燃煤电厂粉煤灰品质控制技术研究.pdf

华北电力大学（保定） 硕士学位论文 燃煤电厂粉煤灰品质控制技术研究 姓名姬海宏 申请学位级别硕士 专业环境工程 指导教师尹连庆 20081218 华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 粉煤灰是燃煤电厂排放的固体废物，其处置方式主要是综合利用和灰场贮存。 为了减少灰场贮存带来的污染和生态破坏和节省资源，应提高综合利用量。我国由 于粉煤灰品质波动范围较大，限制了粉煤灰的综合利用。因此，研究粉煤灰品质控 制技术对粉煤灰的综合利用有很重要的意义。本文首先深入分析了粉煤灰的组成和 性能，确定了粉煤灰的品质评价方法即单因子法和Q 值法以及品质参数即烧失量、 细度和活性其次在分析研究煤中成分的基础上对粉煤灰的形成过程和机理做了系 统的分析和研究；最后文章定量的分析了粉煤灰形成过程中影响其品质的因素，并 提出了粉煤灰品质控制方案，燃烧前主要对煤粉细度进行控制；燃烧过程中主要是 炉型与煤粉的匹配；燃烧后主要是通过磨细、分选、电除尘器分区取灰等方法来改 善粉煤灰的品质。 关键词粉煤灰，性能，形成机理，影响因素，品质控制 A BS T R A C T F l ya s hi st h es o l i dw a s t ee m i s s i o n so fc o a l 一f i r e dp o w e rp l a n t ， i t sd i s p o s a li s c o m p r e h e n s i V eu t i l i z a t i o na n dt h es t o r a g ey a r d ．I no r d e rt 0r e d u c et h ep o l l u t i o na n d e c O l o g i c a ld a m a g ef r O mt h es t o r a g ey a r da n ds a V cr e s o u r c e s ，c o m p r e h e n s i V eu t i l i z a t i o n o ft h ef l ya s hs h o u l db ei n c f e a s e d ．D u et 0o u rl a r g cr a n g eo ft h ef l ya s hq u a l i t y ，t h c u t i l i z a t i o nO fn ya s hi sl i m i t e d ．S ot h er e s e a r c ht 0t h ec o n t r o lt e c h n o l o g y0 fn ya s h q u a l i t yh a sV i t a ls i g n i f i c a n c ef b rt h eu s eo fn ya s h ．T h i sa n i c l ef i r s t l y ，a n a l y z e dt h e c o m p o s i t i o na n d t h ep e r f o 肌a n c eo fn ya s hi n d e p t h ，a n df i x e do nt h ee V a l u a t i o n m e t h o d so ft h ef l ya s hq u a l i t ya n dt h eq u a l i t yp a r a m e t e r s ；s e c o n d l y ，f o l l o w e db yt h e a n a l y s i s0 ft h ec o m p O s i t i o no fc o a l t h i sa n i c l em a d e t h es y s t e mA n a l y s i sa n dr e s e a r c hO n t h ef o r m a t i o np r o c e s sa n dm e c h a n i s mo ft h ef l ya s h ；T h el a s t ，t h i sa r t i c l ea n a l y z e dt h e f a c t o r sa f f