1、福州大学博士学位论文流化床燃煤固硫渣特性及其建材资源化研究博士研究生：王 X X指 导 教 师 ：钱 X X 教 授学科、专业：材料学重庆大学材料科学与工程学院二 OO 二年五月二号黑体小二号黑体小二号黑体三号黑体三号黑体行距：固定值 40 磅Ph.D. Dissertation of Chongqing UniversityStudy on Properties and Utilization in Building Materials of bottom ashes from Circulating Fluidized Bed CombustionPh.D. Candidate: Wang
2、 MouSupervisor: Prof. Qian Mou Major: Material ScienceCollege of Material Science and EngineeringChongqing UniversityMay 2002Times New Roman 小二号加粗Times New Roman 二号加粗Times New Roman 三号加粗Times New Roman三号加粗Times New Roman 三号加粗Times New Roman 小二号加粗行距：固定值 40 磅重庆大学硕士学位论文 中文摘要I空一行摘 要空一行流化床燃煤固硫技术是先进的燃烧技术，
3、但这一技术的推广应用因流化床燃煤固硫渣没有成熟和经济的综合利用途径受到严重限制。由于人们对流化床燃煤副产物的认识程度还很有限，基础资料十分缺乏，在一定程度上影响了流化床燃煤固硫渣的资源化利用。本论文较为系统地分析了流化床燃煤固硫渣的特性，并根据现行规范，提出一套新的活性评定方法。在此基础上，对燃煤固硫渣活性的影响因素、激发方法、体积膨胀性能进行了较为系统的试验研究，并利用XRD、 SEM 等微观手段研究了燃煤固硫渣的自硬性、活性激发及膨胀机理。最后对燃煤固硫渣建材资源化利用进行了比较深入的研究。流 化 床 燃 煤 固 硫 渣 的 特 性 研 究 结 果 表 明 ： （ 1） 因 为 燃烧温度、
4、燃烧环境、燃烧程度、脱硫剂、脱硫效率等的影响，与 普 通 煤 粉 锅 炉 的 灰 渣 相 比 ， 流 化 床 燃煤 固 硫 渣 有 其 特 殊 的 火 山 灰 活 性 ， 同 时 因 为 含 有 SO3、 f-CaO 而 具 有 自 硬 性 和膨 胀 性 ， 是 一 种 特 殊 的 火 山 灰 材 料 。 （ 2） 流 化 床 燃 煤 固硫渣中的 SO3 和 f-CaO因为特殊的生成条件而具有特殊的性质。SO 3 是在 850900的温度下形成的，是以-CaSO 4 形态存在，且具有与天然硬石膏和 400煅烧石膏不一样的溶解特性。首次从 f-CaO 的形成过程、颗粒微观结构、晶型和光学参数以及
5、水化历程等方面证明了 f-CaO 颗粒被固硫产物无水硫酸钙包裹的颗粒特征，f-CaO 颗粒被-CaSO4 包裹使其水化速度减慢和活性较低；SO 3 以 -CaSO 4 形态存在和 f-CaO 颗粒被-CaSO 4 包裹均对流化床燃煤固硫渣的活性和体积稳定性产生不利影响。（ 3） 现 行 活 性 评 定 方 法 因 流 化 床 燃 煤 固 硫 渣 性 质 的 特 殊 而 存 在 较 大 的 局 限 性 ，不 能 直 接 套 用 现 行 的 方 法 进 行 活 性 评 定 。 根 据 现 行 活 性 评 定 方 法 的 原 理 ， 结 合其 特 性 ， 首 次 系 统 提 出 了 “熟 料 胶 砂
6、 28 天 抗 压 强 度 比 测 定 ”、 “自 硬 性 评 价 ”、 “自硬 强 度 测 定 ”的 综 合 评 定 方 法 ， 该 方 法 与 现 行 方 法 有 较 好 的 相 容 性 ， 且 能 真 实 、直 观 地 反 映 流 化 床 燃 煤 固 硫 渣 的 活 性 及 其 对 强 度 的 贡 献 。 （ 4） 流 化 床 燃 煤 固 硫渣 的活性主要来源于无定形的 SiO2 和 Al2O3 物质，除成分中活性 SiO2 和 Al2O3 的含量对其火山灰活性有影响外，成 分 中 SO3、 f-CaO 含 量 和 细 度 在 一 定 范 围 内 对其 活 性 发 挥 有 一 最 佳 值
7、 。 （ 5） 常规的化学激发方法能激发流化床燃煤固硫渣的活性，但仅从强度的角度看，其激发的效果并不理想；蒸汽养护和蒸压养护的结果表明湿热养护对燃煤固硫渣活性激发程度较高，特别是蒸压养护，激发效果更为明显。 （ 6） 流 化 床 燃 煤 固 硫 渣 水 化 时 存 在 严 重 的 体 积 膨 胀 问 题 ， 其 膨 胀 主 要是 由 于 水 化 反 应 过 程 中 钙 矾 石 的 生 成 和 富 余 的 硬 石 膏 后 期 溶 解 结 晶 生 成 二 水 石膏 的 体 积 膨 胀 所 产 生 。 首 次 确 认 了 富 余 的 硬 石 膏 后 期 溶 解 结 晶 生 成 二 水 石 膏 对黑体
8、三号重庆大学硕士学位论文 中文摘要II固 硫 渣 体 积 膨 胀 的 作 用 。 （ 7） 细 度 提 高 对 流 化 床 燃 煤 固 硫 渣 膨 胀 稳 定 时 间 的 提前 有 利 ， 掺 加 粉 煤 灰 和 熟 料 有 利 于 膨 胀 率 的 减 小 及 膨 胀 稳 定 期 的 提 前 ， 流 化 床燃 煤 固 硫 渣 水 化 反 应 的 液 相 碱 度 越 大 ， 膨 胀 越 严 重 。流 化 床 燃 煤 固 硫 渣 的 特 性 研 究 表 明 其 利 用 有 较 大 的 难 度 ， 但 针 对 其 特 性 在建 材 中 利 用 是 可 能 的 。 作 为 混 凝 土 细 骨 料 ，
9、由 于 其 活 性 可 以 改 善 骨 料 与 水 泥 浆体 的 界 面 结 构 ， 故 可 以 提 高 混 凝 土 的 抗 弯 强 度 ； 作 为 混 凝 土 掺 合 材 可 以 充 分 发挥 流 化 床 燃 煤 固 硫 渣 的 活 性 ， 可 以 部 分 补 偿 混 凝 土 的 收 缩 ， 从 新 拌 混 凝 土 的 性能 和 混 凝 土 耐 久 性 的 考 虑 最 好 与 粉 煤 灰 复 合 使 用 ； 无 论 是 作 为 水 泥 混 凝 土 的 掺合 材 ， 还 是 细 骨 料 ， 流 化 床 燃 煤 固 硫 渣 均 影 响 新 拌 混 凝 土 的 性 能 。 利 用 燃 煤 固硫 渣
10、 的 活 性 和 膨 胀 性 能 ， 可 以 配 制 低 收 缩 率 的 燃 煤 固 硫 渣 粉 煤 灰 内 墙 用 抹 面砂 浆 ， 也 可 以 配 制 燃 煤 固 硫 渣 粉 煤 灰 熟 料 外 墙 用 抹 面 砂 浆 。 流化床燃煤固硫渣与石灰、粉煤灰或水泥混合，必要时掺加激发剂，从强度上看完全可以满足公路工程对路基混合料的要求。关键词：流化床，燃煤固硫渣，活性，膨胀，资源化黑体加粗小四号正文宋体小四号重庆大学硕士学位论文 英文摘要IIIABSTRACTDue to lack of effective ways to utilize the bottom ashes of circula
