山西省粉煤灰綜合利用現狀分析

李志勇

（忻州市環境保護研究所，山西 忻州 034000）

進入21世紀以來，隨著電力體制改革與多元化投資火電廠的蓬勃發展，山西省煤電行業發展迅速，火電裝機容量呈直線上升趨勢。2013年，全省火電裝機容量較上一年度增長了3倍，達到5 202萬千瓦；發電量由2000年的620億kW·h增長到2013年的2 527億kW·h。隨之，粉煤灰的產生量急劇增加，從2000年的805萬t躍升到2013年的4 799萬t，產生量增加了近5倍［1］。

據不完全統計，山西省歷史累計堆存灰量約1.5億t，永久性儲灰場近百座，約四分之三為山谷型堆場，四分之一為平原型堆場。其中，多數為年代久遠的老灰場，缺乏相應的防護措施，安全隱患大，部分灰場已廢棄，處于無人監管狀態；有些處于運營狀態的灰場，也存在著揚塵、防滲、導流等污染防治措施不到位的情況，導致多數灰場揚塵，地表水、地下水污染，以及土壤鹽堿化等環境問題突出；部分灰場由于建設初期選址不合理，還存在著與區域用地規劃沖突，容易引發地質災害等其他問題。全省灰場環境治理的任務十分艱巨。

1 粉煤灰的主要危害

大量排放粉煤灰會嚴重危害到人們的生產與生活，具體表現在以下方面：

1.1 嚴重污染大氣

就煤煙型污染城市來看，主要污染物是大氣氣溶膠。其中，粉煤灰是懸浮顆粒物的主要貢獻。而且，由于粉煤灰顆粒微細，大量堆存的粉煤灰在大風條件下極易形成揚塵，造成空氣污染。

1.2 對土壤產生污染

從全省粉煤灰的實際排放情況來看，呈現出逐年增加的趨勢。但現階段大部分為灰場貯灰，堆存粉煤灰勢必會對土地造成侵占，兩者間的矛盾日益突出。建設儲灰場主要是從環境保護的角度出發，但是在建設灰場與灰場的具體運行中，環境污染問題必然會產生。據統計，每堆貯1萬t粉煤灰就需占用灰場面積2 667m2～3 333m2，造成了土地資源的極大浪費［2］。此外，當進入土壤的粉煤灰中蘊含的微量元素值高于臨界值時，污染物就會向環境中輸出，污染別的環境要素，土壤的結構、組成與具體的功能等都會出現變化，造成周邊土地鹽堿化現象，土壤資源受到破壞，甚至會發生枯竭。

1.3 對水體造成污染

地表徑流粉煤灰隨風或者隨天然降水最終會進入湖泊、河流，對地下水造成污染，并會隨著滲瀝水向土壤中滲透，滲入到地下水中，這樣就會出現二次污染。國內外大量研究已經證明，粉煤灰滲瀝水會在一定程度上污染地下水，表現在水體pH值升高，Cr、As等有害有毒元素增加。粉煤灰若排入河道中，則會造成河道發生阻塞。

1.4 對人類健康造成危害

粉煤灰不僅會對土壤、水資源、空氣造成污染，而且會對人們的生活產生直接的影響。人們若在高粉塵環境下長期生活，容易引發上呼吸道感染、鼻炎、咽炎等疾病。同時，土壤中還會累積很多存在于粉煤灰中的放射性元素，再通過植物吸收放射性元素，最后進入食物鏈，抵達人體［3］。

2 粉煤灰的綜合利用產業延伸

粉煤灰主要源自煤中的灰分，化學組成主要是SiO2、Al2O3、Fe2O3，三者合計占70%以上。除此之外，還有鈣、鎂、鉀、鈉等氧化物。粉煤灰的化學組成很大程度上取決于原煤的無機物組成和燃燒工況，因煤的產地、種類、燃燒爐型、排灰方式等不同而不同。由于粉煤灰的容重小、質地輕、非常容易黏結，因此可廣泛用于市政建設材料、建筑建材、工業建材原料。近幾年來，常常被作為物理性改良劑，應用于黏質土壤中。以粉煤灰的化學性質為依據，其具有非常廣泛的用途，例如，可以作為農業化肥原料、土壤的化學改良劑、園藝的人造土，還能夠將其作為硫化物的除硫劑、污水除氟劑等。在實際生產生活中，基于粉煤灰的理化性質，有多重利用方向和模式。山西省粉煤灰的化學組成范圍見表1。

1）粉煤灰中SiO2和Al2O3的含量較高，其組成與黏土類礦物的組成相似。而且，粉煤灰里面有活性氧化鈣存在，與水相遇后會產生氫氧化鈣，之后和氧化鋁、二氧化硅發生化學反應，產生水硬性的鋁酸鈣與硅酸鈣。所以，粉煤灰具有一定的凝硬性特征。這樣，隨著時間的延長，其強度得到改善，抗變形性增強。此外，將粉煤灰摻入其中還有利于使水化熱降低，減少混凝土出現溫度裂縫的情況，混凝土就具有了更強的防腐蝕性與抗滲性。所以，粉煤灰是制備水泥和免燒磚等建筑材料的理想替代原料［3］。

表1 山西省粉煤灰的化學組成范圍

2）粉煤灰屬于人工火山灰經過混合產生的一種材料，其本身具有一定的水硬膠凝性能，或者根本不具有這方面的性能。要使其存在狀態為液體或粉狀，可以在常溫或在水熱處理（蒸汽養護）環境中使其和堿土金屬氫氧化物，如氫氧化鈣，進行化學反應，生成一種具有水硬膠凝性能的化合物。這樣，形成的材料就具有了非常理想的耐久性與強度［4］。