e c t i n gq u a l i t yo ff l ya s hq u a n t i t a t i V e l yi nt h ef o r m a t i o np r o c e s so ft h ef l ya s h o f ，a n dp u tf b n Ⅳa r dt h eq u a l i t yc o n t r o lp r o g r a mo ff l ya s h ． J iH a i h o n g E n V i r o n m e n t a lE n g i n e e r i n g D i r e c t e db yp r o f ．Y i nL i a n q i n g l 皿YW o R D S n ya s h ，p e r f o r m a n c e ，f o r m a t i o nm e c h a n i s m ，a f f e c t i n gf a c t o r s ， q u a l i t yc O n t r O l 华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 粉煤灰是燃煤电厂排放的固体废物，其处置方式主要是综合利用和灰场贮存。 为了减少灰场贮存带来的污染和生态破坏和节省资源，应提高综合利用量。我国由 于粉煤灰品质波动范围较大，限制了粉煤灰的综合利用。因此，研究粉煤灰品质控 制技术对粉煤灰的综合利用有很重要的意义。本文首先深入分析了粉煤灰的组成和 性能，确定了粉煤灰的品质评价方法即单因子法和Q 值法以及品质参数即烧失量、 细度和活性其次在分析研究煤中成分的基础上对粉煤灰的形成过程和机理做了系 统的分析和研究；最后文章定量的分析了粉煤灰形成过程中影响其品质的因素，并 提出了粉煤灰品质控制方案，燃烧前主要对煤粉细度进行控制；燃烧过程中主要是 炉型与煤粉的匹配；燃烧后主要是通过磨细、分选、电除尘器分区取灰等方法来改 善粉煤灰的品质。 关键词粉煤灰，性能，形成机理，影响因素，品质控制 A BS T R A C T F l ya s hi st h es o l i dw a s t ee m i s s i o n so fc o a l 一f i r e dp o w e rp l a n t ， i t sd i s p o s a li s c o m p r e h e n s i V eu t i l i z a t i o na n dt h es t o r a g ey a r d ．I no r d e rt 0r e d u c et h ep o l l u t i o na n d e c O l o g i c a ld a m a g ef r O mt h es t o r a g ey a r da n ds a V cr e s o u r c e s ，c o m p r e h e n s i V eu t i l i z a t i o n o ft h ef l ya s hs h o u l db ei n c f e a s e d ．D u et 0o u rl a r g cr a n g eo ft h ef l ya s hq u a l i t y ，t h c u t i l i z a t i o nO fn ya s hi sl i m i t e d ．S ot h er e s e a r c ht 0t h ec o n t r o lt e c h n o l o g y0 fn ya s h q u a l i t yh a sV i t a ls i g n i f i c a n c ef b rt h eu s eo fn ya s h ．