燃煤電廠粉煤灰綜合利用現狀及發展建議

姜 龍

(華北電力科學研究院有限責任公司,北京 100045)

0 引 言

我國是產煤大國，以煤炭為電力生產基本燃料的國策在長時間內不會改變。燃燒1 t原煤，生產粉煤灰250～300 kg[1]。在目前環保壓力日趨加大，固廢處置問題突出，電力行業傳統煤電企業經營形式日趨嚴峻的局面下，固廢處置尤其是燃煤后產生的粉煤灰在煤電企業生產經營活動中越發重要和緊迫。我國施行的“西電東送”、“特高壓輸電”等能源政策，以及西北地區傳統基建行業對粉煤灰需求量的下降，勢必會加劇“電從空中來、灰留在當地”的惡性循環。在國家不斷重視環保問題和習近平主席提出“綠水青山就是金山銀山”發展理念的形勢和背景下，西北地區海量堆積的粉煤灰迫切需要新的出路。

粉煤灰的理化性質決定了其具有變廢為寶的特性，經過幾十年的研究應用，粉煤灰已應用于基建、建材、農業、環保、化工等多領域：粉煤灰主要成分為硅酸鹽和鋁酸鹽，可用作水泥、砂漿、混凝土的摻合料[2-3]；通過一定的燒結工藝可制作各種新型建筑材料，如陶砂陶粒、空心砌磚等[4-5]；粉煤灰可改善土壤的保水性、容重等理化性質，提供水溶性硅鈣鎂磷等營養素，故可提高農作物產量，治理土壤沙化、鹽堿化[6-7]；粉煤灰中可提取鋁、硅、鋰、鎵等有用金屬，還可通過分選技術，分選出漂珠、炭粒、磁珠等具有不同性質的材料[8-9]。

為了更全面了解我國粉煤灰綜合利用現狀，改善我國粉煤灰綜合利用情況，本文總結了國內外粉煤灰綜合利用的基本情況、相關標準、相關政策及主要利用途徑，通過對比國內外利用現狀，分別從利用途徑、標準制定、政策制定3方面提出我國今后粉煤灰綜合利用的合理化建議。

1 各國燃煤電廠粉煤灰綜合利用現狀對比

1.1 產量及利用率

2016年全球粉煤灰約11.43億t，平均利用率為60%：其中中國約6億t，利用率為68%～70%(綜合利用量為4.08億t)；美國約4 400萬t，利用率54%(綜合利用2 376萬t)；日本1 200萬t，利用率接近100%；歐盟4 000萬t(歐盟15國所有燃煤固廢)，利用率90%(綜合利用量3 600萬t)；印度1.69億t，利用率63%(綜合利用量1.06億t)[10-12]。

我國及美國近十幾年粉煤灰產量及利用率變化如圖1、2所示。燃煤電廠固廢產出量的增長趨勢得到緩解，但固廢的綜合利用量沒有顯著提高，基本維持在原有水平，這主要是因為：一方面隨著新能源發電量占比提高，造成傳統的燃煤發電量受到制約；另一方面現階段國內外很多粉煤灰的“高附加值”綜合利用并未得到產業化普及。

圖1 我國2007—2016年粉煤灰產量及利用率Fig.1 Yield and utilization rate of fly ash during 2007—2016 in China

圖2 美國2000—2016年粉煤灰排放量及利用率Fig.2 Yield and utilization rate of fly ash during 2000—2016 in USA

1.2 利用途徑

各國家粉煤灰的綜合利用途徑選擇取決于各國家粉煤灰產量、工藝技術的發展情況、環保要求、原材料的稀缺程度、產業結構等因素影響。各主要國家及地區粉煤灰主要綜合利用途徑對比見表1[13-15]。

由表1可知，各國家基本上以建材應用為主，而在其余途徑的應用選擇則受各國政策及產業的影響；高附加值利用方面，只有日本相對利用率占比較大[16]，這是由于日本本國原材料的限制，粉煤灰被開發成各種材料用于替代原材料。

