前 言
据相关数据统计，全国循环流化床（Circulating Fluidized Bed，缩写CFB）锅炉发电厂每年排出CFB飞灰、炉渣（以下简称CFB灰渣）约1.2亿吨，山西省每年排放CFB灰渣约3000万吨。然而，CFB锅炉的炉内脱硫技术需要加入大量的脱硫剂（一般是石灰石），在减少大气污染排放的同时，产生了大量脱硫灰渣（也称固硫灰渣）。脱硫灰渣是这种燃烧技术下产生的残余物，其中从烟道收集得到的是脱硫灰，从炉底排出的是脱硫渣。研究表明，CFB锅炉产生的脱硫灰渣比普通煤粉炉多30%～40%。循环流化床锅炉燃烧效率高，可以燃用煤矸石、褐煤、煤泥等劣质燃料。在消化利用大量劣质燃料，带来巨大经济效益和环保效益的同时，也带来了排渣量的大幅增加。本文简要介绍循环流化床锅炉灰（CFB灰）及其资源化利用途径，与行业同仁共同探讨、学习。
1、循环流化床(Circulating Fluidized Bed，缩写CFB)锅炉灰
1.1循环流化床锅炉灰（CFB灰）与煤粉炉粉煤灰（OF灰）的区别
循环流化床锅炉又称CFB锅炉，其燃烧技术是一种高效、低污染的燃煤技术。 CFB锅炉（燃烧温度为730℃～950℃）与传统的电厂煤粉锅炉（燃烧温度为1200℃～1600℃）产生的飞灰和炉渣存在很大的差异，主要差别有：
循环流化床锅炉的脱硫灰是没有形状的颗粒，几乎没有融熔的玻璃体产物，保持原生状态，粗灰量大于细灰量，钙含量较高，烧失量相对较大；
煤粉炉（OF）的粉煤灰呈球形，多孔碳粒和玻璃体，并伴有不规则玻璃碎皮，细灰量大于粗灰量的细度，钙含量较低，烧失量相对较小。
由于CFB灰渣自身的大吸水性、膨胀性和化学成分的差异性，对胶凝体系的影响机理尚无定论，限制了其大规模产业化利用，因此，研究如何对循环流化床锅炉灰渣的有效利用具有重要的意义。
1.2循环流化床锅炉灰的化学成分特点
CFB灰化学成分均值中CaO及SO3的含量高于煤粉炉灰均值，也就是说CFB灰具有明显的高硫、高钙的特征，这是由于CFB技术在燃煤中掺入了大量石灰石或白云山作为脱硫剂，带入了CaO成分，这些CaO成分与煤中的SO3结合生成石膏（即脱硫石膏），从而起到了固硫的作用。
另外，CFB灰的烧失量较大，具体来看，脱硫灰的烧失量为15.12%，脱硫渣的烧失量只有5.29%，烧失量主要是由粉煤灰中含碳量多少决定的，CFB锅炉炉膛温度较低，约为850℃～900℃，因此含有较多的未燃烧炭质。
1.3循环流化床锅炉灰的物相组成特点
脱硫灰在矿物组成方面与普通粉煤灰以莫来石、石英和赤铁矿为主的矿物组成相比，有着一定的差别。造成这种差别的原因，一方面与脱硫灰形成过程中加入了大量石灰石脱硫剂有关，另一方面还与CFB锅炉的燃烧温度较低，无法使粘土矿物发生高温相变反应，从而形成莫来石相有关，因此，CFB脱硫灰中含有较多的石英和硬石膏矿物。
CFB灰物相组成主要有石英、石膏、黄长石、羟硫酸硅钙石、无水石膏以及赤铁矿等，这些晶质矿物除石英为燃煤中残留外，其它均为燃煤中的粘土矿物自身或与脱硫剂在较低温度（850℃）下反应而生成。由于CFB技术的煅烧温度远低于莫来石的形成温度，因此在其矿物组成中不含莫来石。
1.4循环流化床锅炉灰渣的颗粒特性
CFB脱硫渣的粒径分布范围较宽，从0到4000μm以上均有分布，但其中50%以上的颗粒小于300μm，总体而言，与脱硫灰相比，脱硫渣的颗粒粒径明显比较粗大，因而后续利用时必须采取磨细加工处理。
CFB脱硫灰是十分细小的块粒状颗粒，颗粒尺寸多在20μm以下，最大的颗粒尺寸也不超过100μm，这是因为CFB脱硫灰是随烟道排出后经收尘器收集而得到的，故其主要呈现为十分细小的块状颗粒，并且脱硫灰颗粒形状不规则，部分较大颗粒呈现为层片状，一些不规则的玻璃体，也有一些深色的碳粒夹杂，在层状结构表面可观察到细小的晶体和不定形附着物。