T h i sa n i c l ef i r s t l y ，a n a l y z e dt h e c o m p o s i t i o na n d t h ep e r f o 肌a n c eo fn ya s hi n d e p t h ，a n df i x e do nt h ee V a l u a t i o n m e t h o d so ft h ef l ya s hq u a l i t ya n dt h eq u a l i t yp a r a m e t e r s ；s e c o n d l y ，f o l l o w e db yt h e a n a l y s i s0 ft h ec o m p O s i t i o no fc o a l t h i sa n i c l em a d e t h es y s t e mA n a l y s i sa n dr e s e a r c hO n t h ef o r m a t i o np r o c e s sa n dm e c h a n i s mo ft h ef l ya s h ；T h el a s t ，t h i sa r t i c l ea n a l y z e dt h e f a c t o r sa f f e c t i n gq u a l i t yo ff l ya s hq u a n t i t a t i V e l yi nt h ef o r m a t i o np r o c e s so ft h ef l ya s h o f ，a n dp u tf b n Ⅳa r dt h eq u a l i t yc o n t r o lp r o g r a mo ff l ya s h ． J iH a i h o n g E n V i r o n m e n t a lE n g i n e e r i n g D i r e c t e db yp r o f ．Y i nL i a n q i n g l 皿YW o R D S n ya s h ，p e r f o r m a n c e ，f o r m a t i o nm e c h a n i s m ，a f f e c t i n gf a c t o r s ， q u a l i t yc O n t r O l 声明尸明 本人郑重声明此处所提交的硕士学位论文燃煤电厂粉煤灰品质控制技术研 究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和 取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名鲤虚茏 日 期2 竺Z 兰纱 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即①学校有权 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；②学校可以采用影印、缩印或 其它复制手段复制并保存学位论文；③学校可允许学位论文被查阅或借阅；④学校 可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；⑤同意学校可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 涉密的学位论文在解密后遵守此规定 作者签名 日 期 导师签名 日期 华北电力大学硕士学位论文 1 ．1 选题背景及其意义 粉煤灰是目前世界上排放量最大的工业废料之一，主要以灰场贮存和资源化综 合利用为主，粉煤灰灰场贮存不仅严重地污染了环境，而且还占用了大量土地。可 通过资源化综合利用减少灰场贮存，从而减少生态环境破坏。粉煤有广泛的应用特 性和应用途径，而粉煤灰的品质决定和影响其利用效果。而我国粉煤灰的品质变化 比较大，严重制约了粉煤灰的综合利用，因此，粉煤灰品质控制势在必行。粉煤灰 作为火力发电厂的废弃物，如果能对其品质进行控制，增加其综合利用率，不仅能 彻底解决其堆放占地和污染环境的问题，而且具有显著的经济效益和社会效益。 我国有丰富的煤炭资源，目前电力工业的发展仍然是以燃煤的火力发电为主。 粉煤灰是燃煤电厂排出的废弃物。由于火力发电厂的数量和规模不断扩大，导致了 粉煤灰排放量的急剧增长。据电力部门统计⋯截至2 0 0 0 年，粉煤灰的排出量已超过 1 ．6 亿t ，用于湿法排灰的冲水量超过1 0 亿t ，占地4 0 多万亩。2 0 0 5 年粉煤灰排放量 达到将近3 亿t 乜1 。2 0 0 7 年我国煤炭消耗量2 5 ．8 亿吨，其中，我国火电厂消费原煤约 1 1 亿吨，粉煤灰排放量约3 亿吨。