火力發電廠灰場閉庫方案討論

費全昌

(電力規劃設計總院，北京 100120)

1 我國粉煤灰的年產量

我國一次能源領域具有“缺油、少氣、多煤”的特點, 決定了我國電力供應主要以火力發電為主。截止2011年底，全國發電裝機總容量為105576萬kW，其中火電裝機容量76546萬kW，占全國發電裝機總容量的72.5%?；鹆Πl電需消耗大量的煤炭，在煤炭的生產、運輸及燃燒過程中會產生粉塵、SO2、NOx和CO2等各種污染物，而煤炭燃燒后的副產物-粉煤灰也會對自然環境產生一定的影響。

根據第一次全國污染源普查資料文集，我國現有電力、熱力的生產和供應業類產生工業源固體廢棄物的企業7412個，年產粉煤灰34033.45萬t，其中電力熱力企業粉煤灰產量約29894.69萬t，占粉煤灰產生總量的87.84%。根據綜合利用率60%考慮，每年約有13613萬t粉煤灰需貯存。因此，粉煤灰已經成為生產量非常大的工業固體廢棄物污染源。

2 粉煤灰的成份

煤炭在鍋爐中燃燒后形成兩種固態殘留物——灰和渣。隨煙氣從鍋爐頂部排出，經除塵器收集的固體顆粒為粉煤灰；顆粒較大或呈塊狀的、從爐膛底部收集出來的固態殘留物為爐渣[3]。從環境保護和灰場貯存的角度講的粉煤灰，一般也包括爐渣，也可稱作為灰渣。由于粉煤灰量較灰渣量大很多，本文以粉煤灰為主，對其物理化學特性進行分析。

火力發電廠的粉煤灰一般是灰色或灰白色粉狀物，當含水量較大時呈灰褐色，堆積密度一般在0.5～1.2g/cm3之間，顆粒粒徑在0.001mm～0.1mm之間。圖1是粉煤灰的粒徑分布圖?；鹆Πl電廠的粉煤灰化學成份與所燃燒的煤源有直接關系，其化學成分與粘土質礦物相似。表1是某電廠粉煤灰的化學組成成份。從表1中可以看出，SiO2、Al2O3及Fe2O3的含量占85%左右。此外粉煤灰中還含有一些有害的微量元素和重金屬元素，如銅、銀、鎵、銦、鐳、鈧、鈮、釔、鑭等。表2是國內外粉煤灰中微量元素。

3 火力發電廠粉煤灰的貯存方式

火力發電廠所生產的粉煤灰是很好的建筑材料，如：生產粉煤灰水泥、制作輕型砌塊、用來筑路和改善建筑物地基強度，還可以用來改良土壤。但是，由于各種條件限制，粉煤灰的綜合利用存在地區性差異和季節性波動，每年都有大量的粉煤灰需貯存起來，貯存粉煤灰的場地稱作灰場。

圖1 粉煤灰的粒徑分布圖

表1 某電廠粉煤灰的組成成份

根據粉煤灰貯存的期限，灰場可分為臨時事故灰場或永久灰場。臨時事故灰場一般是指當粉煤灰存在時段性或季節性不能綜合利用的情況時，用來暫時貯存火力發電廠產生的粉煤灰的場地，臨時事故灰場的庫容應能貯存約1年的粉煤灰量(含灰渣及脫硫石膏等)。永久灰場一般是指在粉煤灰綜合利用條件不好的區域，火力發電廠產生的粉煤灰作為廢棄物永久堆放的場地?；鹆Πl電廠永久性灰場的總庫容一般應可貯存20年左右的粉煤灰量(含灰渣及脫硫石膏等)。

根據灰場所處地理位置的不同，灰場又可以分為平原灰場、灘涂灰場和山谷灰場。根據輸灰和布灰方式不同，灰場又可以分為干灰場和水灰場。

表2 國內外粉煤灰中微量元素含量(mg/kg)