11、ting fluidized bed combustion (CFB ashes), it is difficult to use widely the advanced technology of circulating fluidized bed combustion and defulfurization. In this paper, the properties of the CFB ashes are systematically analyzed and then a series of methods are proposed to evaluate the reactivit
12、y of CFB ashes. Meanwhile, the factors influencing and the method activating the reactivity of CFB ashes, and the expansion properties are investigated experimentally. The spontaneous setting, and the mechanism of activation of reactivity of CFB ashes and its expansion are investigated by XRD and SE
13、M. Finally, the utilization in building materials of CFB ashes is studied.The results show that: (1) The CFB ashes is different from the ashes of common coal boiler for there are great difference in forming condictions such as the combustion temperature, combustion environment, the degree of combust
14、ion, desulfurizer and the efficiency of desulfurization. While CFB ashes have the properties of cement and expansion for its containing SO3 and f-CaO, so it is a special pozzolanic material. (2) The SO3 and f-CaO have their properties for their typical forming condition. SO3 is fixed in ashes at 850
15、900, and it exists in -CaSO 4 and has different solubility with the natural anhydrite and the plaster calcined at 400. It is the first time to prove that the particles of f-CaO is coated with-CaSO 4 by investigating the process of forming f-CaO, the microstructure, spathic type and optic parameter a
16、nd the hydrating process. Results also show that the microstructure can slow down the hydrating and deteriorate the reactivity of CFB ashes. (3) The current method evaluating reactivity of pozzolanic materials has great limits to evaluate the CFB ashes. A series of new methods are developed which ca
17、n evaluate the reactivity and its devotion to strength really and directly. (4) The reactivity of CFB ashes is attributed to the amorphous SiO2 and Al2O3, but the SO3 and f-CaO of CFB ashes can influence its reactivity and expansion, and there is an optimum content. The higher reactivity can be achi
18、eved if the fineness is bigger. (5) The common method can activate its reactivity, but the result of activation is not ideal in the point of strength. It shows that steam curing and high-pressure steam curing is best to activate CFB ashes, especially for high-pressure steam curing. (6) The expansion
19、 mechanism of CFB ashes is the expansion of the forming of ettringite and the Times New Roman 三号重庆大学硕士学位论文 英文摘要IVsolution and crystallization of -CaSO 4. (7) Fineness is beneficial to stabilize the expansion of CFB ash. FA and clinker are advantageous to reduce the expansion and stabilize expansion.