即使在电厂节能效率不断提高的情况下，到2 0 2 0 年，我国粉煤灰的年总排放量也将是现在的3 倍左右，大量的粉煤灰若不妥善处置， 不仅会占用大片农田耕地，产生的扬尘严重污染大气，而且在堆放地也会由于淋滤 作用浸污地下水，其灰浆排放到江河湖泊，污染阻塞河道，直接影响到水生物的生 长，破坏生态平衡。为了消除粉煤灰的环境污染，提高其资源性再生利用率，世界 各国政府和专家学者投入了大量的人力、物力，经过几十年的努力，在粉煤灰资源 化利用方面，已相继开发出粉煤灰利用的诸多领域。如根据粉煤灰不同的特性可应 用与建材行业的混凝土、水泥、空心砌块、烧结砖等；另外，还有用粉煤灰制作微 晶玻璃；用粉煤灰作为吸附剂处理废水等多种应用。粉煤灰综合利用发展较快。 可见不同品质的粉煤灰有不一样的用途，因此，粉煤灰的品质控制是相对于其用途 而言的。 目前，国内粉煤灰的利用率正在逐步提高，但是大多数针对粉煤灰品质控制的 研究都比较零碎，而且主要集中于对粉煤灰的后期处理上。从粉煤灰的形成到对其 进行后期加工这样系统的研究还较少。如果粉煤灰品质控制技术得到系统的应用， 将大大改善粉煤灰品质，从而提高其利用率。因此将粉煤灰品质控制技术系统化， 特别是加大对粉煤灰形成过程的研究，提高其综合利用率对资源综合利用，实现可 持续发展，具有十分重要的现实意义和深远的历史意义。 华北电力大学硕士学位论文 1 ．2 国内外研究动态 自从1 9 8 7 年我国把粉煤灰的综合利用确立为资源综合利用突破口以来，如何对 粉煤灰资源进行合理有效的利用，成为我国经济和社会发展的一项长远战略方针。 我国粉煤灰5 0 ％排入灰厂堆存，1 0 ％直接注入江河湖泊，综合利用率为3 0 ％一6 0 ％， 1 9 9 0 年粉煤灰排放量为6 7 0 0 万t ，利用量为1 9 0 0 万t ，利用率为2 8 ．3 ％，1 9 9 5 年排放 量为9 9 3 6 万t ，利用量为4 1 4 5 万t ，利用率为4 2 ．0 ％。粉煤灰的排放量、利用量、利 用率呈同步增长。中国在虽然在粉煤灰的开发利用方面进行了大量的研究工作，取 得了丰硕的成果口卜H ，。 ． 近年来，随着全民保护环境、爱护土地意识的增强，国家和各省都制定出台了 一系列政策法规，极大地推动了粉煤灰综合利用工作的开展。目前，我国粉煤灰的 综合利用技术有近2 0 0 项，其中得到实施应用的近7 0 项。粉煤灰利用主要是在建材、 建工、道路、填筑、农牧林业以及化工、环保等其他方面。在建材方面，主要用作 水泥原料、水泥混合料、建筑砌块、加气混凝土和砂浆，其中包括大体积混凝土、 泵送混凝土、高标号混凝土、低标号混凝土、砌筑砂浆、抹灰砂浆等；在道路建设 方面，主要用于路面基层、路堤、路面等；在填筑方面，主要用作回填、水坝填筑、 矿井回填等；在农牧林业方面，主要用于改良土壤、制作农肥、农药载体等；在其 他方面，主要用于提取游泳物质，如提取漂 微 珠、碳、铁、铝、锗等，以及利 用粉煤灰表面积大、孔隙多、吸附性能好的特点，处理各种工业污染。综合利用技 术形成高、中、低三个层次，正在实现“以储为主“ 向“以用为主”的方式过渡， 以大用灰量项目的推广应用和高新技术开发应用相结合逐步实现工程化、产业化发 展格局。火力发电在今后相当长的时期内仍然是我国电力工业发展的主流，粉煤灰 的产生量也必将会随之快速增多，因此，加大对粉煤灰综合利用的研究和开发显得 日益重要。 在国外，早在1 9 1 4 年，美国A n o n 首次发现粉煤灰中的氧化物具有火山灰的特性， 此后前苏联、英国、美国、荷兰、日本等发达国家相继开始对粉煤灰的物理、化学 特性，实践应用等课题进行了研究和开发。目前，欧美发达国家粉煤灰的综合利用 率基本达到5 0 ％以上，个别国家达到9 0 ％以上。例如早在1 9 9 4 年以前，英国粉煤灰 利用率为4 6 ．2 ％，德国为6 5 ％，法国7 5 ％，荷兰和日本已达l o o ％凸H 引。可见灰渣 综合利用得到了各国政府高度重视，投入了大量人力、物力与财力。英国主要利用 粉煤灰生产烧结陶粒及加气混凝土。波兰研究高掺量粉煤灰生产烧结制品产。德国 道尔斯特公司及亨德尔公司试图寻求在中国开展粉煤灰烧结制品试验。美国斯梯尔 公司在试验室烧制出粉煤灰掺量为6 0 ％性能优良的烧结砖，但没有进行工业化试 验。荷兰政府于1 9 8 1 年以1 ．