基于粉煤灰綜合利用的技術問題分析

王連蒙

神華準能資源綜合開發有限公司研發中心, 內蒙古 鄂爾多斯市 010300

前言

粉煤灰是指燃煤電廠以及煤矸石、煤泥資源綜合利用電廠鍋爐煙氣經除塵器收集后獲得的細小飛灰和爐底渣。2010年9月15日，世界綠色和平組織發布調研報告稱“火力發電產生的粉煤灰排放，已經成為中國工業固體廢物的最大單一污染源”。2009年，中國粉煤灰產量已達到了3.75億噸，相當于當年產生的城市生活垃圾總量兩倍多，其體積為4.24億立方米。預計到“十二五”末我國粉煤灰的年產生量將接近6億噸，粉煤灰處理形勢十分嚴峻。伴隨著我國系列粉煤灰相關強制性政策與鼓勵性政策的出臺，粉煤灰大規模綜合利用將掀起新的高潮。本文針對粉煤灰綜合利用過程中應注意的二次污染、高新技術選擇、放射性及毒性等問題進行深入探討，為更好更快地推進我國粉煤灰綜合利用水平提供技術建議。

1 粉煤灰綜合利用的研究現狀

國外對粉煤灰的研究，可追溯到1920年后的電廠大型鍋爐改造，從那時開始，國外積極投入科研力量研究粉煤灰的綜合利用。目前，國外粉煤灰綜合利用技術分為高、中、低三個層次。高等技術主要包括粉煤灰金屬分選、礦物分選、脫硫技術、作隔熱材料、耐高溫材料、塑料填料等。高等技術一般利用量較低,約占粉煤灰總量的1%～2%,但經濟效益較好；中等技術包括做水泥與混凝土的混合材料，瀝青填料、粉煤灰砌塊等。中等技術為中度用量，利用量較穩定；低技術是將粉煤灰直接用于回填，如結構回填、礦井回填、灌漿回填等，還用于路基、路堤、填筑、脫硫穩定、土壤改良、糞便處理、化學腐蝕物處理等。總體而言，粉煤灰低技術用量大、面廣，階段性較明顯[1]。

我國粉煤灰綜合利用工作，可以追溯到20世紀50年代，粉煤灰利用主要體現在建筑工程中作混凝土、砂漿摻和料，在建筑工業中用來生產磚, 在道路工程中作路面基層材料等, 尤其在水電建設大壩工程中使用最多；20世紀60年代，粉煤灰利用重點轉向墻體材料，研制生產粉煤灰密實砌塊、墻板、粉煤灰燒結陶粒和粉煤灰粘土燒結磚等；20世紀80年代，國家把資源綜合利用作為經濟建設的一項重大經濟技術政策，使粉煤灰綜合利用得到了蓬勃發展；2013年1月5日，為節約資源、保護環境、發展循環經濟，深入推進粉煤灰綜合利用健康發展，中華人民共和國國家發展和改革委員會等10部門令第19號公布《粉煤灰綜合利用管理辦法》，并于2013年3月1日起施行，重點規范和引導粉煤灰綜合利用行為，促進粉煤灰綜合利用健康發展。

2 粉煤灰綜合利用過程中應注意的技術問題

2.1 粉塵的二次污染問題

粉煤灰理化分析數據表明，粉煤灰粒徑一般在微米級，長期工作在高濃度的粉塵環境中，呼吸系統發病率增高。特別是慢性阻塞性呼吸道疾病如氣管炎、支氣管炎、支氣管哮喘、肺氣腫、肺心病等發病率顯著增高。

為有效避免粉煤灰綜合利用可能出現的粉塵二次污染問題，應加強粉煤灰綜合利用過程中的粉塵治理工作，特別是在粉煤灰的產生區域、裝載轉運階段、粉煤灰存儲場地及綜合利用過程中應制定具體防塵措施，最大限度減少粉煤灰粉塵對環境的污染以及對人體的危害，這將有效提高我國粉煤灰綜合利用水平，促進產業技術升級，帶來顯著的經濟效益與社會效益。

2.2 綜合利用率低、附加值低的問題

粉煤灰綜合利用從實際應用途徑方面分析，可歸納為以下幾種：粉煤灰加氣混凝土、粉煤灰混凝土空心砌塊、粉煤灰混凝土路面磚、粉煤灰磚、粉煤灰陶粒及混凝土制品、粉煤灰混凝土輕質隔墻板。此外，粉煤灰還可用于合成肥料，用作廢水，廢氣的絮凝劑等。

