基于粉煤灰综合利用的技术问题分析

王连蒙

神华准能资源综合开发有限公司研发中心, 内蒙古 鄂尔多斯市 010300

前言

粉煤灰是指燃煤电厂以及煤矸石、煤泥资源综合利用电厂锅炉烟气经除尘器收集后获得的细小飞灰和炉底渣。2010年9月15日，世界绿色和平组织发布调研报告称“火力发电产生的粉煤灰排放，已经成为中国工业固体废物的最大单一污染源”。2009年，中国粉煤灰产量已达到了3.75亿吨，相当于当年产生的城市生活垃圾总量两倍多，其体积为4.24亿立方米。预计到“十二五”末我国粉煤灰的年产生量将接近6亿吨，粉煤灰处理形势十分严峻。伴随着我国系列粉煤灰相关强制性政策与鼓励性政策的出台，粉煤灰大规模综合利用将掀起新的高潮。本文针对粉煤灰综合利用过程中应注意的二次污染、高新技术选择、放射性及毒性等问题进行深入探讨，为更好更快地推进我国粉煤灰综合利用水平提供技术建议。

1 粉煤灰综合利用的研究现状

国外对粉煤灰的研究，可追溯到1920年后的电厂大型锅炉改造，从那时开始，国外积极投入科研力量研究粉煤灰的综合利用。目前，国外粉煤灰综合利用技术分为高、中、低三个层次。高等技术主要包括粉煤灰金属分选、矿物分选、脱硫技术、作隔热材料、耐高温材料、塑料填料等。高等技术一般利用量较低,约占粉煤灰总量的1%～2%,但经济效益较好；中等技术包括做水泥与混凝土的混合材料，沥青填料、粉煤灰砌块等。中等技术为中度用量，利用量较稳定；低技术是将粉煤灰直接用于回填，如结构回填、矿井回填、灌浆回填等，还用于路基、路堤、填筑、脱硫稳定、土壤改良、粪便处理、化学腐蚀物处理等。总体而言，粉煤灰低技术用量大、面广，阶段性较明显[1]。

我国粉煤灰综合利用工作，可以追溯到20世纪50年代，粉煤灰利用主要体现在建筑工程中作混凝土、砂浆掺和料，在建筑工业中用来生产砖, 在道路工程中作路面基层材料等, 尤其在水电建设大坝工程中使用最多；20世纪60年代，粉煤灰利用重点转向墙体材料，研制生产粉煤灰密实砌块、墙板、粉煤灰烧结陶粒和粉煤灰粘土烧结砖等；20世纪80年代，国家把资源综合利用作为经济建设的一项重大经济技术政策，使粉煤灰综合利用得到了蓬勃发展；2013年1月5日，为节约资源、保护环境、发展循环经济，深入推进粉煤灰综合利用健康发展，中华人民共和国国家发展和改革委员会等10部门令第19号公布《粉煤灰综合利用管理办法》，并于2013年3月1日起施行，重点规范和引导粉煤灰综合利用行为，促进粉煤灰综合利用健康发展。

2 粉煤灰综合利用过程中应注意的技术问题

2.1 粉尘的二次污染问题

粉煤灰理化分析数据表明，粉煤灰粒径一般在微米级，长期工作在高浓度的粉尘环境中，呼吸系统发病率增高。特别是慢性阻塞性呼吸道疾病如气管炎、支气管炎、支气管哮喘、肺气肿、肺心病等发病率显著增高。

为有效避免粉煤灰综合利用可能出现的粉尘二次污染问题，应加强粉煤灰综合利用过程中的粉尘治理工作，特别是在粉煤灰的产生区域、装载转运阶段、粉煤灰存储场地及综合利用过程中应制定具体防尘措施，最大限度减少粉煤灰粉尘对环境的污染以及对人体的危害，这将有效提高我国粉煤灰综合利用水平，促进产业技术升级，带来显著的经济效益与社会效益。

2.2 综合利用率低、附加值低的问题

粉煤灰综合利用从实际应用途径方面分析，可归纳为以下几种：粉煤灰加气混凝土、粉煤灰混凝土空心砌块、粉煤灰混凝土路面砖、粉煤灰砖、粉煤灰陶粒及混凝土制品、粉煤灰混凝土轻质隔墙板。此外，粉煤灰还可用于合成肥料，用作废水，废气的絮凝剂等。

