大宗粉煤灰的綜合利用及提質(zhì)方案

成洪濤，董江波，李邦憲

（1.山西西山華通水泥有限公司，山西 太原 030205；2.合肥水泥研究設計院有限公司，安徽 合肥 230051）

0 前言

大宗粉煤灰的資源化綜合利用，從目前來看，主要是用于生產(chǎn)水泥等建材產(chǎn)品和用于商品混凝土的摻合料。通過市場調(diào)研，我們了解到將粉煤灰原灰進行分選+球磨機粉磨，或同時添加合適的激發(fā)劑，對其進行提質(zhì)，可以生產(chǎn)出不同細度和活性的粉煤灰產(chǎn)品。通過這種方式，可以大大提升粉煤灰在水泥及商品砼中的用量。

1 粉煤灰處置現(xiàn)狀

山西興能發(fā)電公司是煤電聯(lián)營、熱電聯(lián)產(chǎn)的大型坑口火力發(fā)電廠，位于山西省太原市西部山區(qū)的古交市。據(jù)統(tǒng)計，該電廠每年排放粉煤灰量226萬t、排放爐渣量約40萬t、排放脫硫石膏量36萬t。目前，每年僅有60萬t粉煤灰和8萬t脫硫石膏由我公司用于水泥生產(chǎn)。其余粉煤灰被加水濕潤后，通過皮帶運輸?shù)缴焦龋c爐渣、脫硫石膏一并填埋。按照環(huán)保要求，在填埋時采用粉煤灰加黃土覆蓋的方式進行。這樣層層填埋、層層壓實，并在其上層種上綠色植物。由于粉煤灰排量巨大，已經(jīng)將該電廠附近的山谷填滿。其中一期粉煤灰填埋場已經(jīng)基本填平，形成約14.72 ha（221畝）的空曠場地。以填埋的方式來處置粉煤灰，不僅對當?shù)丨h(huán)境造成一定程度的污染，同時也是粉煤灰資源的浪費。

另外，興能發(fā)電公司還承擔著古交市和太原市5000萬m2區(qū)域冬季供暖任務。進入采暖期后，三期六臺機組基本滿負荷運行。日排灰、渣量合計約10781（t其中粉煤灰9164t）。由于北方地區(qū)電廠固廢用于建材產(chǎn)品和商品混凝土與熱電聯(lián)產(chǎn)電廠的運行存在反季現(xiàn)象。因此，在冬季對電廠排出的大量粉煤灰、爐渣、脫硫石膏的處置難度更大，環(huán)保壓力更嚴峻。為此，公司計劃尋找一條粉煤灰資源化利用的有效途徑，將粉煤灰資源化利用和污染防治緊密結合起來，以解決制約該電廠正常生產(chǎn)經(jīng)營所帶來的灰、渣處置難題。

為此，我公司派出技術人員到全國各地進行了大量的調(diào)查研究。尋找粉煤灰資源化利用的可靠途徑，以期找到新的思路和解決辦法。

2 市場調(diào)研及商品砼對粉煤灰性能的要求

2.1 國內(nèi)南方市場及企業(yè)的調(diào)研

南方地區(qū)，由于水泥企業(yè)眾多，建筑市場活躍，而熱電企業(yè)又相對較少，電廠產(chǎn)出的粉煤灰作為生產(chǎn)水泥的活性混合材，被水泥企業(yè)完全利用。就連爐渣及脫硫石膏也被處置的干干凈凈。通過走訪，我們了解到一些企業(yè)利用粉煤灰和其它物料一起粉磨，生產(chǎn)一種比表面積700 m2/kg以上的超細粉產(chǎn)品，但是這種超細粉產(chǎn)品在市場上并沒有太多的需求，企業(yè)的生產(chǎn)規(guī)模一般都較小，生產(chǎn)工藝也不穩(wěn)定。有時，產(chǎn)品的細度也不易達到700m2/kg，就算能粉磨到該細度，其臺產(chǎn)也較低，系統(tǒng)的電耗成本較高。文獻[1]通過小磨實驗研究，取得了將粉煤灰原灰比表面積從350m2/kg磨細至不同細度的細灰的粉磨電耗數(shù)據(jù)，見表1。