表1 各主要國家及地區粉煤灰綜合利用途徑

與其他發達國家或地區相比，我國粉煤灰在道路基建、回填、農業方面應用比例較低。我國在高附加值利用領域內的應用主要集中在提取氧化硅、氧化鋁及稀有金屬，合成陶瓷材料和沸石分子篩，處理污水、廢氣等方面[17-18]。由于傳統建材方面的需求量衰減，我國粉煤灰產出量巨大，我國粉煤灰利用率偏低的地區主要集中在西部地區，造成我國粉煤灰綜合利用情況短時期內得不到顯著緩解。

日本最主要的利用途徑是水泥，占日本粉煤灰綜合利用量的67.12%，雖然日本的固廢綜合利用手段豐富且先進，但由于日本國內對各種原材料的缺口大，同時由于居民反對粉煤灰在填埋場堆積，因此各種固廢的綜合利用率較高，且基本用來補充建材原料，剩余用作公路路基材料、肥料、地基改良劑等[19]。在高附加值利用領域內，日本將粉煤灰應用在制造抗腐蝕性添加劑[16]、污泥固化劑[20]、煉鐵工業用材料[21]、高分子材料充填劑等[22]。

美國環保局(EPA)將粉煤灰利用主要分為2個方面：Encapsulated beneficial use(主要是建材)和Unencapsulated beneficial use(結構填充和堤防)。EPA分別發布了燃煤電廠固廢在以上2種應用領域內利用的可行性評估方法，《Methodology for evaluating encapsulated beneficial uses of coal combustion Residuals》和《Coal combustion residual beneficial use evaluation:Fly ash concrete and FGD gypsum wallboard》，用于更好指導粉煤灰在這2個領域的應用[23-24]。

歐洲在固廢政策和利用方面主要關注2方面因素：環保和資源化。由于歐盟自身固廢產量不多，且缺少建材原材料，因此95%以上的粉煤灰都被用于建材和基建領域中[12,25]。

1.3 建議

我國燃煤電廠的粉煤灰產量遠大于發達國家產量，且表現出明顯的地域分布不均勻性，同時由于我國粉煤灰大部分應用在建材，單一的利用途徑顯著制約著粉煤灰的利用。

1)提高基建領域的利用率。我國在道路建設等基建行業中的粉煤灰綜合利用應用比例明顯低于其他國家，尤其是國外發達國家，而我國在基建層面中仍具有較大的發展空間(如西部地區的高鐵建設)。在提高基建行業中比例的同時，還應減少黏土的應用比例(山西地區由于成本問題選用黏土而不是粉煤灰)。

2)推進西部地區在填埋的應用。我國粉煤灰在回填領域中所占比例也較國外發達國家低，這一方面是缺少相關的政策性和標準的引導，另一方面在回填領域上由于環保壓力也比較謹慎。因此，可借鑒國外在回填方面的規定并結合一定的環保試驗基礎，增加我國的粉煤灰回填。

3)關注環保領域的研究應用。我國和印度同為發展中國家，環保和其他領域中的粉煤灰利用量較發達國家偏低，而我國也不斷加大環保方面治理，中西部地區往往又是環保的薄弱地區，可采取粉煤灰分選—炭黑—制備活性炭—工業廢水凈化的產業鏈。

4)加大在農業領域中的應用。我國粉煤灰在農業領域中的應用主要集中在化肥生產、覆土造田和土壤改良中，但區域分布主要集中在中東部地區，西部地區由于自身耕地面積少、地質、水資源等制約在農業中應用較低。因此可在西部地區增加粉煤灰在覆土造田、土壤改良中的應用。

2 各國燃煤電廠粉煤灰綜合利用標準對比

2.1 中國標準

我國有關粉煤灰標準共計56個，其中國標11個，行標23個，地標22個，標準范圍涉及電廠、建材、道路、檢測等方面，其中建材領域占據一半，但現有標準缺少高附加值領域、分類、規范、環保等方面。我國現有關于粉煤灰標準見表2。

表2 我國現有關于粉煤灰標準匯總

2.2 各國標準對比

以混凝土中粉煤灰的質量為例，羅列了各主要國家混凝土用粉煤灰標準，具體見表3。各國因為粉煤灰特性及國內情況所選因素的側重點不同，如歐洲對環保指標監控更嚴，因此增加了更多粉煤灰成分的指標；日本由于處于地震帶，因此比較側重強度參數。綜合比較，我國在粉煤灰方面制定的標準所涉及的指標范圍和指標限值同國外發達國家相比偏松。日本同歐盟最嚴，我國同美國處于同一水平。

