毛凱，蘇思思，劉曉婕，高鵬，王嘉威

1 引言

煤炭是我國的基礎(chǔ)能源，煤制氣、煤制油是能源的重要組成部分?！赌茉窗l(fā)展戰(zhàn)略行動(dòng)計(jì)劃》（2021-2025年）中明確提出，2021~2025年，是能源發(fā)展轉(zhuǎn)型的重要戰(zhàn)略期，必須堅(jiān)持“節(jié)約、清潔、安全”的戰(zhàn)略方針，加快構(gòu)建清潔、高效、安全、可持續(xù)的現(xiàn)代能源體系，以開源、節(jié)流、減排為重點(diǎn)，轉(zhuǎn)變能源發(fā)展方式，優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，創(chuàng)新能源工業(yè)體制機(jī)制，著力提高能源效率，推動(dòng)能源綠色發(fā)展。

煤氣化是煤制氣、煤制油的核心工藝，氣流床煤氣化鍋爐是應(yīng)用較為廣泛的煤氣化鍋爐，其最高氣化溫度可達(dá)1 400℃~1 600℃，在煤氣化過程中，灰分及少量殘余煤炭隨氣流排出后，被排煙除塵器收集，即為煤氣化飛灰[1]。煤氣化飛灰是一種工業(yè)固廢，如何對(duì)煤氣化飛灰進(jìn)行資源化利用是煤制氣、煤制油等生產(chǎn)企業(yè)面臨的關(guān)鍵節(jié)能減排問題。

目前，關(guān)于煤氣化飛灰資源化利用的研究較少，何軍、李寒旭[2]研究發(fā)現(xiàn)，煤氣化飛灰可用于制備阻燃材料，利用煤氣化飛灰與嵌段共聚聚丙烯（PP）熔融共混的方式制備的復(fù)合材料具有良好的阻燃性能；許凡[3]發(fā)現(xiàn)煤氣化飛灰粒徑較小、分布均勻且表面含有未燃盡的炭，有利于在基體中形成完整嵌入結(jié)構(gòu)的同時(shí)，還可以改善與高分子聚合物基體的相似相容性，具有作聚氨酯材料填料的可行性。煤氣化飛灰與電廠粉煤灰類似，均是煤炭燃燒后除塵器收集的粉末，目前粉煤灰已被廣泛用于制備水泥，粉煤灰在某些地區(qū)甚至是一種稀缺資源，但關(guān)于煤氣化飛灰替代粉煤灰用作水泥混合材的研究卻鮮有報(bào)道。

本文將從煤氣化飛灰的粉體宏觀特性、微觀形貌、與粉煤灰的差異，以及不同比例的煤氣化飛灰替代粉煤灰用于水泥混合材對(duì)水泥性能的影響等方面展開研究，探討煤氣化飛灰作為水泥混合材的可行性。

2 原材料來源及實(shí)驗(yàn)測試方法

2.1 原材料來源

試驗(yàn)用水泥為P·O42.5，其物理性能見表1。

表1 P·O42.5水泥的物理性能

粉煤灰為漳山電廠粉煤灰。

煤氣化飛灰為潞安某電廠煤氣化飛灰。

試驗(yàn)砂為ISO標(biāo)準(zhǔn)砂，拌合水為去離子水。

2.2 實(shí)驗(yàn)測試方法

（1）煤氣化飛灰和粉煤灰宏觀特性測試方法

采用BT-9300S型激光粒度分析儀，按照GB/T 1596-2017《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》，測定煤氣化飛灰和粉煤灰的比表面積。采用BT-1000型粉體綜合特性測試儀測定煤氣化飛灰—粉煤灰粉體的休止角、崩潰角、振實(shí)密度和松散密度，計(jì)算差角和壓縮度。其中，差角為休止角與崩潰角的差值，壓縮度為振實(shí)密度與松散密度差值與振實(shí)密度的比值。BT-1000型粉體綜合特性測試儀見圖1。

圖1 BT-1000型粉體綜合特性測試儀

（2）煤氣化飛灰和粉煤灰化學(xué)成分與微觀形貌測試觀察方法

按照GB/T 176-2017《水泥化學(xué)分析方法》，采用X射線熒光光譜法測定煤氣化飛灰和粉煤灰的化學(xué)成分；采用Quanta 450 FEG場發(fā)射掃描電子顯微鏡，觀察煤氣化飛灰和粉煤灰的微觀形貌。由于煤氣化飛灰顆粒較細(xì)，為減少煤氣化飛灰顆粒的團(tuán)聚，在其中加入三乙醇胺，使其顆粒分散，便于進(jìn)一步觀察。