2、循环流化床锅炉灰在应用中存在的问题
山西**煤电有限责任公司在对CFB灰的研究及实际应用中阐明，由于CFB灰渣在脱硫过程中形成大量的硫酸钙和氧化钙，与煤粉炉粉煤灰在性质上存在很大的差异，目前无法得到建材、建工领域的普遍接受和认可，归纳起来，CFB灰渣在实际应用中存在以下问题：
（1）硫酸钙含量大，存在安定性潜在隐患；
（2）凝结时间太快，大体积建材工程无法施工；
（3）吸水率大，无法制备高强建材；
（4）大量过剩，缺乏市场需求；
（5）颜色泛红，市场接受度低；
（6）缺乏相关标准指导应用；
（7）政府支持力量不够；
（8）相关的研究和规模化利用试验缺乏资金支持。
3、CFB灰在建材行业的应用
根据CFB灰的特点，通常用于建材（水泥原料、混合剂、混凝土材料）、填充（陆地填埋、水坝）、土木建筑（沥青掺混剂介质、路基防冻层）、合成建材（发泡混凝土、纸浆水泥板、硅酸铝板）、地基和桥墩（PC预制块、灰浆安置）、农林水产（肥料、土壤改善）、有用物质回收、吸附介质（脱硫剂、脱硝剂介质，分子筛）等领域。
3.1 CFB灰渣在水泥生产中的应用
研究和实践表明，循环流化床锅炉底灰具有一定的水硬活性和火山灰活性，是一种潜在的活性混合材，经过适当物理和化学处理，CFB灰渣能够在水泥和混凝土中得到有效利用并能发挥特有的性能，但是未燃炭、游离氧化钙、总硫含量等对灰渣的应用有着一定的影响。根据《用于水泥中的循环流化床锅炉灰渣》（T/CBMF90-2020）标准，用于水泥混合材的灰渣应符合以下要求：
附着水含量≤1.0%；
未燃碳含量≤3.0%；
有害氧化钙含量≤2.0%；
氧化镁含量≤4.0%（若灰渣中氧化镁含量超过4.0%，需进行水泥压蒸安定性试验并合格）；
总硫含量≤7.0%；
半水亚硫酸钙含量≤1.0%
陈袁魁等研究表明，利用CFB灰渣作为水泥原料代替部分石灰石，能够明显地改善生料的易烧性，但过多地掺入CFB灰渣不仅会影响熟料矿物的形成，还会导致熟料强度的下降。另外，CFB灰渣的矿物成分中含有粘土矿物成分，因而具有火山灰活性，可以作为水泥的混合材，但CFB灰渣的三氧化硫和游离氧化钙含量非常高，在水泥中使用时要严格控制CFB灰渣的掺量，并通过减少二水石膏掺量的方法来保证水泥中三氧化硫含量不超过标准要求，同时要注意游离氧化钙会对水泥的安定性造成不良影响。
3.2CFB灰渣制备烧结砖、蒸压砖
通常，粉煤灰烧结砖对粉煤灰质量没有特殊要求，与普通砖相比，粉煤灰烧结砖强度相同而重量约轻20%，导热系数小，砖坯不易风裂，易于干燥，从而减少晾坯时间和场地，研究表明，CFB脱硫灰代替普通粉煤灰生产烧结砖是可行的。
四川大学环境工程专业研究生高延源指出，CFB脱硫灰烧结砖外观质量好，棱角整齐，砖面平整，质量性能可靠。烧结出来的砖样色泽暗红，与传统的粘土砖接近。
李升宇等研究表面，CFB灰渣可用于生产粉煤灰蒸压砖。CFB粉煤灰蒸压砖是以CFB粉煤灰为主要原料（重量比掺量不低于65%），掺入适量石灰、石膏等激发材料和瓜子石、炉底渣等骨料，与适量水和外加剂拌和，经坯料制备、压制成型、高压蒸汽养护而成的新型墙体材料。CFB粉煤灰蒸压砖按其规格不同，可以生产空心砖、实心砖和盲孔砖等。
CFB粉煤灰蒸压砖生产工艺包括原料处理、一次配料、搅拌、混合消化、二次配料搅拌、混碾、成型、蒸压养护和成品处理等。
3.3 CFB灰渣制备高强陶粒
陶粒通常是用粘土、炭粉、粉煤灰混合焙烧而成，对粉煤灰质量无特殊要求。基于CFB脱硫灰含碳高的特点，可用CFB灰代替粉煤灰和炭粉制造陶粒。
密度等级在600～900级的高强陶粒，其相应的强度要比普通陶粒高1～2个密度等级，而吸水率要低7%，其它指标与普通陶粒相同，因此，生产高强陶粒不仅是增加其密度，同时要提高其强度等级。所以，生产高强陶粒必须采取一套工艺技术措施，即对原料及其组分应进行选择，对塑性法和粉磨法的原料和混合料进行充分均化处理，以及必要的组分调整，根据原料的性能选择合理的热工制度，采取正确的冷却制度，通过上述四步工序的调整和控制才能生产出合格的高强陶粒，否则是生产不出高强陶粒的。