表3 各國家混凝土用粉煤灰標準

各國粉煤灰的分類標準不盡相同，中國及美國主要以CaO含量為依據，日本以性能進行分類，歐盟以細度及燒失量為分類標準。分類標準以及不同種類標準值的差異性決定了最終的應用途徑，相比較，中國和日本在不同類別粉煤灰的指標差異性更為明顯。

2.3 建議

1)標準中應體現我國自身的特殊性。標準考察的指標應該更能體現且符合我國自身的特殊性。如我國NOx控制濃度較發達國家高，且煙道內流場不均勻性也較國外嚴重，易造成氨量過噴，而煙氣中氨主要富集在粉煤灰中，灰中氨會影響粉煤灰品質并釋放氨味[30]。我國脫硫廢水往往會噴灑在灰庫中，因而加大粉煤灰中Cl-含量，含過高Cl-粉煤灰制成的建材會腐蝕配筋制品，因此應對Cl-加以考核。

2)優先制定適用本地區粉煤灰利用的標準。由于我國粉煤灰的產量和綜合利用率具有明顯的地域區別，因此各地區的地方粉煤灰綜合利用標準應該更加完善，制定更適合于本地區的地方標準。如各地區探索最適宜的粉煤灰綜合利用途徑的相關標準，指導本地區的粉煤灰綜合利用。對于西部地區，傳統建材應用正逐漸縮窄，因此應在回填、土壤改良等可大宗應用方面迅速制定相關的指導標準指導粉煤灰的綜合利用。

3)評估重金屬對土壤及地下水影響風險。國內外在建材、基建等傳統領域中標準均沒有涉及各類有害金屬含量。通過檢測及評估粉煤灰中有害金屬對當地土壤及地下水的影響，可指導和規范粉煤灰在土壤及回填中的應用，從而影響政府對粉煤灰應用的決策[31]。

4)制定其他利用途徑的標準。各發電企業應積極探索和完善適宜的粉煤灰綜合利用途徑，待工藝或技術成熟后形成相應的應用標準，從而促進我國粉煤灰的綜合利用。

3 各國燃煤電廠粉煤灰綜合利用政策對比

3.1 中國政策

我國2013年發布了新修訂的《粉煤灰綜合利用管理辦法》，規定了對利用粉煤灰產業給予的優惠政策且鼓勵在一些高附加值/大摻量利用途徑進行應用。2017年1月環保部發布實施了《火電廠污染防治技術政策》，要求粉煤灰應遵循優先綜合利用的原則再堆存。此外，《資源綜合利用產品和勞務增值稅優惠目錄》、《西部地區鼓勵類產業目錄》及各地方政府都有粉煤灰綜合利用的優惠政策。

3.2 各國粉煤灰綜合利用法律政策對比

1)日本政府及銀行對引進使用粉煤灰處理設備的一般產業，會給予高融資率(40%)和低利率(1.9%)的特別優惠，在經濟上提高用灰產灰單位綜合利用的積極性，而我國等國并無這方面的政策優惠[32]。

2)發達國家無論是政策調整還是標準制定都有顯著的靈活性，可根據市場及技術情況及時調整，以便更好地促進粉煤灰和石膏的綜合利用及使用。

3)國外粉煤灰綜合利用的推進中民間機構參與度較高，如美國的灰渣協和美國電力科研院。而我國則以政府為主導，各行業企業的研究單位、科研院所為技術研究單位，推進固廢的綜合利用[33]。

4)我國尤其是西部地區，政策引導性對于固廢綜合利用率影響巨大，可顯著提高或降低固廢的綜合利用率，反映出我國固廢綜合利用的單一性及政策依存度過高等問題[34]。

3.3 建議

1)提高產灰企業治灰主觀能動性。我國粉煤灰利用對政策依存度過高，利用率受制于政策引導，企業在探索粉煤灰綜合利用途徑上缺少技術開發和推廣的主觀能動性，更多的是被動追隨政策。各企業應積極主動做好前期的工藝調研，提供有利數據及其他依據，同科研高校、政府共同推動本地粉煤灰的綜合利用，實現環境與經濟的雙效益。