5 亿美元总预算，组织了“净煤技术 N D K ”大型综合科 研项目，其中包括利用粉煤灰生产建筑材料及制品的研究和开发。美国很早就把粉 2 华北电力大学硕士学位论文 煤灰与其他矿产并列为主要的矿物资源，并着手从中提取各种金属。 粉煤灰应用较好的国家，都非常重视粉煤灰的品质与管理，并已发展到相当高 的水平，如英国、美国在电厂煤种的选择、锅炉和制粉系统的设计运行都考虑如何 提高粉煤灰品质问题，而除尘系统则把提高和保证粉煤灰品质作为主要目标，并制 定有相应的法规。 相对其他国家，我国的粉煤灰利用率较低。制约其综合利用的一个主要原因是 由于粉煤灰品质变化大，另外我国对于粉煤灰质量控制和管理无论从技术上和组织 上与国外先进国家相比均有不少差距，可见对粉煤灰品质控制研究，提高其综合利 用价值迫在眉睫，加强粉煤灰的品质控制与管理已成当务之急。 1 ．3 课题研究内容 本文将针对粉煤灰用途对粉煤灰的品质进行研究，根据近年我国对粉煤灰的一 些研究，确定本课题的研究内容如下 1 研究确定评价粉煤灰品质的主要指标及方法； 2 研究煤种、炉内燃烧、除尘器、后期处理等对粉煤灰性质的影响； 3 确定粉煤灰品质控制方案。 3 华北电力大学硕士学位论文 第二章粉煤灰的物化特性及其品质控制参数确定 粉煤灰是由各种颗粒机械混合而成的颗粒群体。了解其物化性能及其品质参数 对深刻理解粉煤灰在各种应用条件下能起的作用，以及粉煤灰品质波动所带来的影 响的内在原因都有重要的意义。另外，对粉煤灰品质参数进行系统的分析，有利于 更深入、更直接的分析研究粉煤灰品质变化的影响因素。 2 ．1 粉煤灰的化学组成及性能 粉煤灰的化学成分与煤种、煤粉细度、燃烧条件有关，主要以氧化物的形式表 示，我国3 6 个低钙灰的化学组成列于表2 1 表2 1 粉煤灰的化学组成 ％ 由表可见，粉煤灰主要成分为氧化硅、氧化铝和氧化铁，其总量约占粉煤灰的 8 5 ％左右，氧化钙含量普遍偏低，基本上无自硬性；烧失量的波动范围大，平均值 也偏高；这可能是我国锅炉让两总体上偏小，燃烧不完全的缘故。另外，其他化学 组成波动范围也较大，主要是因为我国煤种波动较大，因此粉煤灰品质波动范围大， 需要采取措施进行控制，增加综合利用量。 2 ．1 ．1 氧化硅、氧化铝及氧化铁 粉煤灰中的酸性氧化物，特别是以玻璃体形态存在的氧化硅、氧化铝及氧化铁 是参与火山灰反应的主要氧化物，因此，有些国家将这些氧化物的含量视作为粉煤 灰的主要品质参数之一，并列入标准，如表2 2 阳1 所示，四批粉煤灰内酸性氧化物含 量及其2 8 d 强度贡献的相关系数都明显低于置信度0 ．0 5 时的临界相关系数，他们之 间不存在明显的相关性。上述酸性氧化物9 0 d 的强度贡献的相关系数高于2 8 d ，表明 其作用随着养护龄期而逐步增长，在四批粉煤灰灰样内，说明仅养护后期两者可能 有一些相关性。 表2 2 氧化硅、氧化铝及氧化铁含量与粉煤灰强度贡献的相关系数 序号 1234 龄期 2 89 02 89 02 89 072 89 0 相关系数 0 ．0 3 6O ．0 9 3O ．0 90 ．2 9O ．1 6 3 0 ．0 2 70 ．0 6 8 O ．0 7 3 O ．2 6 5 置信度为O ．0 5 时的 O ．3 4 90 ．2 3 20 ．3 8 l0 ．3 4 9 临界相关系数 4 华北电力大学硕士学位论文 2 ．1 ．2 烧失量 其中烧失量表示的是粉煤灰在高温燃烧过程中未燃尽碳的含量。烧失量越大， 未燃尽碳的含量就越多。这些未燃尽碳的存在，对粉煤灰质量有很大的负面影响。 这是因为①碳粒粗大多孔，易吸水，烧失量大的粉煤灰其细度、需水量一般也较 大，掺入混凝土后，往往会增加新拌混凝士用水量，造成混凝土泌水增多，干缩变 大，降低了强度和耐久性。②未燃碳遇水后，会在颗粒表面形成一层憎水膜，阻 碍了水分进一步渗透，影响了粉煤灰中活性氧化物与水泥水化产物C a O H 2 的相互 作用，从而降低了粉煤灰的活性。有关资料和研究也表明，粉煤灰的胶凝系数 反 映粉煤灰胶凝活性 随着烧失量的增大 即未燃碳含量增多 而减小∞1 。③碳对引气 剂或引气减水剂等表面活性剂有较强的吸附作用，在通常的引气剂或引气减水剂掺 量下，烧失量大 含碳量高 的粉煤灰会使混凝土中的含气量、气孔大小和气泡所占 的空间达不到期望值，影响混凝土耐久性。 