表1 粉煤灰原灰磨細至不同細度時的粉磨電耗指標

2.2 國內(nèi)北方市場及企業(yè)的調(diào)研

北方地區(qū)，我們考察了兩家企業(yè)：其一，陜西堯柏蒲城產(chǎn)業(yè)園新材公司年產(chǎn)120萬t礦物外加劑項目：用三臺Φ3.5m×15m球磨機閉路系統(tǒng)，利用粉煤灰原灰生產(chǎn)礦物外加劑產(chǎn)品。今年4月建成投產(chǎn)，并有首車礦物外加劑產(chǎn)品銷售出廠。蒲城循環(huán)經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)園固廢資源利用項目，一期包含年產(chǎn)120萬t礦物外加劑生產(chǎn)線和年產(chǎn)40萬t新型裝飾材料噴涂石膏生產(chǎn)線，可消納華電蒲城公司現(xiàn)有全部粉煤灰和脫硫石膏等固廢225萬t。另外，二期還要建成一條年產(chǎn)3.6億塊新型墻材生產(chǎn)線，可消納蒲城清潔能源公司現(xiàn)有氣化渣等固廢106萬t。一、二期項目建成投產(chǎn)后，每年可處理工業(yè)固廢資源約331萬t。

其二、陜西正元集團公司在秦嶺電廠和麟游電廠附近，與合肥院合作，先后共投產(chǎn)4臺套Φ3.2m×16m球磨機閉路系統(tǒng)生產(chǎn)超細灰，達到年產(chǎn)120萬t超細粉煤灰綜合利用能力。其中，正元實業(yè)秦電環(huán)保公司，年產(chǎn)60萬t超細粉煤灰綜合利用項目于2020年7月竣工投產(chǎn)。該項目的竣工投產(chǎn)，將徹底解決華能秦電公司粉煤灰、灰渣的處置難題；能大幅減少灰渣拉運、存儲、堆放過程帶來對環(huán)境的“二次污染”及土地資源浪費。目前，正元實業(yè)公司已與渭河發(fā)電、秦嶺發(fā)電、麟北發(fā)電、商洛發(fā)電、延安發(fā)電等多個電廠開展合作，形成了西北地區(qū)規(guī)模第一的產(chǎn)、供、銷、儲、運完整的產(chǎn)業(yè)鏈。

正元實業(yè)秦電環(huán)保公司生產(chǎn)的“KM超細粉”，是一種新型節(jié)能環(huán)保的砼摻合料。以粉煤灰原灰為主要原料，加入適量激發(fā)劑，用球磨機粉磨至理想細度而成。其使用性能突出：能提高混凝土各齡期強度、抗凍、抗?jié)B性能；水化熱指數(shù)大幅度降低，開裂風險幾乎為零。其與摻入普通Ⅱ級粉煤灰相比，和易性明顯改善，與各種外加劑的相容性明顯提高，抗硫酸鹽腐蝕、抗氯離子滲透性能明顯改善，碳化程度明顯減小。其經(jīng)濟效益顯著：超細粉產(chǎn)品摻入各等級混凝土，能取代水泥25%～50%。對大體積混凝土而言，可顯著降低混凝土單方成本。

以上兩個公司的成功案例，都是通過球磨機粉磨工藝，細磨粉煤灰對其提質(zhì)改性，且處理量都較大，值得我公司學習和借鑒。

2.3 粉煤灰摻合料在商品混凝土中的作用及性能要求

粉煤灰是電廠煤粉爐煙道氣體中收集的粉末，其主要成分為：SiO2和Al2O3，還含有少量Fe2O3、CaO。根據(jù)用途分為拌制砂漿和混凝土用粉煤灰、水泥活性混合材料用粉煤灰兩類。在混凝土中摻加粉煤灰后可以使混凝土的性能得到以下幾個方面的改善：

（1）可以提高混凝土的后期強度；

（2）在混凝土的用水量不變的情況下，可以起到顯著改善混凝土拌合物和易性的效應，增加流動性和粘聚性，還可降低水化熱。

（3）在保持混凝土拌合物原有的和易性不變，則可減少用水量，起到減水的效果，從而提高混凝土的密實度和強度，增強耐久性。

粉煤灰在砼中發(fā)揮的主要作用有三種：形態(tài)效應、活性效應、微集料效應，見表2。

表2 粉煤灰在砼中的主要作用

《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》國家標準（GB/T 1596—2017）中，對粉煤灰性能等級作了規(guī)范要求，見表3。

表3 粉煤灰的等級要求（GB/T1596—2017） %

3 我公司的粉煤灰原灰的性能數(shù)據(jù)及提質(zhì)方法

我公司電廠排放的粉煤灰原灰的細度偏粗，但活性指標較高，需水量達標。具體檢測數(shù)據(jù)見表4，進一步的檢測發(fā)現(xiàn)，粉煤灰中的微珠含量不高，大部分是大顆粒狀的海綿狀玻璃體，顆粒分布極不均勻。

表4 山西興能電廠粉煤灰檢測數(shù)據(jù) %

文獻[2]的研究表明，將粉煤灰原灰進行粉磨，破壞原有粉煤灰的形貌結構，增加了玻璃微珠顆粒的數(shù)量，使其成為粒度比較均勻的微細顆粒。且由于比表面積提高，還能發(fā)揮其超細微粉的性能，能顯著提高其活性指數(shù)。在活性提高后，有利于粉煤灰在水泥中的摻入量，增加粉煤灰的利用率。文獻[2]通過研磨實驗來提高粉煤灰的活性及增加的摻入量數(shù)據(jù)見表5。