2)增加強制性利用粉煤灰的政策。現行政策大多是鼓勵利用粉煤灰，建議政府在合適的地區及應用領域增加強制性使用粉煤灰的政策，尤其在原材料較少或粉煤灰可替代的地區。如山西長治地區的制磚應減少當地黏土的使用，強制使用部分粉煤灰。

3)提高固廢利用信息的透明度。日本和印度通過不同途徑對各產灰單位的粉煤灰產量及利用率進行公開或可被查詢，接受社會公眾的監督，從而提高各產灰企業利用粉煤灰的緊急性和積極性。

4)政府提供更為實際的支持手段。建議政府建立高附加值綜合利用項目的立項、環評、生態、用地、用水等綠色審批通道；支持高附加值利用，擴大銷售半徑，改變原有對傳統建材的依賴性；爭取地區的電價政策支持，降低企業用能成本，從而加大對粉煤灰綜合利用積極性和經濟性；實施運輸費用優惠政策，擴大粉煤灰產品運輸經濟半徑，增加拓寬粉煤灰的銷路和應用范圍。

4 燃煤電廠粉煤灰綜合利用技術發展現狀

現有粉煤灰主要綜合利用技術途徑見表4，其中附加值越高的利用途徑,消耗的粉煤灰量越小[35-37]。

由表4可知，除建材、基建等傳統利用途徑實現了大規模產量化生產外，其余應用途徑對粉煤灰的消納量小，且問題較多。如高鋁粉煤灰中提取Al2O3工藝：利用堿石灰、石灰石作為燒結劑進行粉煤灰中Al2O3提取過程中會產生大量硅渣副產物，如生產1 t Al2O3可產生1.5～3.0 t硅渣，堿法提鋁工藝產生的硅渣量更大[38]；酸浸法更適用于莫來石含量較少的流化床粉煤灰，且設備需抗腐蝕導致成本高[39]。目前針對粉煤灰基催化劑的研究還不夠深入，基本上只是單純將粉煤灰當作一種常規載體替代物，粉煤灰制備催化的關鍵理論研究還沒有得到突破[40]。現階段從粉煤灰中提取鎵、鍺等金屬元素的技術主要有沉淀法、吸附法、萃取法等，但存在回收率不高、過程復雜、成本高、產品純度不理想等問題[41]。國內外報道了很多有關粉煤灰處理廢水的試驗研究，但多數僅限于考察粉煤灰對污染物的吸附量和脫除量，而未考慮該方法的實際應用，其中最主要的是灰水分離和分離后灰的處置問題；除氟后的粉煤灰也會引起二次污染，若隨意棄置，經雨水淋溶可能造成土壤和水體的污染。與純黃土相比，若用該粉煤灰(25%)與純黃土燒制磚的氟溢出量增加11%[42]。

除表4列舉的利用途徑外，研究者也正將目光投放在其他領域。

1)Dindi等[43]研究表明，利用粉煤灰礦化封存CO2不僅可以減少CO2排放量，還可以提高粉煤灰的穩定性，從而擴大其在建筑材料生產中的利用率。盡管封存能力低，但由于年粉煤灰產量巨大，使用粉煤灰作為礦化封存CO2原料的研究仍受到廣泛關注。

2)利用粉煤灰制作具有特定建筑功能，如保溫、防水、阻燃、耐火、防腐、抗輻射等功能的材料也是粉煤灰綜合利用的熱點：粉煤灰具有對高溫穩定性好及熱膨脹系數小的特點，黃軍同等[44]、李鍵鐸等[45]分別用粉煤灰及含鋁礦經燒結制備了鎂鋁尖晶石-剛玉-Sialon復合耐高溫材料和氧化鋁/粉煤灰耐火材料，經檢測常溫耐火度可達1 400 ℃；粉煤灰作為原料可著提高制備材料的阻燃性，曹新鑫等[46]將粉煤灰加入聚丙烯基體中制備了抗靜電材料；Singh等[47]研制出多種粉煤灰抗輻射混凝土產品，將粉煤灰引入抗輻射領域應用中；粉煤灰防腐材料的應用主要在粉煤灰耐酸膠泥和粉煤灰防腐涂料，可用于地下管線外壁、鋼結構、煙囪內壁等的防腐[48]；以粉煤灰為原料進行粉煤灰輕質耐火磚的燒制，但要求所用粉煤灰品質滿足低碳、低鐵、高鋁的要求，華中科技大學試制的粉煤灰輕質耐火磚常溫耐壓程度可達5.7 MPa，熱導率(350 ℃)為0.2 W/(m·K)[49]。但目前粉煤灰基功能材料大多處于理論研究階段，工業化應用水平不高。