我國粉煤灰的綜合利用技術有近200項，其中得到實施應用的近70項。盡管我國粉煤灰綜合利用率不斷提高，有些發電廠的粉煤灰利用率甚至達到100%，如寶鋼電廠，但是相對來講，我國粉煤灰的整體利用率較低，綜合利用率僅為45%。我國粉煤灰綜合利用過程中大部分粉煤灰用于筑路、回填方面及制造墻體材料、混凝摻合料或水泥混合材料等，高層次的利用較少，產生的附加值并不高,所以必須加快對粉煤灰深層次應用研究，特別是高新技術領域具有原創性的研究（如粉煤灰中高附加值金屬的提取），積極搶占粉煤灰高新技術開發的制高點，不斷推動科技進步。

2.3 技術途徑選擇問題

2.3.1 運輸方式的技術選擇

《粉煤灰綜合利用管理辦法》明確規定“粉煤灰運輸須使用專用封閉罐車，新建和擴建燃煤電廠，項目可行性研究報告和項目申請報告中須提出粉煤灰綜合利用方案，明確粉煤灰綜合利用途徑和處置方式”。從該法規的出臺可以得出，粉煤灰綜合利用企業應加強粉煤灰運輸成本和環保分析，盡量選擇在發電廠附近建廠，粉煤灰的運輸距離應不超過 5 km。目前我國粉煤灰綜合利用企業所采取的粉煤灰運輸方式，涵蓋了氣力輸送、水力輸送、車輛運輸等多種方式，運行效果也各不一樣。一些準備新建粉煤灰綜合利用項目的企業在粉煤灰運輸方式的選擇上缺乏明確的規范和標準，存在一定的盲目性。因此，有必要進行粉煤灰運輸方式的綜合分析，為企業選擇技術上可行、經濟上合理的運輸方式。在選擇粉煤灰運輸方式時，應因地制宜，充分研究技術、經濟、環境等因素，進行綜合比較分析，確定適合企業的最佳方案[2]。

2.3.2 綜合利用的技術途徑

我國以煤為主的電力工業發展迅速，而粉煤灰綜合利用技術相對落后。特別是高層次應用技術，包括礦物質的分選利用、金屬的提取、陶瓷的生產以及在塑料工業和冶金工業上的應用等。從國內外情況來看，粉煤灰中有用的金屬元素如鋁、鐵、鈣、鎂、鎵、鍺、銦等沒有充分的利用，因此，應加強粉煤灰深層次利用領域的探索和研究，實現高效、分級應用粉煤灰的高技術研究領域的重點突破。粉煤灰綜合利用技術特別是高層次利用的高新技術是一項綜合性科學技術，其技術的可持續發展，與其它學科的最新進展密不可分，若能合理利用，則既能解決粉煤灰的環境污染問題，又能作為資源，開發多種實用性產品，其前景十分廣闊。

近年來，我國發現了一種新型粉煤灰—高鋁粉煤灰，Al2O3含量高達50%左右，比普通粉煤灰鋁含量高一倍左右，相當于我國中低品位鋁土礦Al2O3的含量。據報道僅內蒙古準格爾煤田其礦產資源遠景儲量超過1000億噸，開發前景廣闊，同時我國鋁土礦資源匱乏，一半以上依賴進口，國內鋁土礦儲量的靜態保證年限不足六年，資源枯竭問題日趨嚴峻，開發新型鋁礦資源迫在眉睫。綜上分析，高鋁粉煤灰作為鋁土礦替代資源，實現變廢為寶，化害為利，無疑成為我國資源戰略的必然選擇。

我國從粉煤灰中提取氧化鋁的研究起步較早，自20 世紀50年代就開始了這方面的研究，至今提出了以下方法提取氧化鋁：

（1）堿石灰燒結法，主要反應方程式如下：

（2）石灰石燒結法，主要反應方程式如下：

（3）酸浸法，主要反應方程式如下：

此外，粉煤灰提取氧化鋁還包括酸堿聯合法等多種衍生工藝。

高鋁粉煤灰綜合利用中提取氧化鋁工藝關系著國家循環經濟產業鏈的發展，意義重大，該技術是我國循環經濟和環境保護的亮點。目前，我國從高鋁粉煤灰中提取氧化鋁的技術已取得較大進展，神華集團與大唐均各自建立了適合工業化生產的成套工藝技術。國內利用高鋁粉煤灰提取氧化鋁工業化生產線的建設，標志著從高鋁粉煤灰提取氧化鋁已實現從實驗性研究向工業化生產試驗的轉變。相信通過各領域科技人員的合作與研究，我國高鋁粉煤灰提取氧化鋁的技術必將邁上高科技循環經濟發展的新臺階。