2 ．2 粉煤灰的物理性能 粉煤灰的物理性能主要包括细度、密度、堆积密度、需水量比、抗压强度、含 硫量等等，粉煤灰的物理性质与化学组成有一定的关系，对粉煤灰的品质有一定的 影响。 2 ．2 ．1 细度 细度表示颗粒的粗细程度，目前各国粉煤灰细度指标的表征方法主要有两种， 一种用比表面积 c m 2 ／g 表示，一种用4 5 ∥m 筛筛余量 ％ 表示。我国用后者表征细 度指标，筛余量越多，则细度指标值越大，粉煤灰颗粒越粗。 细度对粉煤灰质量的影响主要表现在三个方面。第一，影响粉煤灰的需水量。 光学显微镜下观察，粉煤灰由结晶体、玻璃体和少量未燃碳组成。其中玻璃体 主 要成分是A 1 2 0 3 和S i 0 2 占有较大的比例 约5 0 ％～8 0 ％ 。细度大则颗粒粗，意味着 疏松多孔的玻璃体含量和粗大的未燃碳含量偏多，这些不规则多孔玻璃体和碳颗粒 表面粗糙，蓄水孔多，粉煤灰需水量增加。同时，由于细小致密的球形玻璃微珠少， 粉煤灰在集料间的滚珠轴承作用和润滑作用减弱，浆体达到相同流动性的需水量增 加。所以，就一般情况而言，粉煤灰细度越大，其需水量越大，掺入该粉煤灰混凝 土的单位用水量也增加，造成混凝土性能劣化。相关研究也表明了粉煤灰细度与粉 煤灰需水量，粉煤灰需水量与混凝土用水量之间的这种相关关系。第二，影响粉煤 灰混凝土拌合物的和易性。粉煤灰颗粒愈细，微细颗粒愈多，愈能均匀有效地填充 到水泥颗粒之中，堵截混凝土内的泌水通道，减少泌水；愈能大幅度地减少浆体内 的液体流动，增强了混凝土拌合物的粘聚性。第三，影响粉煤灰活性。粉煤灰愈细， 5 华北电力大学硕士学位论文 其活性成分参与反应的表面积愈大，反应速度则愈快，反应程度也愈充分。有资料 认为，5 ∥m ～4 5 ∥m 颗粒愈多，粉煤灰活性愈高，大于8 吮m 的颗粒对粉煤灰活性不 利n 们。研究也表明，粉煤灰的胶凝系数随细度的增大 颗粒增粗 而减少。 有人认为，用4 5 ∥m 筛上筛余的百分数来度量的粉煤灰细度，可以被认为是决定 用于混凝土的粉煤灰质量的单一最重要的因素，并推荐用单一的细度指标对粉煤灰 进行级别分类 见表3 1 。 表2 一l 根据细度对粉煤灰的级别分类 等级细度／％ 4 5 m 筛上筛余百分数用于混凝土中观察到的效应 优级 3 5 经济耐久性存疑 2 ．2 ．2 密度 粉煤灰的密度是指在绝对密实的情况下单位体积物质的质量。粉煤灰的密度指 标对粉煤灰质量评定和生产控制具有～定的意义。如果密度发生变化，则表明粉煤 灰的质量也可能发生了变化，还可判断粉煤灰的均匀性。如美国A s T M c 6 1 8 标准规范 中对粉煤灰的变化提出了要求，即1 0 个粉煤灰试样的密度实验结果的值，不得超过 平均值的5 ％。否则均匀性就算不合格。粉煤灰密度也是对粉煤灰的细度和烧失量的 一种间接考察，对粉煤灰混凝土配合比设计计算来说，密度是必须测定的重要技术 参数。 2 ．2 ．3 需水量比 在一定流动度下，掺一定量粉煤灰的水泥胶砂的需水量与基准水泥胶砂 不掺 粉煤灰 的需水量之比，称为需水量比。用于混凝土中的粉煤灰，应保证在相同坍 落度下，不使混凝土的拌和水量显著增加，甚至希望粉煤灰具有部分减水效果，这 就要求粉煤灰的需水量比不能大。 我国国家标准规定，I 级粉煤灰的需水量比不大于9 5 ％u 。掺入混凝土中具有 固体减水剂作用 减水率一般为1 0 ％左右 ，部分的I I 级粉煤灰也具有一定的减水作 用，但减水率较小 4 ％左右 。这是因为粉煤灰的球状微细颗粒具有滚珠轴承作用， 减少了浆体与集料问的界面摩擦，同时，由于微细的粉煤灰颗粒能填充到水泥颗粒 之中，降低了胶凝材料空隙率。相应地填充于固体颗粒中的水量减少，增加了颗粒 表面的水膜层水量，对浆体的流动性有利。粉煤灰颗粒越细，细小颗粒越多，减水 效果越明显，I 级灰的减水率大于l I 级灰，而Ⅲ级灰不但无减水作用，还会较为显 著地增加混凝土的拌和水量。 6 华北电力大学硕士学位论文 如前所述，粉煤灰的需水量与其烧失量和细度有很大关系。烧失量大，细度大， 则需水量大。美国材料试验协会 A S T M 经过长期研究，用细度和烧失量的乘积作 为组合因子来评价粉煤灰的品质，并建立了需水量比与此组合因子的线性回归方 程需水量比 2 ．6 0 ．0 8 6 组合因子。