表4 粉煤灰各主要綜合利用途徑對比

3)英國蘭卡斯特大學已研發出了一種由粉煤灰廢料和堿性溶液構成的水泥混合物，這種水泥還具備導電性。這種混合物在白天借助太陽能電池板存儲電量，夜晚釋放出來，最終實現存儲和釋放功率200～500 W/m2[50]。

5 我國粉煤灰綜合利用主要問題

我國在粉煤灰利用過程中主要面臨市場、技術、區域不平衡、政策等問題。

1)粉煤灰產地和市場存在地理隔離。我國西北地區燃煤電廠分布最密集，由于西電東送、特高壓輸電等能源政策進一步加大了西北地區燃煤發電比重。而粉煤灰的主要消納場地為中東部地區，由于運輸經濟半徑(300 km)，將粉煤灰運輸到中東部不滿足經濟性，因此海量粉煤灰被滯留在西北地區無法利用。

2)已有綜合利用途徑單一，淡季現有的可大量綜合利用粉煤灰途徑只有建材與基建，但由于運輸成本限制，粉煤灰只能在產生地周圍消納。呈現明顯的季節性利用規律，即每年冬季及雨季為粉煤灰的利用淡季：冬季由于環境壓力，制磚水泥等粉煤灰傳統消納單位停產減產，粉煤灰需求量驟減，造成電廠粉煤灰的滯留堆積；雨季受天氣影響，粉煤灰綜合利用率偏低。

3)高附加值利用技術存在瓶頸。粉煤灰高附加值利用面臨技術成本高、產生二次污染、受限于粉煤灰特性、技術有待進一步優化等問題，因此在實際中難以實現產業化應用。

4)粉煤灰綜合利用標準體系不完備。我國粉煤灰綜合利用相關標準主要集中在傳統建材利用方面，缺少在分類、高價值產品及非建材利用方面(環保、農業、填埋等方面)的標準，因此其余領域粉煤灰的綜合利用缺少技術指導和規范，不利于粉煤灰的綜合利用。

5)缺少操作性更強、強制性應用的政策。政府對于粉煤灰綜合利用的決策缺少更為實際的支持手段，再加上各產灰單位對于開拓新工藝的積極性不高，造成當下粉煤灰綜合利用技術發展緩慢。

6 結 論

我國是世界上粉煤灰產量和未利用量最多的國家，平均每年有2億t新產生的粉煤灰堆存而無法利用[51]，影響環境。我國粉煤灰綜合利用在應用途徑、相關專利、相關政策的現狀主要為：

1)我國粉煤灰平均綜合利用率為70%，主要應用在建材行業中，與其他發達國家相比，在道路方面、礦坑回填方面的應用率偏低。西部地區由于粉煤灰產量大、建材行業需求降低造成粉煤灰綜合利用遠低于全國水平。

2)我國粉煤灰標準涉及的指標范圍和指標限值同國外發達國家相比偏松，涉及領域多為傳統的建材和基建，并不能很好地指導粉煤灰在其他領域的應用。

3)在相關政策上我國目前存在以下問題：產灰企業缺少主觀能動性；現政策大多是鼓勵利用粉煤灰，缺乏強制性；固廢利用信息不透明；政府缺少更為實際的支持手段。

4)粉煤灰作為可綜合利用的固體廢棄物，其綜合利用途徑廣泛，且仍在探索中。各產灰用灰單位應結合粉煤灰自身特性、當地市場需求、工藝特性、經濟成本、環保要求等積極主動分析選擇最適宜的綜合利用途徑。同時各地方政府要因地制宜出臺適用于當地的粉煤灰綜合管理辦法，尤其是西北地區更好地引導粉煤灰的綜合利用，實現經濟、社會、環保的共同效益。