我国粉煤灰的综合利用技术有近200项，其中得到实施应用的近70项。尽管我国粉煤灰综合利用率不断提高，有些发电厂的粉煤灰利用率甚至达到100%，如宝钢电厂，但是相对来讲，我国粉煤灰的整体利用率较低，综合利用率仅为45%。我国粉煤灰综合利用过程中大部分粉煤灰用于筑路、回填方面及制造墙体材料、混凝掺合料或水泥混合材料等，高层次的利用较少，产生的附加值并不高,所以必须加快对粉煤灰深层次应用研究，特别是高新技术领域具有原创性的研究（如粉煤灰中高附加值金属的提取），积极抢占粉煤灰高新技术开发的制高点，不断推动科技进步。

2.3 技术途径选择问题

2.3.1 运输方式的技术选择

《粉煤灰综合利用管理办法》明确规定“粉煤灰运输须使用专用封闭罐车，新建和扩建燃煤电厂，项目可行性研究报告和项目申请报告中须提出粉煤灰综合利用方案，明确粉煤灰综合利用途径和处置方式”。从该法规的出台可以得出，粉煤灰综合利用企业应加强粉煤灰运输成本和环保分析，尽量选择在发电厂附近建厂，粉煤灰的运输距离应不超过 5 km。目前我国粉煤灰综合利用企业所采取的粉煤灰运输方式，涵盖了气力输送、水力输送、车辆运输等多种方式，运行效果也各不一样。一些准备新建粉煤灰综合利用项目的企业在粉煤灰运输方式的选择上缺乏明确的规范和标准，存在一定的盲目性。因此，有必要进行粉煤灰运输方式的综合分析，为企业选择技术上可行、经济上合理的运输方式。在选择粉煤灰运输方式时，应因地制宜，充分研究技术、经济、环境等因素，进行综合比较分析，确定适合企业的最佳方案[2]。

2.3.2 综合利用的技术途径

我国以煤为主的电力工业发展迅速，而粉煤灰综合利用技术相对落后。特别是高层次应用技术，包括矿物质的分选利用、金属的提取、陶瓷的生产以及在塑料工业和冶金工业上的应用等。从国内外情况来看，粉煤灰中有用的金属元素如铝、铁、钙、镁、镓、锗、铟等没有充分的利用，因此，应加强粉煤灰深层次利用领域的探索和研究，实现高效、分级应用粉煤灰的高技术研究领域的重点突破。粉煤灰综合利用技术特别是高层次利用的高新技术是一项综合性科学技术，其技术的可持续发展，与其它学科的最新进展密不可分，若能合理利用，则既能解决粉煤灰的环境污染问题，又能作为资源，开发多种实用性产品，其前景十分广阔。

近年来，我国发现了一种新型粉煤灰—高铝粉煤灰，Al2O3含量高达50%左右，比普通粉煤灰铝含量高一倍左右，相当于我国中低品位铝土矿Al2O3的含量。据报道仅内蒙古准格尔煤田其矿产资源远景储量超过1000亿吨，开发前景广阔，同时我国铝土矿资源匮乏，一半以上依赖进口，国内铝土矿储量的静态保证年限不足六年，资源枯竭问题日趋严峻，开发新型铝矿资源迫在眉睫。综上分析，高铝粉煤灰作为铝土矿替代资源，实现变废为宝，化害为利，无疑成为我国资源战略的必然选择。

我国从粉煤灰中提取氧化铝的研究起步较早，自20 世纪50年代就开始了这方面的研究，至今提出了以下方法提取氧化铝：

（1）碱石灰烧结法，主要反应方程式如下：

（2）石灰石烧结法，主要反应方程式如下：

（3）酸浸法，主要反应方程式如下：

此外，粉煤灰提取氧化铝还包括酸碱联合法等多种衍生工艺。

高铝粉煤灰综合利用中提取氧化铝工艺关系着国家循环经济产业链的发展，意义重大，该技术是我国循环经济和环境保护的亮点。目前，我国从高铝粉煤灰中提取氧化铝的技术已取得较大进展，神华集团与大唐均各自建立了适合工业化生产的成套工艺技术。国内利用高铝粉煤灰提取氧化铝工业化生产线的建设，标志着从高铝粉煤灰提取氧化铝已实现从实验性研究向工业化生产试验的转变。相信通过各领域科技人员的合作与研究，我国高铝粉煤灰提取氧化铝的技术必将迈上高科技循环经济发展的新台阶。