20、 The higher alkalinity in liquid phase is, the more expansion.The properties of CFB ashes show it is difficult to utilize CFB ashes in building materials, however reasonable using its properties is possible in building materials. As concrete fine aggregate, it can improve structure of interface betw
21、een aggregates and cement paste for its reactivity, then can increase the concrete flexural strength. As concrete additive can fully activate the reactivity, and can partly compensate the concrete shrinkage. Because of performance of the fresh concrete and durability, it is better to use it with FA.
22、 They both influence performance of the fresh concrete. It can produce CFB ashes-fly ash mortar used indoors and CFB ashes-fly ash-clinker mortar used outdoors with low shrinkage by using the cement and expansion of CFB ashes. CFB ashes mixed with lime, FA or cement, can be used for roadbed mixture
23、in road engineering.Keywords： Circulating Fluidized Bed Combustion, CFB Ashes, Reactivity, Expansion, Utilization in Building Materials.Times New Roman 加粗小四号Times New Roman 小四号重庆大学硕士学位论文 目录V目 录宋体四号加粗中文摘要 .英文摘要 .1 绪论 .11.1 问题的提出及研究意 .11.1.1 问题的提出 .11.1.2 研究的意义 .21.2 国内外研究现状 .31.2.1 筏板基础和地基共同作用的研究现状 .
24、31.2.2 上部结构、基础和地基共同作用的研究 61.3 本文研究的目的和研究内容 .101.3.1 本文研究的目的 101.3.2 本文研究的主要内容 112 弹性地基上薄板的分析 122.1 引 言 122.2 弹性地基的计算模型 122.2.1 Winkler 模型 .122.2.2 弹性半空间地基模型 132.2.3 双参数地基模型 142.3 双参数地基上薄板的边界元法 152.3.1 控制微分方程 .152.3.2 基本解 162.3.3 边界积分方程 .212.3.4 边界元法 .272.4 双参数地基上带肋薄板的混合法 .402.4.1 肋梁的有限元分析 .402.4.2 耦
25、合方程的建立 412.5 程序设计 .422.5.1 程序的特点 422.5.2 程序主框图 43宋体五号宋体五号加粗黑体三号重庆大学硕士学位论文 目录VI2.5.3 程序的简介 432.6 算例分析 .452.6.1 算例 1 .452.6.2 算例 2 .452.7 本章小结 .503 弹性地基上带肋中厚板的分析 523.1 引言 .523.2 双参数弹性地基上中厚板的边界元法 .523.2.1 控制微分方程 .523.2.2 双参数弹性地基上中厚板弯曲问题的基本解 603.2.3 双参数弹性地基上中厚板弯曲问题的边界积分方程 .663.2.4 边界元法 .793.3 双参数弹性地基上带肋
26、厚板的混合法 .873.4 程序设计 .873.4.1 程序的特点 873.4.2 程序主框图 873.4.3 程序的简介 873.5 算例分析 .883.5.1 板内挠度的特性 883.5.2 板底基底反力的特性 923.6 本章小结 .927 结论与展望 1517.1 主要结论 .1527.2 后续研究工作的展望 154致 谢 .156参考文献 .157附 录：A.作者在攻读博士学位期间发表的论文目录 164B.作者在攻读博士学位期间参加的科研项目及得奖情况 .165重庆大学硕士学位论文 5 筏板基础的非线性分析45宋体五号空一行5 筏板基础的非线性分析 三号黑居中空一行5.1 引言 小三