高强粉煤灰烧结陶粒技术是以粉煤灰为主要原材料，不加或少加外加剂情况下，经过计量、搅拌、成球、烧结和冷却等工艺过程，将粉煤灰转变成具有高强轻质、连续级配、粒型合理、吸水率低、质量稳定、保温性能和泵送性能优异的圆球状颗粒。
目前生产工艺有回转窑和烧结机两种工艺，两者的优缺点如下：
采用回转窑生产粉煤灰陶粒，优点是即可以烧结，又可以烧胀，同一套装备，通过不同配料和焙烧制度，可分别生产高强粉煤灰陶粒、超强陶粒或结构保温陶粒。其次，回转窑可以露天设置，土建投资小；缺点是对粉煤灰原材料的化学成分要求比较严格、粘结助熔剂掺量大，比烧结机工艺约高8%～10%。
采用烧结机工艺生产粉煤灰陶粒，优点是主机产量大、生产效率高、产品质量好、生产控制方便灵活、无结窑、易于稳定生产、原材料要求不严等，缺点是设备占地面积大、基建投资大，且只能生产普通陶粒和高强陶粒，电耗偏高，因此，应采取有效节能措施。
当料球含水率较高（～18%）时，宜采用双筒回转窑煅烧工艺，含水率较低（＜5%）时，可以采用单筒回转窑，单筒与双筒回转窑相比，双筒回转窑对调节物料在干燥、预热和焙烧带的停留时间和相应的焙烧制度更为有利，但其构造复杂，设备重量和造价比单筒回转窑高，漏风和维修量也相应增加。
双筒回转窑有高差式和插接式两种，高差式前后两窑高差较大，使窑尾标高增高约1.5～2米，配套设备和土建工程费用明显增加，连接两窑的中间烟室漏风多、热损失大、导料槽易烧坏，在国内已经属于淘汰趋势；插接式是当前国内发展最快的窑型，缺点是两窑插接处（插入400～800毫米）有一定漏风和扬尘，需要设置高性能的转动密封装置。
双筒回转窑两窑的安装斜度相同，均为4%左右，各自独立的传动装置，一般配用YCT电磁调速三相异步电动机。调速范围：干燥预热窑一般1～3r/min，焙烧窑一般1～3r/min，生产时候通过遥控电动调速求得物料在两窑内的最佳停留时间。由于高强陶粒的焙烧温度较高，焙烧时间也比超轻和普通陶粒长5～8min，其燃烧装置也相应的作适当调整。
从窑头卸出的陶粒温度在900～1000℃，如直接卸入空气中或水池中急冷，会明显降低陶粒强度。因此相对正规的陶粒厂都配有陶粒冷却机。国外常用的有多筒冷却机、单筒冷却机、竖式冷却机、分层冷却机、篦式冷却机等；国内常用的有单筒冷却机、遥运冷却机和竖式分层冷却机等。
目前，国内外回转窑烧结陶粒所用的燃料主要有三种，即煤粉；工业煤气、天然气、重油；10%～15%重油或天然气和85%～90%煤粉的混合燃料。由于焙烧温度低，火焰温度不容易稳定，波动范围相对较大。
4、CFB灰渣在其它领域的应用
4.1飞灰的利用
（1）飞灰水活化团聚脱硫技术
飞灰中含有较高的氧化钙和没有燃烧完成的碳，活性氧化钙的含量不高，飞灰经过活化后经过循环利用，提高了钙的利用率和脱硫能力，飞灰水活化团聚脱硫技术设有流化床飞灰返送装置，对装置进行改动后可以进行团聚飞灰返送，提高了飞灰的含碳燃烧程度，降低了钙硫化。
（2）飞灰再燃烧技术
飞灰中含有一定的碳，飞灰回燃技术可以将飞灰与煤掺杂在一起送回锅炉，飞灰燃尽可以降低加煤量。飞灰中含有脱硫剂，可以提高脱硫效率。在循环流化床锅炉上安装飞灰回送装置，利用该装置可以将除尘器下的灰输送到灰场库。在炉前设计一小灰库用于将灰再燃烧，小灰库内的灰和煤一起送入炉内，锅炉总飞灰量的40%进行再燃烧。安装装置后飞灰的可燃物含量降低了，可以节约大量的标准煤，同时锅炉的热效率也得到了提高，实现飞灰的综合利用。
（3）提高飞灰的水硬活性