（3）水泥性能試驗(yàn)測試方法

按照GB/T 8074-2008《水泥比表面積測定方法（勃氏法）》測定水泥比表面積；按照GB/T 1346-2011《水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時(shí)間、安定性檢驗(yàn)方法》測定水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量及凝結(jié)時(shí)間；按照GB/T 2419-2005《水泥膠砂流動(dòng)度測定方法》測定水泥膠砂流動(dòng)性，按照ISO 679-2009《水泥強(qiáng)度的測定》測定水泥膠砂強(qiáng)度。

3 煤氣化飛灰特性

3.1 化學(xué)成分

表2為煤氣化飛灰和粉煤灰的化學(xué)成分分析。由表2可見，煤氣化飛灰和粉煤灰的主要成分基本相同，但是煤氣化飛灰中的CaO含量較高，這是因?yàn)槊禾繗饣廴谶^程中加入了石灰等助融劑。

表2 煤氣化飛灰、粉煤灰的化學(xué)成分分析，%

3.2 流動(dòng)性

在使用100%粉煤灰的基礎(chǔ)上，采用煤氣化飛灰等質(zhì)量替代0、20%、40%、60%、80%、100%的粉煤灰，制備了系列復(fù)合粉體，并對(duì)上述粉體的休止角、差角和壓縮度進(jìn)行了測定，煤氣化飛灰休止角和煤氣化飛灰崩潰角見圖2，不同煤氣化飛灰摻量的粉體流動(dòng)性試驗(yàn)結(jié)果見表3和圖3。一般而言，休止角越小，差角越大，壓縮度越小，粉體的流動(dòng)性越好；反之，粉體流動(dòng)性就越差。

圖2 煤氣化飛灰休止角和煤氣化飛灰崩潰角

圖3 不同煤氣化飛灰摻量的粉體流動(dòng)性試驗(yàn)結(jié)果

由表3可見，隨著煤氣化飛灰摻量的不斷增加，煤氣化飛灰—粉煤灰復(fù)合粉體的休止角逐漸增大、差角逐漸減小，壓縮度逐漸增大，表明煤氣化飛灰的流動(dòng)性低于粉煤灰。一般而言，當(dāng)休止角>45°、壓縮度>40%時(shí)，粉體流動(dòng)性較差。從表3可見，粉煤灰的休止角為45.4°,壓縮度為32%；而煤氣化飛灰的休止角為51.8°，壓縮度可達(dá)44%，也可見煤氣化飛灰流動(dòng)性較差。另外，由圖2可以看出，煤氣化飛灰在振動(dòng)時(shí)崩潰，由于其本身顆粒細(xì)、靜電吸附強(qiáng)，易結(jié)團(tuán)，尤其是在三棱錐角位置，堆聚現(xiàn)象明顯。以上結(jié)果充分表明，煤氣化飛灰是一種流動(dòng)性較差的粉體，可能會(huì)導(dǎo)致罐車將其運(yùn)輸至施工現(xiàn)場后，煤氣化飛灰卸料困難，影響施工效率。

3.3 比表面積

為研究煤氣化飛灰的細(xì)度及其與普通粉煤灰的細(xì)度差異，測定了煤氣化飛灰和粉煤灰的比表面積，并與基樣水泥進(jìn)行了對(duì)比，試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 基樣水泥、煤氣化飛灰與粉煤灰的比表面積對(duì)比

由表4可見，煤氣化飛灰的比表面積遠(yuǎn)超基樣水泥與粉煤灰，達(dá)到1 950m2/kg，其顆粒較細(xì)，同時(shí)具備火山灰活性，具有成為水泥混合材的潛質(zhì)。

3.4 微觀形貌

粉煤灰作為水泥混合材，可在一定程度上提高水泥流動(dòng)性，主要原因是粉煤灰中含有部分球形的玻璃微珠，可通過滾珠效應(yīng)促進(jìn)水泥漿體的流動(dòng)。為探究煤氣化飛灰是否也具有類似的滾珠效應(yīng)，采用SEM掃描電子顯微鏡，分別觀察了粉煤灰×3 000、×4 000以及煤氣化飛灰×3 000、×4 000、×10 000的形貌，SEM掃描電子顯微鏡觀察結(jié)果如圖4~8所示。