3）粉煤灰是具有粉狀形式的礦物資源，我國內蒙準格爾和晉西北等幾個大煤田產出的原煤中富含高嶺土，燃燒后產生的煤灰中氧化鋁和二氧化硅成分很高。其中，在資源化方面具有很高的利用開發價值。氧化鋁質量分數普遍在37%以上，有的氧化鋁質量分數高達42%以上；二氧化硅大都在48%左右；鐵、鈦、鈣、鎂等氧化物含量低，總量僅占10%左右。現階段，這些煤田的原煤產量已經遠遠大于5億t，使“高鋁”粉煤灰年排放量達到了上億噸，與我國鋁工業氧化鋁年產量比較，它的氧化鋁含量要高出很多，顯然，這是具有很高價值且蘊藏豐富的鋁礦資源庫。我省的粉煤灰大多屬于高鋁粉煤灰。其中，氧化鋁質量分數大于30%的粉煤灰占全省粉煤灰產量的50%左右，是提取氧化鋁、生產鋁硅合金等高附加值粉煤灰產品的后備資源，可以作為鋁礬土的替代資源來制取鋁硅合金、結晶氯化鋁等含鋁產品，不僅可節省稀缺的鋁礬土資源，而且可以消納一定量的粉煤灰，提高粉煤灰的利用價值。

4）粉煤灰中的二氧化硅和氧化鋁等氧化物在高溫下容易反應生成莫來石。莫來石是一種耐熔礦物，在高溫下比較穩定，且具有較高的強度。因此，粉煤灰是制備耐火材料和陶瓷產品的理想原料。

5）煤粉中的礦物質在燃燒過程中會發生相互反應，生成硅鋁酸鹽。高溫下，硅鋁酸鹽之間容易形成低溫共熔體，從而發生熔融而生成玻璃體。因此，玻璃體是粉煤灰中的主要組分之一。其中，大部分玻璃體是以空心微珠的形式在粉煤灰當中存在。由于煤粉鍋爐里面存在一定的空心微珠，這樣就顯著提高了粉煤灰的利用價值。首先，空心微珠因其具有質地輕、高熔點、中空、具有很強的熱穩定性、導熱系數不大、很強的耐壓性等優點，而成為應用較為廣泛的輕質耐火保溫隔熱材料；其次，空心微珠具有良好的絕熱性、質量輕以及很高的強度，能夠作為填料應用，較多用于橡膠、塑料、人造大理石、樹脂等材料的生產中。同時，空心微珠在化工、石油、航空航天、精密陶瓷等領域利用的前景也十分廣闊。

6）多孔玻璃體、低鐵質玻璃微珠燒結性良好，在對陶瓷制品、燒結磚制作過程中可以將其作為原料。同時，有莫來石晶體存在于這些顆粒當中，對于耐火材料工業來說尤為重要，以粉煤灰作為原料，能夠生產出與國家標準相符合的莫來石熟料。

7）在化工、環保領域，粉煤灰顯現出巨大的利用潛力。首先，鍋爐中粉煤灰對超細飛灰、SO2原本就具有一種吸附能力，可顯著降低大氣顆粒物、有害氣體的排空；其次，粉煤灰能夠對污水中存在的有害元素進行吸附，若與分子篩結合，可顯著增強分子篩吸附能力。第三，粉煤灰的孔隙結構非常豐富，表面積較大，可以吸附有害氣體，利用粉煤灰制作的綠色板材，不僅強度較大，而且可以吸附室內的甲醛等有害氣體，具有廣闊的應用前景。

8）蘊藏于粉煤灰之中的輕質金屬氧化物依托先進的技術工藝可生產碳金材料。碳金材料在阻燃、防水、抗折、翹曲度、抗沖擊等方面均能夠達到家具制造相關要求，而且碳金材料的甲醛含量較國家標準還要低幾十倍，可達到歐盟標準。此外，粉煤灰天然的吸附性在生產碳金材料過程中并沒有被破壞，同時回收再利用的粉煤灰，還可以被開發成非木裝飾材料的門、窗等高檔家具，為粉煤灰的資源性注入了強大的活力，更使粉煤灰利用賦予環保內涵。

另外，粉煤灰的物理性狀與粉砂壤土、砂壤土非常相似，從其化學成分來看也和土壤具有很高的相似性，且含有非常豐富的能夠滿足植物需要的營養元素。加之，由于有磁珠存在于粉煤灰中，使土壤的磁性顯著提高。所以，在土壤改良與農肥制作時可以應用粉煤灰。

3 結論

關于粉煤灰的產生、堆存、處置問題已經成為關系到經濟轉型發展和人民生產生活的大事。就山西省目前狀況而言，一方面，粉煤灰產生量大；另一方面，粉煤灰的利用率較低，造成了粉煤灰產生與利用之間嚴重不平衡的局面。打破這個局面的關鍵在于，提高粉煤灰的利用率，實現粉煤灰的高效循環利用，使粉煤灰產出量和利用量基本平衡。為此，有必要通過在科技、人才、金融、實業等方面的大力投入，共同促進粉煤灰綜合利用的產業發展。

［1］ 鄭中南.“十二五”山西省煤矸石及粉煤灰綜合利用探討［J］.山西焦煤科技，2010（8）：46-49.

［2］ 王寶民，張源，韓瑜.粉煤灰資源的綜合利用研究［J］.建材技術與應用；2011（10）：10-13.

［3］ 郭廷杰.在煤電并舉中應做好粉煤灰的綜合利用［J］.山西能源與節能；1997（4）：53-57.

［4］ 張曉峰，李旭祥.山西省煤矸石、粉煤灰資源化政策體系探討［J］.山西煤炭；2001（1）：55-59.