循环流化床锅炉生成的灰渣在1000度以下脱水，冷渣是水泥熟料的掺合料，只可以生产低标号的水泥，掺合量有限，解决这一问题的办法是改变灰渣的物相组成结构。飞灰再燃烧技术将锅炉与水泥锻烧相结合，分离出来的飞灰被送入锻炼床，经过锻烧后原矿物成分分解结晶，生成水硬活性成分，飞灰分离后分选出合格灰，高温烟气被送回炉膛。再燃烧技术使飞灰生产高标号水泥成为可能，节省了投资成本。
4.2底渣的利用
（1）利用物理热
循环流化床锅炉的燃料一般是劣质燃料，热渣的所含热量较高，如果回收底渣热量就会提高电厂的运行经济性。利用冷渣机来回收排放的热渣的热量，节约了资源，也减轻了工人的劳动强度，由于灰渣的活性提高了，水泥行业越来越重视灰渣的利用。冷渣器的冷却介质为水、空气和烟气，空气和烟气可以将热量送回炉膛。
（2）用作水泥混合材，为了改善生产水泥的性能，对标号进行调节要掺加一定的活性材料。炉渣可用于水泥混合材料，灰渣的火山灰活性指标决定了灰渣掺合量的大小。火山活性指灰渣在常温下与石灰和水生成水化硅酸钙和铝酸钙的能力。循环流化床锅炉在灰渣活性最好的温度条件下燃烧，用循环流化床炉渣代替原来的石灰渣，保证了水泥的性能指标，减少了水泥熟料的用量，降低了生产成本。
4.3灰渣综合利用
（1）用作建筑回填
循环流化床锅炉掺烧石灰石粉的灰渣的颗粒呈非均粒性，颗粒之间的孔隙较少，可以用作回填材料。
（2）分选利用
循环流化床灰渣含有多种重金属元素，并且含大量的氧化物，对灰渣回收后可以用于很多方面。钒是一种稀有金属，具有许多物理化学特性和机械特性，对钒的提取有很多种方法。其中流化床焙烧是较先进的工艺，可以达到较好的热工参数和状态，在焙烧时掺加添加剂中，以氯化钠做添加剂的方法得到广泛的应用。从粉煤灰中提取碳的常用方法有浮选法、电选法；提取氧化铁的方法为磁选法，分为湿选和干选；提取氧化铝的方法有酸法、氟铵助溶法和石灰石烧结法。
（3）农业的利用
循环流化床锅炉的灰渣中含有硅、磷、镁、钾等元素，用以做为农业肥料的原材料，供给农作物各种营养，灰渣具有碱性，可以对酸性土壤进行改良，恢复一部分酸性矿地，对工业废料进行中和。循环流化床锅炉灰渣的主要成分是硫化合物，有些植物特别硫肥的滋养。如果将钾肥或其他肥料与循环流化床锅炉灰渣混合后无偿送给农民，可以让灰渣得到合理的处置。
（4）膨胀性能的利用
膨胀水泥和膨胀剂得到了广泛的应用，普通水泥在硬化和使用时如果温度发生变化，水泥的体积就会收缩而开裂，循环流化床锅炉中含有较高的氧化钙，氧化钙与水反应生成氢氧化钙，能使水泥体积膨胀，利用循环流化床锅炉的灰渣生产膨胀剂具有较好的性能，且成本较低，利用价值很高。
5、CFB灰渣综合利用的未来研究方向
根据山西国峰煤电有限责任公司对CFB灰渣的研究与利用实践，提出今后以规模化利用为目标，采用高、中、低端分别利用相结合的模式，重点将从以下几个方面开展研究：
（1）循环流化床灰渣制备保水材料技术；
（2）保水材料应用于土壤抗旱种植的技术研究；
（3）保水材料应用于路面透水材料的技术研究；
（4）保水材料应用于储热保温技术的研究；
（5）研发循环流化床灰渣高掺量产品的工业化利用技术；
（6）循环流化床灰渣制备橡胶填料的预处理及橡胶制备技术。
6、结束语
本文简要介绍了循环流化床锅炉灰（CFB灰）的来源、化学成分特点、物相组成特点、颗粒特性；简要介绍了CFB灰在建材行业的应用（制备生态水泥、烧结砖、蒸压砖）和制备高强陶粒的生产工艺；简要介绍了CFB灰渣在其它领域的应用（飞灰的利用、飞灰再燃烧技术、提高飞灰的水硬活性、底渣和灰渣的综合利用等）；提出CFB灰渣综合利用的未来研究方向以及在应用中存在的问题。
目前，关于CFB灰渣的综合利用文献资料还非常少，说明对CFB的综合利用研究还比较少，有很多技术问题有待进一步深入研究探讨，希望本文在CFB灰渣的综合利用方面起到抛砖引玉的作用。
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