由圖4和圖5可見，煤氣化飛灰與粉煤灰在微觀層面上均含有大量的玻璃微珠。但是在放大3 000倍、4 000倍的情況下，相同面積內(nèi)煤氣化飛灰的玻璃微珠的數(shù)量遠(yuǎn)高于粉煤灰，這與煤氣化飛灰比表面積大的結(jié)論相一致。

圖5 煤氣化飛灰SEM掃描電鏡結(jié)果（×3 000）

對(duì)比圖4、圖8可以看出，粉煤灰中除玻璃微珠以外，還有較多的不規(guī)則礦物，粉煤灰的玻璃微珠一般在50%~80%[4]，而將煤氣化飛灰放大10 000倍后發(fā)現(xiàn)，其玻璃微珠占比>95%以上。

圖4 粉煤灰SEM掃描電鏡結(jié)果（×3 000）

圖8 煤氣化飛灰SEM掃描電鏡結(jié)果（×10 000）

4 煤氣化飛灰對(duì)水泥性能的影響

經(jīng)對(duì)比研究煤氣化飛灰與粉煤灰的宏觀粉體特性與微觀形貌，在固定水泥基樣占比87%，煤氣化飛灰—粉煤灰混合材占比13%的基礎(chǔ)上，研究了0、3%、5%、7%、9%、11%、13%不同比例煤氣化飛灰等質(zhì)量替代粉煤灰摻量對(duì)水泥比表面積、標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時(shí)間、流動(dòng)性和強(qiáng)度的影響，試驗(yàn)配合比見表5。

表5 試驗(yàn)配合比

圖6 粉煤灰SEM掃描電鏡結(jié)果（×4 000）

圖7 煤氣化飛灰SEM掃描電鏡結(jié)果（×4 000）

4.1 細(xì)度

煤氣化飛灰摻量對(duì)水泥細(xì)度的影響見圖9。由圖9可以看出，隨著基樣水泥中粉煤灰摻量下降、煤氣化飛灰摻量上升，水泥0.045mm篩通過率隨之變大，即水泥的細(xì)度上升。以上現(xiàn)象表明，煤氣化飛灰比粉煤灰提升水泥細(xì)度的幅度更大，可以根據(jù)環(huán)境要求和使用條件，調(diào)整煤氣化飛灰的摻量，從而擴(kuò)大水泥的適用范圍。

圖9 煤氣化飛灰摻量對(duì)水泥細(xì)度影響

4.2 比表面積

煤氣化飛灰摻量對(duì)水泥比表面積的影響見圖10。由圖10可以看出，雖然煤氣化飛灰本身細(xì)度較細(xì)，比表面積為1 950m2/kg，然而其自身具有靜電吸附團(tuán)聚效應(yīng)，易于結(jié)球，所以采用勃氏法測得的水泥比表面積變化不大。當(dāng)水泥遇水，顆粒靜電釋放后，實(shí)際比表面積應(yīng)大于檢測所得值。

圖10 煤氣化飛灰摻量對(duì)水泥比表面積影響

4.3 標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量

煤氣化飛灰摻量與水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量的關(guān)系見圖11。由圖11可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)煤氣化飛灰開始替代粉煤灰，水泥達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)稠度后，其需水量大幅降低，且隨著煤氣化飛灰替代粉煤灰摻量的上升，水泥的需水量也在不斷下降。煤氣化飛灰和粉煤灰相比，其自身優(yōu)勢(shì)在于，粉煤灰形成溫度僅為1 200℃，而煤氣化飛灰的最高形成溫度為1 400℃~1 600℃，?；潭雀撸纬傻牟ＡЩ⒅榫哂袧L珠效應(yīng)，致水泥需水量更低。因此，隨著煤氣化飛灰替代粉煤灰在基樣水泥中的比例不斷上升，煤氣化飛灰不僅能夠優(yōu)化水泥內(nèi)部結(jié)構(gòu)，填補(bǔ)各種混合材之間的空隙，還能降低水泥的需水量，提高水泥流動(dòng)性能和工作性能。