2.3.3 毒性问题

粉煤灰绝大部分是燃煤锅炉在燃烧过程中产生的固体颗粒物,是火力发电厂煤炭燃烧的副产品。粉煤灰化学成分主要以SiO2和Al2O3为主,其它成分为F e2O3、 CaO、MgO、K2O、Na2O、SO3及未燃尽有机质。需指出，不同来源的燃煤和不同燃烧条件下产生的粉煤灰，其化学成分差别很大。此外，研究发现，有些地区的粉煤灰中，金属元素得以富集，这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) 及具有工业价值的稀有元素 ( Ga、Ge、U) 等。有害元素的存在，使得粉煤灰在综合利用过程中，将对环境及人体产生危害。粉煤灰水中主要超标项目有悬浮物(SS) 、PH 值、氟化物和砷等重金属，其灰浆排放到江河湖泊，会污染水体，影响水生物的生长，从而破坏生态平衡，此外，在堆放地也会由于淋滤作用浸污地下水系及土壤[3]。

目前，我国大多数灰场的选址、防扬散、防渗漏、防流失措施远不足以达到有效防治该类粉煤灰污染的目的。因此，应针对此类粉煤灰采取专门措施进行处理，如：将粉煤灰施于土壤，可改善土壤的物理结构，提高地温和保水能力。高祥伟等人通过研究发现，在采煤坍塌后的复垦土地利用1%的粉煤灰加有机肥料对其进行改良，既不会造成重金属污染，同时又能取得较好的肥力效果[4]。此外，还可以采用分离、提取技术对重金属进行专业化处理，彻底解决该问题。

2.3.4 量的问题

一方面，从应用技术方面分析，粉煤灰在筑路、回填方面所涉及的技术要求最低，消耗量较大；粉煤灰在建材方面技术较成熟，消耗量也比其他方面要大；在化工、环保方面有新的应用技术出现，消耗粉煤灰的用量也在不断增大。另外，粉煤灰的应用还出现在了新的领域，比如抗菌、燃料等方面。上述各领域的应用实现了粉煤灰变废为宝，化害为利，但从全局考虑，粉煤灰的综合利用量还是太少。目前，我国大部分粉煤灰利用以筑路、回填工程为主，稳定用灰项目较少。因此，粉煤灰的综合利用应继续加大发展力度，积极拓展粉煤灰的应用领域。

另一方面，粉煤灰产生量最大的时间是采暖期，夏、冬季粉煤灰供求比例失衡，从长远来看，这将制约粉煤灰综合利用的发展。因此，粉煤灰综合利用企业在建立之初应设置完善的应对措施，确保夏、冬季粉煤灰不同供应量下的稳定生产。

3 粉煤灰综合利用的技术攻关建议

针对粉煤粉煤灰综合利用过程中存在的问题，建议从以下几个方面着手，采取综合性措施，进一步提高我国粉煤灰综合利用水平。

3.1 加强粉煤灰理化特性研究。将煤炭、煤矸石资源特性、煤的燃烧条件、产物的利用有机结合起来，形成系统，研究不同地区、不同煤种、不同燃烧条件下的粉煤灰特性，建立粉煤灰的科学分类体系，为粉煤灰的深度开发利用与污染防治提供科学依据。

3.2 粉煤灰综合利用特别是高层次利用涉及的专业多、行业广，是高度集成的产业。根据其特点，应加强高等院校、科研机构与企业的合作。同时，国家必须对粉煤灰综合利用企业给予政策上的大力支持, 充分调动各方面的积极性。

3.3 粉煤灰综合利用应加强专用设备的研究力度，同时重点研究方向应集中在拓展粉煤灰综合利用途径，提高粉煤灰的利用价值。

3.4 地方政府应结合《粉煤灰综合利用管理办法》会同相关部门加快出台实施细则，增强法律法规的可操作性，进一步完善相关技术标准、法规，以技术创新来拓宽粉煤灰的应用领域。

4 总结

无论现在和将来，粉煤灰的处理始终是人类面临的一个严峻问题，粉煤灰综合利用任重而道远。随着环境保护的观念越来越被人们所重视，发展循环经济，实现固体废弃物的无害化处理和利用，显得尤为重要。目前，粉煤灰综合利用过程中所产生的问题已受到高度关注，随着技术设备的不断进步和各项鼓励性政策的实施，粉煤灰综合利用的前景将更加美好。

[1]王晓华，李兴春，毛国成．大庆石油管理局粉煤灰综合利用现状及前景[J]．油气田环境保护，2005(1)：44-45．

[2]栾琪武，丛龙敏. 粉煤灰运输方式的技术经济分析[J]. 粉煤灰,2010(5),25-26.

[3]张强，梁阶，石玉桥，李昌伟，张爽. 粉煤灰综合利用现状[J]. 广州化工，2013（14），6-8.

[4]高祥伟，胡振琪，费鲜芸等．粉煤灰改良复垦土壤重金属污染的可拓评价[J]．煤炭工程，2006(5)：71-72．

《中国科技信息》杂志社官方微信平台

微信号

ZCKJ1989

求关注