[发明专利]一种快速预测循环流化床锅炉脱硫灰渣膨胀量的方法

说明书

本发明涉及一种循环流化床锅炉脱硫灰渣在应用过程中快速预测极限膨胀量的方法，属于建材、公路、电力和固体废物资源化利用领域。本发明以CFB锅炉脱硫灰渣中的总SO₃、活性CaO、活性Al₂O₃质量百分比作为判据，结合钙矾石在水灰比0.2‑0.5体系中的膨胀规律，以实验数据为基础，通过回归膨胀数据，得出一种快速预测养护温度20‑60℃范围内CFB锅炉脱硫灰渣极限膨胀量的方法。本发明解决目前现有技术中CFB锅炉脱硫灰渣在应用过程中存在延迟形成钙矾石的风险，无法快速准确地评价其膨胀风险的现状。

技术领域

本发明涉及一种循环流化床锅炉脱硫灰渣在应用过程中快速预测膨胀量的方法，属于建材、公路、电力和固体废物资源化利用领域。

背景技术

在我国，循环流化床(CFB)锅炉脱硫灰渣约占全国粉煤灰总量的40％，但是由于其含有较高的SO₃以及其它一些原因，被2018年 6月1日起正式实施的《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》 (GB/T1596-2017)明确排除在外。循环流化床锅炉灰渣循环流化床锅炉燃煤电厂，锅炉烟道气体经除尘收集的粉末称为飞灰，从锅炉底部排放的渣称为底渣，统称循环流化床锅炉灰渣，简称灰渣。CFB 锅炉脱硫灰渣SO₃主要以硬石膏形式存在，在用作混合材或填筑料等过程中，其中的硬石膏会与来自本身或外部的可溶性钙源、水化铝酸钙反应形成钙矾石，如果在样品硬化后继续形成钙矾石，则会引起体积膨胀，导致样品破坏。钙矾石生成机理分为“溶解沉淀”和“固相反应”两种方式。通过“溶解沉淀”方式形成的钙矾石，由于发生于反应初期，浆体尚未硬化，此时钙矾石的生成不会引起样品体积膨胀；当样品已经硬化，通过“固相反应”生成的延迟性钙矾石，其实也属于溶解沉淀，这是钙矾石的形成位置在含铝相的固相表面或其附近，即溶质通过扩散迁移到固体表面，在此环境中，钙矾石的生长受到周围其他固相颗粒的限制，其体积膨胀能够增加为原来的2.22倍，对周围产生巨大的压应力，进而导致样品破裂。

通常学术界普遍认为钙矾石在超过60℃后就开始分解，故而无法通过升温来促进反应速率；而且钙矾石膨胀的破坏发生在样品硬化以后，所以对于CFB锅炉脱硫灰渣在应用过程中的膨胀，目前主要采用实验方法进行测量，即根据配比混合好物料，然后在一定条件下养护不同龄期，利用比长仪进行测量，由此来判断膨胀结果。但是这些方法，一方面结论滞后，无法及时指导生产应用，另一方面，由于 CFB锅炉脱硫灰渣中的部分硬石膏在常温下需要若干年才可以溶解，从而导致实验检验的可行性较低。

钙矾石的形成过程中，SO₃、CaO和Al₂O₃缺一不可(为了方便以元素氧化物表示)，CFB锅炉脱硫灰渣中的SO₃、CaO和Al₂O₃分别来源于硬石膏(少量半水石膏)、氢氧化钙(或部分碳酸钙)和烧高岭。在研究过程中，我们发现CFB锅炉脱硫灰渣中的硬石膏在与水接触的10个小时内，溶解度远远低于二水石膏，此阶段可以认为基本无钙矾石形成，但是随着时间延长，特别是超过24小时后，CFB 锅炉脱硫灰渣中的硬石膏快速溶解，而且溶解度远大于二水石膏； CFB锅炉脱硫灰渣中的CaO随着燃料中硫含量的不同而不同，波动较大；CFB锅炉脱硫灰渣中可以溶出的Al₂O₃也随燃料种类、燃烧工况而变，同时在反应体系的溶出是个受溶解和扩散控制的慢过程，但是通过优化碱性条件，可以通过实验快速得出Al₂O₃的最大溶出量。此外，由于CFB锅炉脱硫灰渣中的硬石膏的溶解度具有滞后性和爆发性，加之CaO和Al₂O₃的溶出特点，体系中钙矾石的形成存在3 种途径：1)长期稳定形成钙矾石，具有较大膨胀性，2)初期形成钙矾石，后期转变成AFm，膨胀性小，3)初期形成钙矾石，期间转变成AFm，随着时间延长又形成钙矾石，具有很大膨胀性。钙矾石的形成途径主要受可溶性的SO₃、CaO和Al₂O₃中含量最低的相控制。