第3章 循环流化床固硫灰特性的研究 第3章 循环流化床固硫灰特性的研究
循环流化床工艺决定了固硫灰的特性。固硫灰特性取决于原煤煤种、燃烧温度、燃烧环境、燃烧程度、固硫剂、固硫效率及排渣方式等诸多因素。固硫灰变异性较大，不同地区、不同厂家，甚至相同厂家不同时段排出的固硫灰有较大的差异。
本章对不同电厂产生的循环流化床原状固硫灰进行分析，与粉煤灰进行对比，从复杂的表面现象中提出普遍规律，指导固硫灰应用。
3.1 颜色和密度
表3-1 固硫灰颜色和密度
Tab 3-1 color and density of CFBC ash
样品名称 样品情况 颜色 Fe2O3含量 密度（g/㎝）
3
KY 固硫灰 浅红 6.79 2.51
SW 固硫灰 深红 19.08 2.86
CF 常规粉煤灰
灰 8.14 2.56
循环流化床固硫灰为细粉状颗粒，本实验所收集的样品颜色和密度如表3-1所示。通过分析可以发现：
1．固硫灰因含有Fe2O3而带有不同程度的红色[31]，颜色深浅与Fe2O3含量有关，SW的Fe2O3含量高于KY，颜色比KY深；常规粉煤灰中铁元素以Fe3O4形式存在，所以常规粉煤灰虽然Fe含量高，但是呈现灰色。
2．固硫灰密度与普通煤粉炉粉煤灰相差不大。
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中国建筑材料科学研究总院硕士学位论文 3.2 颗粒形貌
通过扫描电镜对固硫灰微观颗粒形貌进行分析，并与普通煤粉炉粉煤灰进行对比。图3-1是固硫灰与粉煤灰32000倍SEM图。
a）KY b）SW
c）CF
图3-1 固硫灰与粉煤灰32000倍SEM图(c为粉煤灰)
Fig.3-1 SEM graph by 2000 times of CFBC ash and fly ash
从图3-1的SEM照片上可以看出，固硫灰颗粒为不规则状，结构疏松，表面多孔，而普通煤粉炉粉煤灰颗粒成光滑球状，结构致密。这是因为粉煤灰是在1300℃以上高温流态化条件下快速形成的，玻璃液相出现使之在表面张力的作用下收缩成球形液滴并相互粘结，表面结构比较致密。固硫灰是在850-900℃温度产生，在此温度范围内难以出现液相，尽管可以产生明显的固相扩散作用，但不会出现较强致密化，从而造成固硫灰表面结构疏松。
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第3章 循环流化床固硫灰特性的研究 3.3 粒径分析
a）SW
b) KY
c) 粉煤灰[27]
图3-2 样品粒度分布图
Fig.3-2 Graph of granularity distribution
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中国建筑材料科学研究总院硕士学位论文 表3-2 样品粒径分布
Tab 3-2 granularity distribution of samples
<3 3-32
粒径范围（μm）
32-65 65-80 ＞80
平均粒径 D50
SW 4.96% 54.19% 27.23% 6.04% 7.58% 35.88μm 25.89μm
KY 0.55% 46.95% 26.75% 10.42% 15.33% 46.88μm 34.41μm
对固硫灰样品的粒径进行分析，见图3-2和表3-2。通过分析可以发现： 1．固硫灰颗粒较细，SW和KY的平均粒径分别为35.88μm和46.88μm，颗粒分布最多的区间为3-32μm，65μm以下颗粒约占80%。
2．与粉煤灰对比后发现，固硫灰与煤粉炉粉煤灰的颗粒分布有一定差异。粉煤灰中颗粒几乎都在50μm以下，而在固硫灰中50μm以上颗粒则占有一定比例，这说明固硫灰中粗颗粒含量高于粉煤灰。固硫灰粗颗粒多，在使用时最好先粉磨一下，对其应用更加有利。
固硫灰与粉煤灰粒径分布差异与燃烧方式有关。燃煤在送入煤粉锅炉和循环流化床锅炉炉膛进行燃烧前，二者对其处理方式不同：前者设有制粉系统，可将燃煤磨制成粒度约1～300 μm的细煤粉；而循环流化床锅炉则取消了煤粉锅炉的制粉系统，仅将燃煤细碎成粒度在0～8 mm的煤粒。另外，两种锅炉中燃煤所受到的摩擦力也不同：在煤粉锅炉中，煤粉与助燃热空气在炉膛内强烈混扰、悬浮燃烧；而在循环流化床锅炉中，床层物料和煤粒得到充分流化，煤粒与床料发生强烈的碰撞和换热，迅速引燃、着火燃烧。煤粉炉粉煤灰和固硫灰的粒径分布同时受到这两种因素的影响[27]。
3.4 化学成分
化学成分是固硫灰非常重要的指标，对于指导固硫灰应用意义重大。在2.1.1节中对样品进行了筛选，最后确定用于试验的固硫灰与粉煤灰化学组成见表3-3。
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第3章 循环流化床固硫灰特性的研究 表3-3 试验样品化学组成（%） Fig.3-3 chemical analysis of the test samples
试样 KY SW CF
样品情况 SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO 固硫灰 固硫灰 粉煤灰
15.02
7.16
6.79
MgO K2O Na2O
／
／ 1.03 ／
SO3 13.32 4.62 0.26
f-CaO 烧失量 4.72 1.87 微
22.48 10.82 3.05
30.00 2.70
34.86 12.77 19.08 23.25 0.79 1.01 62.51 20.09
8.14
3.06
1.48
／
与煤粉炉粉煤灰相比，固硫灰在化学成分上有如下特点：
1．固硫灰的CaO、SO3和f-CaO含量比煤粉炉粉煤灰高。固硫灰中CaO含量＞20%，SO3含量＞3%，f-CaO含量＞2%；常规粉煤灰CF的CaO含量＜10%，SO3含量＜3%，f-CaO含量＜1%。
造成上述现象的原因是，循环流化床技术在燃煤中掺入了大量石灰石等固硫剂，带入了大量的CaO成分，这些CaO成分残留于固硫灰中。同时，加入固硫剂以后，原煤煤中的硫被固硫剂固定下来没有排放到大气中，以硬石膏形式留在了固硫灰中，所以固硫灰中含有较高的SO3。固硫灰成分中还有固硫剂残留并分解的f-CaO，由于这种f-CaO生产条件较为独特，不同于水泥熟料中f-CaO，具有自己独特的性质。
2．固硫灰的烧失量普遍非常高，在10%～30%之间。固硫灰烧失量高的原因有两个：一是灰中未燃尽碳含量高[28]；二是煤在燃烧过程中加入的固硫剂如石灰石并未充分反应，残留在固硫灰中而使烧失量变高。
固硫灰烧失量较高，不仅降低了燃料的利用效率，也给固硫灰的综合利用带来一些不利影响。在作为水泥混合材时会增加水泥的标准稠度需水量；灰中的未燃碳粒疏松多孔，与其他物质结合能力较差，对一些外加剂的使用效果产生不利影响，同时影响水泥的稳定性和强度，在做水泥、混凝土的掺合料时，具有较大的技术障碍。固硫灰用于水泥中时，如果烧失量较高，应限制固硫灰掺量，使水泥中总烧失量降低。
3．固硫灰中SiO2和Al2O3含量比煤粉炉粉煤灰低，它们来自于原煤中的石英和高岭土等矿物，其含量主要取决于原煤种类。无定形SiO2和Al2O3对固硫灰活性影响很大，固硫灰活性将在下一章研究。
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