英国则根据此组合因子判断粉煤灰的减水能 力，并据此将粉煤灰划分为若干等级 见表3 2 。 表2 2 用细度与烧失量和乘积作组合因子划发粉煤灰等级 等级细度I c 烧失量减水能力 1 1 5 0 无减水性能 注细厦为4 5 u m 筛上筛余百分数 粉煤灰的需水量还与其球状微细颗粒含量和颗粒分布有一定关系。这主要表现 在当烧失量和细度指标均相近时，粉煤灰的需水量比也有一定差别。球状微细颗 粒含量越多。滚珠轴承作用和润滑作用越显著，减水效果越好，粉煤灰的需水量比 越小。通过对粉煤灰颗粒分布的研究发现，小于2 吮m 颗粒越多，粉煤灰需水量比也 越小。 2 ．2 ．4 抗压强度比 从实际观点出发，国际中降压强比作为反映粉煤灰活性的一个指标，虽然该指 标反映的不仅仅是粉煤灰的火山灰反应能力，也包括粉煤灰需水性的影响，这只是 综合反映了粉煤灰强度特点，但仍可在评价其活性时作为参考，特别是长龄期的抗 压强度比主要表征了粉煤灰活性的大小。 根据1 5 1 个惠阳的测试与分析，在粉煤灰品质的诸参数中，与压强比关系最为 密切的是细度与需水量比两个参数。由表2 3 可见，无论用何种方法表示，细度与 压强比的相关系数均很高，且随龄期增长而提高的趋势也很明显n2 J 。 表2 3 粉煤灰细度与其压强比的相关系数 7 华北电力大学硕士学位论文 表2 4 表明了需水量比与压强比的关系。需水量比的作用也与龄期有关，但与 细度相反，两者的关系素随龄期增加而有降低的趋势。由此看出，在7 天前粉煤灰 对混凝土的强度贡献主要取决于需水量比，其次为细度，2 8 天以后则相反，主要取 决于细度。即早期主要是物理作用，后期主要是水化作用。 表2 4 粉煤灰需水量比与其压强比的相关系数 批号 234 强度龄期／d 2 89 02 89 0 72 8 9 0 相关系数 一O ．8 2一O ．6 90 ．8 5 30 ．8 5 0O ．8 6 6O ．8 0 1一O ．7 4 7 2 ．2 ．5 含硫量 粉煤灰内的S 0 3 主要集中在粉煤灰颗粒的表层。s 0 3 含量表示的是各种硫酸盐含 量，S 0 3 含量高即以为着硫酸盐含量高。过高S 0 3 含量的粉煤灰掺入混凝土后， N a 2 S 0 4 、K 2 S 0 4 等硫酸盐与水泥水化产物C a O H 2 作用，生成C a S 0 4 ，C a S 0 4 再与水 泥中铝酸三钙的水化产物水化铝酸钙反应，生成三硫型水化硫铝酸钙 钙矾 石 ，最终使固相体积约增加2 ．5 倍左右，造成硬化混凝土体积安定性不良，混凝土 膨胀开裂，强度和耐久性下降u 引。 表2 ．5 我国6 8 个典型粉煤灰的物理性能见表 密度堆积密度密实筛余量 ％ 比表面积 m 2 僧 需水量 2 8 d 抗压强 项目 比 ％度比 ％ g ／c m 3 k g ／m 3 度 ％ 8 0 朋4 5 朋氮吸附法透气法 1 ．9 2 5 ．6 0 ．6 ～1 3 ．4 _O ．8 ～0 ．1 1 8 0 _ 范围5 3 1 ～1 2 6 1 8 9 1 3 03 7 8 5 2 ．94 7 ．O7 7 ．89 7 ．31 9 ．50 ．6 5 3 0 均值 2 ．17 8 03 6 ．52 2 ．25 9 ．83 ．40 ．3 3 0 01 0 66 6 由表可以看出我国粉煤灰物理性能波动极大，需要进行有效的品质控制，促进 粉煤灰资源化。 2 ．3 粉煤灰的矿物组成 煤粉在在锅炉内燃烧时，其无机矿物经历了分解、烧结、熔融及冷却等过程。冷却 后的粉煤灰基本上可分成玻璃体及晶体矿物两类。冷却速度较快时，粉煤灰玻璃体 含量较大；相反玻璃体容易析晶。玻璃体能在常温下与石灰或水泥水化时析出的氢 氧化钙发生火山灰反应。次反应产物有一定的胶凝性，使胶凝材料产生一定的力学 性能。晶体矿物一般在常温下不参加水化反应。我国3 2 个电厂6 8 个典型份额密会矿 物组成见表2 6 。显然，粉煤灰矿物组成波动范围较大，但仍可看出，玻璃体在其 组成中占主要地位，在矿物中以莫来石和石英为主，赤铁矿和磁铁矿含量较低。与 国外相比我国粉煤灰玻璃体含量较低，出锅炉容量较小外，燃烧温度低也是个原因。 R 华北电力大学硕士学位论文 2 ．4 粉煤灰的颗粒组成 粉煤灰中有多种颗粒，从成分上来分，主要有两类颗粒一是硅铝玻璃体；另 一类是碳粒。玻璃体从形貌上分，又包括玻璃珠和多孔玻璃体两种，前者可分为单 珠与珠连体，后者主要是海绵状不规则多孔体。