专家解读|燃煤灰渣作为混凝土掺合料的新变化及其影响！

摘要：燃煤灰渣作为混凝土掺合料是其资源化利用的重要途径，而燃煤电厂燃料、燃烧方式和环境保护要求的变化导致燃煤灰渣的性质发生变化，燃煤灰渣性质的变化影响其资源化利用，尤其是燃煤灰渣作为混凝土掺合料的利用。本文从混凝土掺合料利用的角度，简要介绍了燃煤灰渣性质发生的主要变化，重点对脱硝技术和循环流化床燃烧技术对燃煤灰渣性质及其对混凝土的影响进行归纳分析。

关键词：燃煤灰渣；混凝土掺和料；脱硝；循环流化床燃烧

中图分类号：TU528文献标志码：文章编号：

0引言

中国是以煤炭为主要能源的国家，电力的76%由煤炭产生，燃煤产生的燃煤灰渣量巨大，2015年全国燃煤灰渣总产量超过了6亿吨，估计累计堆存量超40亿吨。燃煤灰渣的建材资源化是解决燃煤灰渣的堆放占地和环境污染等问题的重要途径之一，其中58%的粉煤灰用于水泥与混凝土生产中[1]。燃煤灰渣作为混凝土掺合料一方面能一定程度上改善混凝土性能，如改善新拌混凝土的流动性、粘聚性、保水性、可泵性，提高混凝土的强度和耐久性等，同时还能降低混凝土的成本和提高绿色化程度。

随着燃煤技术的革新和环保要求的提高，燃煤灰渣的性质发生了变化，作为混凝土掺合料对混凝土也产生了一些影响，有的甚至是负面影响，因此，掌握燃煤灰渣的性质变化及其对混凝土性能的影响，有利于燃煤灰渣在水泥混凝土中的资源化利用。本文对燃煤灰渣的主要变化进行了总体介绍，并着重对脱硝粉煤灰和循环流化床固硫灰渣两种主要燃煤灰渣的性质变化及其对混凝土的影响进行归纳分析，以期为燃煤灰渣作为混凝土掺合料的资源化利用提供参考。

1、燃煤灰渣的变化

燃煤灰渣根据燃烧锅炉形式主要为煤粉锅炉灰渣、沸腾炉灰渣和流化床固硫灰渣，煤粉锅炉的灰即GB/T1596-2005（用于水泥和混凝土中的粉煤灰）中规定的粉煤灰。因为燃煤灰渣具有一定的火山灰活性，所以将其作为掺合料应用于水泥混凝土中是重要的资源化利用途径，但近年由于燃煤电厂燃料、燃烧技术和环境保护要求的变化，燃煤灰渣的性质出现了变化，其变化对燃煤灰渣作为混凝土掺合料的应用也产生了很大影响。

1.1燃料变化

1.1.1生活垃圾作为燃料

焚烧生活垃圾释放出热能发电，同时产生飞灰和炉渣，其中飞灰可能含有二噁英或重金属物质，其毒性较大，难以资源化利用[2]，而炉渣的毒性相对较小；但二者均有一定的火山灰活性，从活性上看可以用于建筑材料，严格上讲二者应该是危险固废，不能随意应用于建筑材料中。市场上垃圾焚烧发电灰渣以普通燃煤灰渣名义混入水泥混凝土掺合料的现象时有发生，该灰渣的应用除增加水泥混凝土毒性危害外，其掺入会使水泥混凝土强度降低和工作性劣化，因为垃圾焚烧炉渣的特性与常见矿物掺合料有较大差异，颗粒呈不规则状，并含有一定量无定形物质和单质铝[3]，垃圾焚烧炉渣中单质铝会在水泥水化到一定温度和碱性环境中生成H2，使新拌混凝土出现冒泡和膨胀，硬化混凝土含气量增加和强度降低等不利现象。

1.1.2劣质煤辅以重油或废油燃烧

劣质煤由于自身发热量少、灰分含量高、燃烧时产生烟尘较大，需要辅以重油或废油燃烧，这会导致燃煤灰渣中有油残留，在掺粉煤灰的水泥净浆中会因为重油上浮而出现严重的泛油现象，灰渣中残留的油份对水泥水化、混凝土内部结构与性质、混凝土表面质量造成的影响值得关注和深入研究。

1.1.3无烟煤/烟煤作为燃料

无烟煤着难于着火和燃尽，但是无烟煤硫含量较低，燃烧时多不冒烟，对环境污染低，使得无烟煤也开始被作为发电燃料。使用无烟煤在循环流床锅炉中燃烧所形成的固硫灰渣碳含量较分布不均，在作为水泥掺合料时，水泥的胶砂强度会降低，灰渣中的SO3含量较低[4]。较之掺无烟煤，掺烧烟煤后的粉煤灰中SO3和SiO2的含量增加，而Fe2O3的含量降低，粉煤灰的颜色则会有泛白或者泛黄变化。