2.3.3 毒性問題

粉煤灰絕大部分是燃煤鍋爐在燃燒過程中產生的固體顆粒物,是火力發電廠煤炭燃燒的副產品。粉煤灰化學成分主要以SiO2和Al2O3為主,其它成分為F e2O3、 CaO、MgO、K2O、Na2O、SO3及未燃盡有機質。需指出，不同來源的燃煤和不同燃燒條件下產生的粉煤灰，其化學成分差別很大。此外，研究發現，有些地區的粉煤灰中，金屬元素得以富集，這些元素包括有毒有害元素 ( As、Ph、Ni、Cr、Cd、Be、Hg、Ti)、放射性元素( U、Th) 及具有工業價值的稀有元素 ( Ga、Ge、U) 等。有害元素的存在，使得粉煤灰在綜合利用過程中，將對環境及人體產生危害。粉煤灰水中主要超標項目有懸浮物(SS) 、PH 值、氟化物和砷等重金屬，其灰漿排放到江河湖泊，會污染水體，影響水生物的生長，從而破壞生態平衡，此外，在堆放地也會由于淋濾作用浸污地下水系及土壤[3]。

目前，我國大多數灰場的選址、防揚散、防滲漏、防流失措施遠不足以達到有效防治該類粉煤灰污染的目的。因此，應針對此類粉煤灰采取專門措施進行處理，如：將粉煤灰施于土壤，可改善土壤的物理結構，提高地溫和保水能力。高祥偉等人通過研究發現，在采煤坍塌后的復墾土地利用1%的粉煤灰加有機肥料對其進行改良，既不會造成重金屬污染，同時又能取得較好的肥力效果[4]。此外，還可以采用分離、提取技術對重金屬進行專業化處理，徹底解決該問題。

2.3.4 量的問題

一方面，從應用技術方面分析，粉煤灰在筑路、回填方面所涉及的技術要求最低，消耗量較大；粉煤灰在建材方面技術較成熟，消耗量也比其他方面要大；在化工、環保方面有新的應用技術出現，消耗粉煤灰的用量也在不斷增大。另外，粉煤灰的應用還出現在了新的領域，比如抗菌、燃料等方面。上述各領域的應用實現了粉煤灰變廢為寶，化害為利，但從全局考慮，粉煤灰的綜合利用量還是太少。目前，我國大部分粉煤灰利用以筑路、回填工程為主，穩定用灰項目較少。因此，粉煤灰的綜合利用應繼續加大發展力度，積極拓展粉煤灰的應用領域。

另一方面，粉煤灰產生量最大的時間是采暖期，夏、冬季粉煤灰供求比例失衡，從長遠來看，這將制約粉煤灰綜合利用的發展。因此，粉煤灰綜合利用企業在建立之初應設置完善的應對措施，確保夏、冬季粉煤灰不同供應量下的穩定生產。

3 粉煤灰綜合利用的技術攻關建議

針對粉煤粉煤灰綜合利用過程中存在的問題，建議從以下幾個方面著手，采取綜合性措施，進一步提高我國粉煤灰綜合利用水平。

3.1 加強粉煤灰理化特性研究。將煤炭、煤矸石資源特性、煤的燃燒條件、產物的利用有機結合起來，形成系統，研究不同地區、不同煤種、不同燃燒條件下的粉煤灰特性，建立粉煤灰的科學分類體系，為粉煤灰的深度開發利用與污染防治提供科學依據。

3.2 粉煤灰綜合利用特別是高層次利用涉及的專業多、行業廣，是高度集成的產業。根據其特點，應加強高等院校、科研機構與企業的合作。同時，國家必須對粉煤灰綜合利用企業給予政策上的大力支持, 充分調動各方面的積極性。

3.3 粉煤灰綜合利用應加強專用設備的研究力度，同時重點研究方向應集中在拓展粉煤灰綜合利用途徑，提高粉煤灰的利用價值。

3.4 地方政府應結合《粉煤灰綜合利用管理辦法》會同相關部門加快出臺實施細則，增強法律法規的可操作性，進一步完善相關技術標準、法規，以技術創新來拓寬粉煤灰的應用領域。

4 總結

無論現在和將來，粉煤灰的處理始終是人類面臨的一個嚴峻問題，粉煤灰綜合利用任重而道遠。隨著環境保護的觀念越來越被人們所重視，發展循環經濟，實現固體廢棄物的無害化處理和利用，顯得尤為重要。目前，粉煤灰綜合利用過程中所產生的問題已受到高度關注，隨著技術設備的不斷進步和各項鼓勵性政策的實施，粉煤灰綜合利用的前景將更加美好。

[1]王曉華，李興春，毛國成．大慶石油管理局粉煤灰綜合利用現狀及前景[J]．油氣田環境保護，2005(1)：44-45．

[2]欒琪武，叢龍敏. 粉煤灰運輸方式的技術經濟分析[J]. 粉煤灰,2010(5),25-26.

[3]張強，梁階，石玉橋，李昌偉，張爽. 粉煤灰綜合利用現狀[J]. 廣州化工，2013（14），6-8.

[4]高祥偉，胡振琪，費鮮蕓等．粉煤灰改良復墾土壤重金屬污染的可拓評價[J]．煤炭工程，2006(5)：71-72．

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