圖11 煤氣化飛灰摻量與水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量關(guān)系

4.4 凝結(jié)時(shí)間

煤氣化飛灰摻量對(duì)水泥凝結(jié)時(shí)間的影響見圖12。由圖12可以看出，水泥的凝結(jié)時(shí)間同煤氣化飛灰的摻量不成規(guī)律性關(guān)系，變化不大，因此可以得出結(jié)論，煤氣化飛灰的摻量對(duì)水泥凝結(jié)時(shí)間的影響較小。

圖12 煤氣化飛灰摻量對(duì)水泥凝結(jié)時(shí)間的影響

4.5 膠砂流動(dòng)度

煤氣化飛灰摻量對(duì)水泥膠砂流動(dòng)度的影響見圖13。煤氣化飛灰玻化成球的程度高達(dá)95%，使其自身具備滾珠效應(yīng)，因此，根據(jù)圖13可以看出，隨著水泥中煤氣化飛灰摻量的不斷上升，水泥的膠砂流動(dòng)度也呈上升趨勢(shì)。以上現(xiàn)象表明，煤氣化飛灰同粉煤灰相比，玻璃微珠含量高且球徑小，相同質(zhì)量下，產(chǎn)生的滾珠效應(yīng)更強(qiáng)，用作水泥混合材，將更有利于水泥流動(dòng)性的提高；玻璃微珠比表面積大，還可提高活性物質(zhì)與水泥接觸的面積，從而有利于提高水泥的強(qiáng)度。

圖13 煤氣化飛灰摻量對(duì)水泥膠砂流動(dòng)度的影響

4.6 膠砂強(qiáng)度

煤氣化飛灰摻量對(duì)水泥膠砂抗壓、抗折強(qiáng)度的影響分別見圖14、圖15。由圖14、圖15可見，隨著煤氣化飛灰替代粉煤灰比例的逐漸增加，水泥的膠砂強(qiáng)度呈先逐漸提高后保持穩(wěn)定的趨勢(shì)，煤氣化飛灰摻量為9%時(shí)強(qiáng)度最高，3d、28d抗壓強(qiáng)度較不摻煤氣化飛灰時(shí)提高9.6%、11.2%，3d、28d抗折強(qiáng)度較不摻煤氣化飛灰時(shí)提高13.2%、4.4%。由此可見，煤氣化飛灰較粉煤灰致水泥膠砂強(qiáng)度的提升更明顯。煤氣化飛灰內(nèi)部活性物質(zhì)多，比表面積大，活性位點(diǎn)多；同時(shí)，其細(xì)度高，?；潭雀?，利于優(yōu)化水泥內(nèi)部結(jié)構(gòu)。因此，采用煤氣化飛灰替代粉煤灰作水泥混合材，可以進(jìn)一步提高水泥的強(qiáng)度。

圖14 煤氣化飛灰摻量對(duì)水泥膠砂抗壓強(qiáng)度的影響

圖15 煤氣化飛灰摻量對(duì)水泥膠砂抗折強(qiáng)度的影響

5 結(jié)論

（1）同粉煤灰相比，煤氣化飛灰細(xì)度高、靜電吸附作用強(qiáng)、流動(dòng)性差，采用傳統(tǒng)罐車進(jìn)行泵送卸料時(shí)，可能會(huì)影響卸料效率，使用時(shí)應(yīng)加以考慮。

（2）煤氣化飛灰形成溫度高，與粉煤灰相比，生成的玻璃微珠?；潭雀?、球形度好，用作水泥混合材對(duì)水泥的流動(dòng)性提高幅度更大，更利于施工。

（3）煤氣化飛灰的活性優(yōu)于粉煤灰，主要是因?yàn)槊簹饣w灰?；⒅檎急雀哂诜勖夯遥哌_(dá)95%，在水泥水化形成的堿性環(huán)境下，產(chǎn)生的膠凝物質(zhì)高于粉煤灰；煤氣化飛灰比表面積較大，有利于優(yōu)化水泥膠砂內(nèi)部結(jié)構(gòu)，填補(bǔ)內(nèi)部孔隙，增強(qiáng)其致密性；同粉煤灰相比，煤氣化飛灰作為水泥混合材，對(duì)水泥膠砂內(nèi)部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化更為顯著，其水泥膠砂強(qiáng)度高于粉煤灰。

綜上所述，煤氣化飛灰可替代粉煤灰作為水泥混合材使用。