1.2燃烧方式变化

1.2.1改用超（超）临界火电机组

超（超）临界火电机组不仅能提高机组的热效率，使烟尘排放量在除尘设施及除尘技术未发生改变的前提下得到有效控制，还能通过机组中增加环保设施减少SO2、NOX的减排[4]，从而实现节能降耗及污染排放的降低。超（超）临界机组能配合循环流化床锅炉或烟气处理设施高效洁净发电，但机组负荷过高时，会使得联合SCR脱硝的氨逃逸率升高[5]，导致燃煤灰渣中的氨残留量增加。

1.2.2锅炉发生变化

较煤粉锅炉而言，循环流化床锅炉是近20年来得到大力发展的新式锅炉，由于两种锅炉在技术、燃烧温度与环境、原材料等方面的不同，使它们产生的灰渣在化学成分、矿物组成、物理性质等方面都有较大的差异[6]。

煤粉炉粉煤灰即常说的粉煤灰，是将煤粉喷入煤粉锅炉内，在1300～1600℃的高温下排出，煤中的粘土杂质在热动条件下形成微米级的粉状灰粒。粉煤灰的颗粒多为形状规则的致密球状颗粒，堆积密度较固硫灰渣大很多，SiO2、Al2O3和Fe2O3的含量较高。

循环流化床锅炉采用低温燃烧（900℃左右），常用硫煤与脱硫剂以一定比例混合后在流化床锅炉内固硫，产生的是固硫灰渣。固硫灰渣颗粒相对于煤粉锅炉灰渣酥松多孔、火山灰活性较高，但是CaO、SO3的含量较高，对灰渣的性质和利用都有严重的影响。

1.3环保要求

1.3.1脱硫

燃煤电厂在生产过程中会产生大量含SO2的烟气，将其去除通常有燃烧前、中、后脱硫技术，对燃煤灰渣性质影响较大的是燃烧中、后脱硫技术。燃烧中脱硫技术燃烧与固硫一体，固硫的产物与燃煤灰渣一体排放，对灰渣性质影响较大，循环流化床锅炉技术就是典型的燃烧中脱硫技术。燃烧后脱硫技术根据脱硫剂可分为钙基脱硫剂和氨基脱硫剂，钙基脱硫剂为石灰石/石灰，脱硫产物是脱硫石膏，该脱硫方法对燃煤灰渣性质影响较小；而氨基脱硫剂在脱硫过程中易出现氨逃逸现象[7]，氨被灰渣细颗粒吸附残留，或脱硫产物硫酸铵、硫酸氢氨分解的氨水残留于灰渣中，使燃煤灰渣的氨氮含量增加，对其性质产生不利影响。

1.3.2脱硝

燃煤电厂中氮氧化物（NOX）排放的控制方法主要是烟气脱硝技术，包括湿法和干法两类，其中干法有选择性催化还原法（SCR）、选择性非催化还原法(SNCR)两大类。SCR通过利用NH3在适当的温度及相应的催化剂条件下，将烟气中的氮氧化物转化为N2和H2O，是目前应用最为广泛的一种烟气脱硝方法。但脱硝后，燃煤副产物—粉煤灰中会有氨残留，使粉煤灰性质发生变化，影响其作为掺合料在混凝土中的利用。

1.3.3脱硫、脱硝、脱汞一体化

脱硫、脱硝、脱汞一体化主要有电催化氧化工艺、活性炭法、Pahlman工艺、电晕放电等离子体脱除法等技术方法，这种最现实和最经济的联合脱除技术，成为了国内外研究的热点。同时，这也会使得燃煤灰渣的性质变得更复杂。

1.3.4超低排放

超低排放技术是在多污染物联合脱除的基础上，为了降低雾霾而对燃煤电厂提出的新要求[8]，即采用烟气污染治理技术，使得煤电机组的烟尘、SO2、NOX排放分别小于10mg/m3、35mg/m3、50mg/m3。实行超低排放会使造成雾霾的PM2.5明显下降[9]的同时，燃煤灰渣的性质必然会发生新的变化，目前超低排放技术对燃煤灰渣性质及其对混凝土性质的影响还未见报道。

在以上发生变化的燃煤灰渣中，脱硝粉煤灰渣和循环流化床灰渣产量较大，作者团队和部分学者对这两者作为混凝土掺合料开展过基础理论和应用技术的研究，取得了一定的研究成果。因此，下文将对脱硝粉煤灰和循环流化床固硫灰渣进行的系统的归纳分析。