表5 粉煤灰原灰磨細對活性提高的數(shù)據(jù)

基于在商品砼中，對摻合料的粉煤灰有“形態(tài)效應、活性效應、微集料效應”的要求；且由于商品砼的品種不同，對摻入的粉煤灰的細度有不同的要求；還有基于不同商品砼的價格成本考慮；目前，市場上需求的粉煤灰產(chǎn)品主要有以下幾種：二級灰、一級灰、磨細灰及超細灰等品種。

4 我公司粉煤灰提質(zhì)工程方案及內(nèi)容

通過對國內(nèi)一些成功案例的考察，且與國內(nèi)一些知名科研院所的專家研討后一致認為：粉煤灰的機械力與化學復合活化技術,可以大幅度地提高其活性。所以，通過對粉煤灰原灰進行“分選+適當?shù)姆勰ァ保_發(fā)出滿足市場需求的二級灰、一級灰、磨細灰及超細灰等品種。這是大宗粉煤灰的資源化處置利用的的好方法。

對粉煤灰進行“分選+粉磨”的工藝成熟，技術裝備可靠，綜合利用粉煤灰量大，符合市場需求。

4.1 高效分選+球磨機粉磨工藝技術方案的確定

我公司的粉煤灰提質(zhì)工程采取“空氣分選+球磨機粉磨”相結合的工藝方案。該方案設置四套“分選+球磨機粉磨”的系統(tǒng)，年處理原灰量可達到350萬t。主要設備，球磨機采用Φ3.5m×15m，分選設備采用N3500型新型高效選粉機，閉路粉磨工藝。擬生產(chǎn)的主要產(chǎn)品品種及指標見表6。

表6 磨細粉煤灰品種及產(chǎn)能

4.2 分選+球磨粉磨系統(tǒng)主要工藝方案簡述

粉煤灰提質(zhì)工程方案即粉煤灰細磨系統(tǒng)，采用前置選粉機的生產(chǎn)工藝。首先，將計量后的原灰輸送至磨尾提升機，與出磨粉煤灰一起經(jīng)提升機喂入N3500型高效選粉機內(nèi)進行分選。合格細粉隨氣流進入一臺處理能力230000m3/h的袋收塵器內(nèi)收集，收集下的細粉即為成品；經(jīng)輸送斜槽、螺旋泵輸送至大型細灰儲存庫中；粗粉則由空氣輸送斜槽送回球磨機內(nèi)繼續(xù)粉磨，粉磨后的物料再經(jīng)磨尾提升機送入選粉機再分選。該系統(tǒng)的特點在于，可以同時生產(chǎn)四個品種的粉煤灰及超細灰，能滿足市場的各種需求。尤其能做到在保證產(chǎn)品細度的情況下，對原灰中的玻璃微珠母珠的打散，和對大顆粒狀的海綿狀玻璃體粉磨，且不破壞微珠的微觀結構，確保粉煤灰在商品砼中發(fā)揮顆粒形態(tài)效應。

本系統(tǒng)的磨機除塵采用獨立的通風除塵系統(tǒng)，廢氣經(jīng)除塵器凈化后通過排風機排入大氣，排出氣體的含塵濃度(標況下)小于10 mg/m3，符合國家排放標準《水泥工業(yè)大氣污染物排放標準》（GB4915—2013）。其工藝流程簡圖見圖1，其中，球磨機規(guī)格：Φ3.5m×15m，4臺，能力：50～100t/h 功率：2000kW，10kV；分級機型號：N3500，4臺，處理風量：210000 m3/h，功率：160kW。

圖1 球磨閉路粉磨+空氣分選工藝生產(chǎn)流程圖

5 大宗粉煤灰的應用市場分析

5.1 在水泥生產(chǎn)中的應用市場分析

根據(jù)前述的工程方案，粉煤灰提質(zhì)工程實施后生產(chǎn)的分選、磨細灰（超細灰）粉煤灰產(chǎn)品廣泛地應用于太原市和周邊區(qū)域的水泥廠（包括粉磨站）、商品混凝土攪拌站和干混砂漿站。

