实性优于常规渣,是一种优良的工程材料,堆积密度也很大。我了解到,目前CFB锅炉灰渣的应用十分广泛,主要包括以下几个方面: 首先,CFB锅炉飞灰中含碳量较高,常用电选法对其进行提碳,得到的精煤具有一定的吸附性,可直接用作吸附剂,也可用于制作粒状活性炭或作为燃料用于锅炉燃烧。 其次,当飞灰中Fe2O3高于50%时,即有回收价值。当飞灰含Fe2O3高于10% 时,磁选一年可回收15万t铁精粉。这个过程具有较高的社会经济价值,远比开矿更加节约成本,同时也减少了环境污染。 除此之外,CFB锅炉灰渣还可以用于生产建筑材料,如水泥、砖、混凝土、铺路、填充料等,按其不同的特性和质量进行分别使用。 此外,还可以利用飞灰用于农业改土增产,或者生产粉煤灰多元素复合肥,飞灰的农业资源化是一个巨大的生态工程。 总之,我们需要加强CFB锅炉灰渣的研究和开发,创造更多的环保型产品和处理利用途径。经过我的了解,CFB锅炉灰渣也可以用于以下几个方面: 其一,飞灰中含有大量的CaO,可通过回燃技术等重新送入炉膛进行脱硫,从而提高燃料的燃尽率并降低CFB锅炉的Ca/S。 其二,CFB锅炉灰渣也可用于废物稳定和固化。 通过对CFB锅炉灰渣的深入研究,我们发现,CFB锅炉作为一种环保型洁净燃烧锅炉的优势不容忽视,但灰渣的综合处理问题也是制约其发展的主要瓶颈。如果CFB灰渣处理不当,在处理过程中就会造成二次污染。因此,CFB脱硫灰渣的综合应用已引起了国家的高度重视。 虽然现在已经做了许多的研究工作,取得了一些成果,但还远不能满足CFB灰渣有效处理的全部需求。为了解决好CFB灰渣综合利用的问题,我们必须将其作为一个系统工程来共同推进。 参考文献: [1]李登新,吕俊复,郭庆杰,等.循环流化床灰渣利用研究进展[J].热能动力工程,2003,18(1):5—8. [2]刘彦鹏,王勤辉,骆仲泱,等.不同煤种下循环流化床灰渣特性的试验研究[J].锅炉技术,2004.35(3):18—22.我阅读了多篇关于循环流化床锅炉的相关文献,这些文献包括: [3]岑可法.循环流化床锅炉理论设计与运行[M],北京:中国电力出版社.1998 [4]周宝欣,常焕俊.循环流化床锅炉技术问答[M].北京:中国电力出版社。2006. [5]毕春丽.张墨,张增军,循环流化床锅炉底渣在混凝土中的应用研究[J].粉煤灰综合利用,2004,(4):18—20, [6]雒国忠.循环流化床锅炉灰渣物化性能分析[J],电力环境保护,2001.17(4):24—26. [7]王文龙.施正伦,骆仲泱.等.流化床脱硫灰渣的特性与综合利用研究[J]电站系统工程.2002,18(5):19—21, [8]杨文,谢晓闻,黄羽雎,等.循环流化床锅炉飞灰综合利用初探[J],电力锅炉,1999,21(1):52—53. [9]王绍文,梁富智,王纪曾,固体废弃物资源化技术与应用[M],北京:冶金T 从这些文献中,我了解到循环流化床锅炉的理论设计、运行技术,以及底渣、灰渣等各种副产物的处理方法和综合利用策略。这些知识对我深入理解和应用循环流化床锅炉具有很大的帮助和启迪。同时,这些文献也表明了循环流化床锅炉及其副产物处理与利用这一领域的研究具有较高的应用价值和研究前景。我在阅读固体废物资源化领域的相关文献时,发现以下资料: [10]杨惠芬.张强.固体废物资源化[M],北京:化学工业出版社,2003。 从这本书中,我了解到了关于废物资源化的相关理论和技术,其中包括废物的分类与处理、资源化的技术途径以及废物资源化在环保领域的应用方面等内容。这些知识不仅丰富了我的专业知识,而且也为我今后的研究和探索提供了重要的思路和方向。 值得一提的是,作者简介中提到了尹连庆教授,他是环境科学与工程学院副院长,主要从事电力环保科研工作。这也提醒着我在专业领域的学习中应该关注和学习这些学术领袖的研究成果和经验,从他们那里得到启示和指导。

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