玻璃珠从密度上分为漂珠、沉珠以 及实心珠、高铁玻珠等几种；从化学成分上分则可分为低铁玻珠与高铁玻珠。碳粒 则有碎屑状、多孔状和碎片状三种。表2 7 “耵表示主要颗粒成分的特征 表2 7 粉煤灰中颗粒的分类和特征 粒径密度 类别和名称特性备注 | 娜 g ／c m 3 活性高、轻质绝热、耐 漂珠 1 ～3 0 00 ．4 ～0 ．8占灰渣总量的1 ％～3 ％ 高温 珠活性高、轻质绝热、高占灰渣总量的 空心沉珠 4 ．4 我国大陆制定的G B l 5 9 6 9 l 用于水泥和混凝土中的粉煤灰对粉煤灰的烧失 量、S 0 3 含量、细度和需水量比等品质指标都具有要求乜2 1 见表2 9 。 表2 9 国家标准对粉煤灰品质指标的要求 粉煤灰等级烧失量／％S 0 3 含量／％ 细度／％需水量比／％ I≤5≤3≤1 2≤9 5 I I≤8≤3 ≤2 0 ≤1 0 5 I I I≤1 5≤3≤4 5≤1 1 5 注细度为4 5 弘m 方孔筛筛余 由表2 9 可见，烧失量、S 0 2 、细度和需水量比是影响粉煤灰品质的重要指标。 烧失量和细度影响粉煤灰的需水量和活性，进而影响粉煤灰混凝土性能；S 0 2 则对 硬化混凝土体积安定性影响较大；需水量比的大小直接影响着粉煤灰混凝土的拌和 用水量。品质好的粉煤灰应该是烧失量小，S 0 2 含量少，细度低 4 观m 筛上筛余少 ， 需水量比低。 有人认为，我国现行的G B l 5 9 6 9 1 标准缺乏多因素的考虑，且指标跳跃性大， 并提出以组合因子特征评价粉煤灰的品质㈨，见表2 1 0 。 1 4 华北电力大学硕士学位论文 表2 一1 0 粉煤灰评价指标 粉煤灰等级 胶凝系数卢 备注 符号名称 O ．7S 超细 0 ．5 ～0 ．7H 高级用于混凝土工程 0 ．3 ～0 ．5M 中级的粉煤灰必须是M 级 0 ．1 ～0 ．3C 普通级 以上级别 ≤O ．1B 劣级 其中，户 A f x C y w z式中f _ 粉煤灰细度 气流筛测定的4 5 m 筛余量，只取 数值 ；c 一粉煤灰烧失量 只取数值，不取百分数 ；r 粉煤灰需水量比；A ，x ，y ，z 一拟合系数。 由于国内现行标准对粉煤灰的评价属单因子的品质特征评价，有一定局限性， 另外等级划分指标上也有不合理之处。固此，一些技术人员借鉴国外组合因子评价 的经验，发展了符合中国国情的综合评价新方法。下面介绍几种评价方法用模糊 数学理论，对粉煤灰进行综合品质评价。该方法主要是先建立粉煤灰隶属各级的隶 属函数，利用模糊数学的综合评价方法，计算出粉煤灰的品质特征隶属各等级的隶 属度值，最后判断粉煤灰的等级。此法评价较科学，适合于理论计算分析，但不利 于广泛应用，计算较麻烦。另外，根据我国标准的．I I 、I I I 级灰指标差距大的特点， 进行对Ⅲ级灰升级技术。将I I I 级灰的上下限值的度量等分为三个等级．即Ⅲ～l 、 m 一2 、Ⅲ～3 ，取五项粉煤灰的品质特征 细度、烧失量、密度、需水比、强度比 ， Ⅲ级灰的分级指标见表5 。根据I Ⅱ级灰指标值，在I Ⅱ一1 范围的分值为2 ，在Ⅲ一2 范 围内的分值为1 ，Ⅲ一3 范围内为0 ，将五项分值之和作为Ⅲ级粉煤灰升级应用的依 据，舍“7 “ 取“8 “ 。该方法使用简单方便。 表2 1 l Ⅲ级粉煤灰的分级特征参量限值 不论上述评价方法是否合理，毕竟为我国提出综合评价的新方法。相信经过广 大技术人员不断研究，一定会有更科学简易的方法被推广使用。 华北电力大学硕士学位论文 2 ．6 ．2 评价方法确定 由以上叙述可以看到，我国灰质评价与世界各国的评价，在指标上是比较接 近的，说明我们的单因子评价指标在国际上不算落后。又因为其他的一些复合因子 法比较复杂，本文也主要是对粉煤灰品质好坏做出初步的评价，主要在于分析影响 粉煤灰品质的因素以及影响机理。另外，由于粉煤灰各种品质参数之间都是紧密相 关的，由其中一项可以反映其它的品质参数，并且单因子法比较灵活方便，因此， 本文主要采用单因子品质评价法；此外，由于Q 当量法比较简便易懂，并且比较全 面，可同时兼顾物理、化学性质，所以本文部分采用Q 当量法。 即复合因数 烧失量细度 4 5 m 筛余量 ， 品质当量Q 瓯o 4 f 0 3 F e 0 3 ／√复合因数 由以上分析可知，一般Q 值越大，粉