目前太原市境內(nèi)的水泥生產(chǎn)企業(yè)有14家，其中帶水泥熟料生產(chǎn)線的企業(yè)6家，水泥粉磨站企業(yè)8家。太原、晉中區(qū)域是我省內(nèi)最大的水泥消費市場，近年來進入該市場的水泥產(chǎn)品遠不止上述14家，以我公司100km半徑范圍內(nèi)水泥生產(chǎn)企業(yè)統(tǒng)計，約有26家水泥企業(yè)合計水泥總產(chǎn)能2690萬t；以現(xiàn)有產(chǎn)銷情況看，目前年產(chǎn)銷售在1300～1400萬t；水泥產(chǎn)品品種主要有 P·C32.5R(2017年)、P·O42.5、P·S42.5、P·C42.5；水泥生產(chǎn)配入的混合材主要以礦渣、礦渣微粉和粉煤灰為主，熟料煅燒原料中也摻配約10%的粉煤灰。以年產(chǎn)1350萬t水泥測算，混合材年消耗量約為470萬t，熟料煅燒原料中粉煤灰使用量約110萬t。由于太原市周邊僅有太鋼（集團）與美錦鋼鐵產(chǎn)出高爐礦渣，總產(chǎn)量也僅300萬t左右。而且近年來大量外運至陽泉、忻州、呂梁、晉中的水泥及商品砼企業(yè)。因此，市場供應日趨緊缺，保守估計以同等質(zhì)量的分選、磨細和超細粉煤灰來替代礦渣和礦渣微粉，粉煤灰用于水泥生產(chǎn)的需求量在380萬t。

5.2 在預拌砼中的應用市場分析

經(jīng)市場調(diào)查，我公司周邊現(xiàn)有預拌混凝土攪拌站51家。其中，古交市8家，清徐縣6家，晉源區(qū)7家，小店區(qū)8家，萬柏林區(qū)2家，杏花嶺區(qū)4家，迎澤區(qū)3家，尖草坪區(qū)13家，交城縣5家，還不包括陽曲縣和榆次區(qū)的30余家攪拌站。據(jù)統(tǒng)計，太原市2017年預拌砼消費量約為1600萬m3；粉煤灰使用量約為60萬t。而且隨著用于砼中的礦渣微粉供應的緊缺，分選、磨細和超細粉煤灰的需求量還將增大，預計年需求量將達到80萬t以上。

5.3 粉煤灰（磨細灰）爐渣在預拌砂漿中的應用市場分析

太原市2017年有預拌砂漿生產(chǎn)企業(yè)5家，目前在建企業(yè)4家，2017年預拌砂漿產(chǎn)量約50萬t。隨著太原市市區(qū)內(nèi)禁止建設工程現(xiàn)場攪拌砂漿政策的推行，預拌砂漿的市場需求量將大幅增加。據(jù)統(tǒng)計，太原市年需預拌砂漿約260萬t，折算到粉煤灰及爐渣（用于輕質(zhì)集料）的總需用量約30萬t。

6 粉煤灰產(chǎn)品市場銷售競爭力分析

據(jù)估計，該項目(粉煤灰提質(zhì)工程）年銷售原灰26萬t，Ⅰ、Ⅱ級灰60萬t，磨細灰75萬t，磨超細灰65萬t。其銷售價格類比市場中的原狀粉煤灰、Ⅰ、Ⅱ級粉煤灰、礦渣微細粉的售價。同類產(chǎn)品市場調(diào)研價格見表7。

表7 周邊粉煤灰售價表

本項目原狀粉煤灰的費用，售價為15元/t（僅相當于運費）；其它產(chǎn)品的售價結合本項目所處地理位置和交通運輸?shù)牧觿?降價20元/t（運費差價）銷售，其產(chǎn)品系列正常測算價格如表8。

表8 預測粉煤灰售價表

考慮到市場競爭情況,在正常測算價格的基礎上再下調(diào)5～25元/t來確定銷售價格。即II級灰45元/t、球磨細灰75元/t、球磨超細灰120元/t來進行經(jīng)濟效益測算分析，項目仍具有較強的盈利能力。可見預期的產(chǎn)品銷售價格具有較強的市場競爭力。

產(chǎn)品的市場競爭力主要由產(chǎn)品質(zhì)量與售價決定。本項目采用先進成熟的生產(chǎn)工藝，其產(chǎn)品質(zhì)量優(yōu)于市場中的同類產(chǎn)品，且在售價測算中，還低于同類產(chǎn)品市場價5～20元/t，仍具有良好的經(jīng)濟效益，可見市場的風險較小。

7 結語

大宗粉煤灰的綜合利用，主要是在水泥、預拌砼、預拌砂漿、建筑工程、建材制品等方面。通過國內(nèi)市場的調(diào)研、科學分析，參考相關企業(yè)的成功經(jīng)驗，依托國內(nèi)知名科研院所和科技企業(yè)的技術，采取“分選+合適的粉磨”的生產(chǎn)工藝來提高粉煤灰產(chǎn)品的品質(zhì)。并且開發(fā)出多個品種的粉煤灰產(chǎn)品，來滿足水泥及商品砼生產(chǎn)的需要，為我公司的大宗粉煤灰的綜合治理找出一個切實可行的總體方案。