4 灰場滿庫后的問題

隨著環保意識不斷提高，火力發電廠灰場的設計理念也發生了很大變化。上世紀80年代前，我國火力發電廠多采用水灰場，此后，逐漸開始采用干灰場，目前新建的火力發電廠基本上全部采用干灰場方案。對灰場防滲方面的要求，也是隨著《一般工業固體廢物貯存、處置場污染控制標準》(GB18599-2001)的發布才強制執行的。因此，我國現有的灰場大體可以分為以下三種類型：①水灰場，無防滲措施；②干灰場，無防滲措施；③干灰場，有防滲措施。截止目前，全國范圍內已有一些灰場陸續達到設計貯灰年限而退役，隨著時間推移，退役的灰場會逐步增多，因此，灰場的閉庫工程設計方面的需求也會越來越多。據了解，目前國內還沒有完善的灰場閉庫設計思路和方案。

4.1 灰場滿庫后的安全問題

灰場滿庫以后的安全問題主要表現在以下幾個方面：①管理安全。由于灰場滿庫以后，逐步退出運行，管理人員相應減少，而由外部人畜進入灰場而引發事故的可能性增大，故應采取相應的措施，在可能發生危險的地方設置隔離措施，并設立警示標志。②灰場壩體的安全。當灰場達到設計標高時，此時灰壩的安全系數最低，特別是采用灰渣分級加高筑壩的灰場，壩體碾壓往往不達標，因此，應對壩體整體穩定性進行復核，必要時應進行加固以確保灰場安全。壩體護面和坡腳排水應加強維護，避免長期沖刷造成局部坍塌。③排水系統的安全性。一般山谷灰場均設有排水系統，用來將溝谷上游和灰場內雨灰水排至下游。排水系統一般采用豎井或斜槽+臥管系統?；覉鐾艘酆?，在未來很長時間段內將長期存在，排水系統存在破壞失效的可能性，可能會對壩體安全形成嚴重威脅。因此，灰場閉庫前應進行相應的安全評估。

4.2 灰場滿庫后的環保問題

灰場滿庫后，灰體作為污染源將長期存在，灰場滿庫后的粉煤灰污染主要表現在以下方面：①空氣污染?；覉鰸M庫后如不及時進行覆蓋，裸露的灰面在有風的情況下很容易引起粉煤灰擴散，形成二次揚塵空氣污染。當風力達到四級時，粉煤灰的沉降范圍可達10 萬～ 15萬平方公里。②地下水污染?；覉鰸M庫后，灰體作為污染源將長期存在，所以對灰場附近的地下水的污染可能性將長期存在。以元寶山電廠灰場為例，經化驗檢測，灰場周圍的地下水水質明顯變差，部分檢測項目超過《生活飲用水標準》： 硼超標270%，鉬超標103%，硝酸鹽超標74%，氟化物超標180%。

我國火力發電廠早期多采用水力灰場，且沒有設置防滲措施。粉煤灰通過輸灰管道輸送至水灰場后，隨灰水輸送沉淀，依靠自重固結，沒有碾壓壓實過程。因此，水灰場中粉煤灰含水量高、壓實系數小、滲透性大。運行期間，水灰場內長期存在大量的自由水體，且灰場本身沒有進行防滲設計，故重金屬微粒容易析出并隨灰水下滲進入臨近的地下水水系，造成污染。隨著灰場滿庫后，將不再有灰水排入灰場，灰場頂面自由水體減少或消失，灰水的水頭壓力減少，污染物的傳輸動能將逐漸減弱。但雨水的下滲還會引起間歇性水頭增加，污染物排放量相應增大。

干灰場在正常運行期間，長期存在裸露的干灰面，且有運輸、壓實機械的工作，故粉煤灰的飛灰污染相對比較嚴重。但干灰場正常運行期間沒有自由水面，不形成水頭壓力，故重金屬微粒隨灰水的下滲對地下水的污染相對較小。在降雨期間，因雨水匯集下滲的情況也是存在的，尤其在南方降雨量大、降雨歷時長的地區，由此也可能引起的對地下水的污染。當干灰場設置了防滲措施后，可以大幅度建設灰水下滲而引起的污染。