27、号黑目前国内外对上部结构、筏板基础和地基的共同作用的分析和研究中，对筏板基础的非线性变形特性考虑得较少，绝大多数都将筏板基础视为线弹性结构进行计算。而在筏板基础的受力过程中，由于钢筋混凝土材料在受弯的过程中弹性阶段很短，一旦混凝土受拉开裂就进入非线性的阶段，因而筏板基础会处于非线性的工作状态。对于地基土体，则常常处于非线性或弹塑性工作状态。 小 4 号宋空一行5.2 混凝土的应力-应变关系 小三号黑5.2.1 双轴受力混凝土的强度准则 四号黑根据试验结果，Kupfer 95 和 Gerstler96 提出了混凝土在双轴受力条件下的强度 准则。其强度包络线，如图 5.1。材料一旦超出包络线就发生
28、破坏，各段的破坏曲线方程为：二轴受压：图 5.1 混凝土双轴强度包络图Fig 5.1 Behavior of concrete under biaxial stresses 字体：Times New RomanTimes New Roman 五号宋体五号空一行空一行重庆大学硕士学位论文 5 筏板基础的非线性分析46(5.1)C2C2f165.3(5.2)2空一行5.6 算例分析 小三号黑5.6.1 算例 1 四号黑对于双参数弹性地基板的计算，以方板为例。取地基的弹性模量 = 4.010ESkN/m , 泊松比 = 0.4, 参数 =1.55, 压缩层厚度 =0.6m, 板的弹性模量42SH=2
29、.010 kN/m , 泊松比 =0.167, 宽度 =1m, 厚度 =0.04, 作用在中心点的E72ah集中荷载 =100kN, 均布荷载 =10 kN/m 。Pq2按 Valzov 模型计算得出的结果比较文献 5的精确解见表 1.1。表中第一行是本文的结果，第二行是文献5的结果。从中可以看出，计算精度非常好。表 1.1 方板的挠度(单位：m)Table 1.1 Deflection of square plate (m)xy 0.0 0.125 0.25 0.375 0.50.0 0.00270.0027 0.00200.0020 0.00110.0011 0.00040.0004 -0
30、.0001-0.00010.125 0.00200.0020 0.00160.0016 0.00090.0009 0.00030.0004 -0.0001-0.00010.25 0.00110.0011 0.00090.0009 0.00050.0005 0.00020.0002 -0.0001-0.00010.375 0.00040.0004 0.00030.0004 0.00020.0002 -0.0001-0.0000 -0.0003-0.00020.5 -0.0001-0.0001 -0.0001-0.0001 -0.0001-0.0001 -0.0003-0.0002 -0.0006
31、-0.0004宋体五号Times New Roman 五号 空一行重庆大学硕士学位论文 致 谢52致 谢本文的研究工作是在我的导师的精心指导和悉心关怀下完成的，在我的学业和论文的研究工作中无不倾注着导师辛勤的汗水和心血。导师的严谨治学态度、渊博的知识、无私的奉献精神使我深受的启迪。从尊敬的导师身上，我不仅学到了扎实、宽广的专业知识，也学到了做人的道理。在此我要向我的导师致以最衷心的感谢和深深的敬意。在多年的学习生活中，还得到了许多领导和老师的热情关心和帮助，如李XX 教授等。在日常学习和生活中，我的师兄弟王 XX 等给予了我很大帮助。在此，向所有关心和帮助过我的领导、老师、同学和朋友表示由衷的
32、谢意！衷心地感谢在百忙之中评阅论文和参加答辩的各位专家、教授！ 宋体小四号王 X X 字体：华文行楷二 OO 七年四月 于重庆黑体三号居中空一行空一行重庆大学硕士学位论文 参考文献53参 考 文 献1 贲克平. 可持续发展理论研究扫描.人民日报，1998, 2-212 吴中伟, 廉慧珍著. 高性能混凝土. 中国铁道出版社, 1999 年3 K.Kuhlmamn, H.Paschmamn. Beitrage zur Okologislhen von Zement und Beton. Zement-Kalk-Gips. Nr.1,19974 唐明述. 可持续发展与水泥结构调整. 1997 年5
33、芈振明主编. 固体废弃物的处理与处置. 高等教育出版社.1988 年6 赵洪义，李峰德，包西祥. 水泥工业大量利用固体废渣的有效途径. 中国建材.2000.8黑体三号居中空一行空一行宋体五号Times New Roman 五号重庆大学硕士学位论文 附 录54附 录1 作者*, 导师*. 石灰形态对粉煤灰活性激发效果影响及动力学分析.新型建筑材料1999,10.pp23-25.2 作者*, 导师*. 钱觉时 ,卢浩.双免无熟料粉煤灰砖的研制 .新型建筑材料.2000.2.pp13-14. 3 作者*, 导师*. 当前国外混凝土耐久性问题及其预防措施综述.混凝土.2000.1.pp52-574 作者*, 导师*. 水泥混凝土超时缓凝的初探.混凝土.2000.12.pp59-65.7 作者*, 导师*. Study on the State of f-Cao in Sulphur-Fixed Coal Ashes of Circulating Fluidized Bed Boiler The 5th International Symposium on Cement and Concrete 2002.10黑体三号居中空一行空一行Times New Roman 五号宋体五号宋体五号