5 基本的封閉方案

根據以上分析可以得出，灰場滿庫后的安全問題主要集中在壩體安全和排水系統安全兩個方面。因此，灰場的閉庫工程設計中，應從壩體安全和排水系統安全兩個方面考慮。針對壩體安全，應根據灰場最終堆灰容量和高度確定灰壩安全等級，并根據實際壩體材料的物理力學性能，對各種可能的荷載組合下的壩體抗滑穩定性進行計算分析。當壩體抗滑穩定安全系數小于規定值時，應考慮采取壩體加固措施。對松散灰體構成的壩體可考慮采用強夯或深層攪拌方式進行加固處理。針對排水系統安全，閉庫時應對排水系統進行全面的清查，修補破損設施。設計中應根據水文氣象參數、最終灰壩等級和現有排水系統的排水能力，進行調洪演算分析，確保滿庫后的灰場有足夠的調蓄庫容和壩體安全超高。當排水系統不滿足要求或存在破壞的可能性時，應考慮加設表面式排水措施，如側向溢洪道等。

根據以上分析可以得出，不論是水灰場還是干灰場，滿庫后的主要環境問題均表現為空氣污染和地下水污染。因此，灰場的閉庫工程設計中，應從防止空氣污染和地下水污染兩個方面采取相應的措施。針對無防滲措施的水灰場和干灰場，應在灰體表面采用帶防滲措施的覆蓋層,如圖3(1)和(2)所示意的覆蓋層型式；針對已設置了防滲層的干灰場，可采用無防滲覆蓋層，如圖3(3)所示意的覆蓋層型式。 灰面覆蓋層應設置一定的坡度和相應的排水系統，避免表面積水?；颐娓采w層應并進行必要的表面綠化，綠化應采用根系較淺的草本植物，以避免植物根系隊防滲層造成破壞。

6 封閉后的檢測檢查

灰場閉庫后，應對地下水水質進行定期檢測。一般可利用灰場已設置的觀測井，當灰場沒有設置觀測井時，應補設。觀測井分別布置在灰場區域地下水上下游，且井數不少于3口。

閉庫后的灰場應有專人監管，每年汛期前應進行防排洪設施檢查，發現隱患應及時消除。

圖3 不同的覆蓋層

7 結論

火力發電廠生產的粉煤灰產量大，顆粒細，并含有多種重金屬微量元素。當不能完全綜合利用時，多余的粉煤灰需在灰場貯存。本文通過分析得出，貯存于灰場的粉煤灰對環境的污染主要通過空氣污染和地下水污染兩個途徑。從環保角度，我國現有灰場大體上可分為水灰場無防滲、干灰場無防滲和干灰場有防滲等三種類型，針對不同類型的灰場本文提出了不同的覆蓋層設計方案，在實施閉庫工程前應對灰場的灰壩和排水系統等進行安全評估，閉庫后的灰場還應設置必要的檢測設施，并加強灰場閉庫后的管理、維護和定期檢測。

[1]中國電力企業聯合會.2012年全國電力工業統計快報[J].北京：中國電力企業管理，2012，(2).

[2]第一次全國污染源普查資料文集[C].北京：中國環境科學出版社，2011.

[3]楊紅彩，鄭水林.粉煤灰的性質及綜合利用現狀及展望[J].中國非金屬礦工業導刊，2003，34(4).

[4]武洋，等.粉煤灰、脫硫石膏綜合利用專題報告[R].石家莊：河北省電力設計院，2008.

[5]王福元，吳正嚴.粉煤灰利用手冊[M].北京：中國電力出版社，1997.

[6]GB 506600－2011，大中型火力發電廠設計規范[S].