山西省粉煤灰综合利用现状分析

李志勇

（忻州市环境保护研究所，山西 忻州 034000）

进入21世纪以来，随着电力体制改革与多元化投资火电厂的蓬勃发展，山西省煤电行业发展迅速，火电装机容量呈直线上升趋势。2013年，全省火电装机容量较上一年度增长了3倍，达到5 202万千瓦；发电量由2000年的620亿kW·h增长到2013年的2 527亿kW·h。随之，粉煤灰的产生量急剧增加，从2000年的805万t跃升到2013年的4 799万t，产生量增加了近5倍［1］。

据不完全统计，山西省历史累计堆存灰量约1.5亿t，永久性储灰场近百座，约四分之三为山谷型堆场，四分之一为平原型堆场。其中，多数为年代久远的老灰场，缺乏相应的防护措施，安全隐患大，部分灰场已废弃，处于无人监管状态；有些处于运营状态的灰场，也存在着扬尘、防渗、导流等污染防治措施不到位的情况，导致多数灰场扬尘，地表水、地下水污染，以及土壤盐碱化等环境问题突出；部分灰场由于建设初期选址不合理，还存在着与区域用地规划冲突，容易引发地质灾害等其他问题。全省灰场环境治理的任务十分艰巨。

1 粉煤灰的主要危害

大量排放粉煤灰会严重危害到人们的生产与生活，具体表现在以下方面：

1.1 严重污染大气

就煤烟型污染城市来看，主要污染物是大气气溶胶。其中，粉煤灰是悬浮颗粒物的主要贡献。而且，由于粉煤灰颗粒微细，大量堆存的粉煤灰在大风条件下极易形成扬尘，造成空气污染。

1.2 对土壤产生污染

从全省粉煤灰的实际排放情况来看，呈现出逐年增加的趋势。但现阶段大部分为灰场贮灰，堆存粉煤灰势必会对土地造成侵占，两者间的矛盾日益突出。建设储灰场主要是从环境保护的角度出发，但是在建设灰场与灰场的具体运行中，环境污染问题必然会产生。据统计，每堆贮1万t粉煤灰就需占用灰场面积2 667m2～3 333m2，造成了土地资源的极大浪费［2］。此外，当进入土壤的粉煤灰中蕴含的微量元素值高于临界值时，污染物就会向环境中输出，污染别的环境要素，土壤的结构、组成与具体的功能等都会出现变化，造成周边土地盐碱化现象，土壤资源受到破坏，甚至会发生枯竭。

1.3 对水体造成污染

地表径流粉煤灰随风或者随天然降水最终会进入湖泊、河流，对地下水造成污染，并会随着渗沥水向土壤中渗透，渗入到地下水中，这样就会出现二次污染。国内外大量研究已经证明，粉煤灰渗沥水会在一定程度上污染地下水，表现在水体pH值升高，Cr、As等有害有毒元素增加。粉煤灰若排入河道中，则会造成河道发生阻塞。

1.4 对人类健康造成危害

粉煤灰不仅会对土壤、水资源、空气造成污染，而且会对人们的生活产生直接的影响。人们若在高粉尘环境下长期生活，容易引发上呼吸道感染、鼻炎、咽炎等疾病。同时，土壤中还会累积很多存在于粉煤灰中的放射性元素，再通过植物吸收放射性元素，最后进入食物链，抵达人体［3］。

2 粉煤灰的综合利用产业延伸

粉煤灰主要源自煤中的灰分，化学组成主要是SiO2、Al2O3、Fe2O3，三者合计占70%以上。除此之外，还有钙、镁、钾、钠等氧化物。粉煤灰的化学组成很大程度上取决于原煤的无机物组成和燃烧工况，因煤的产地、种类、燃烧炉型、排灰方式等不同而不同。由于粉煤灰的容重小、质地轻、非常容易黏结，因此可广泛用于市政建设材料、建筑建材、工业建材原料。近几年来，常常被作为物理性改良剂，应用于黏质土壤中。以粉煤灰的化学性质为依据，其具有非常广泛的用途，例如，可以作为农业化肥原料、土壤的化学改良剂、园艺的人造土，还能够将其作为硫化物的除硫剂、污水除氟剂等。在实际生产生活中，基于粉煤灰的理化性质，有多重利用方向和模式。山西省粉煤灰的化学组成范围见表1。

1）粉煤灰中SiO2和Al2O3的含量较高，其组成与黏土类矿物的组成相似。而且，粉煤灰里面有活性氧化钙存在，与水相遇后会产生氢氧化钙，之后和氧化铝、二氧化硅发生化学反应，产生水硬性的铝酸钙与硅酸钙。所以，粉煤灰具有一定的凝硬性特征。这样，随着时间的延长，其强度得到改善，抗变形性增强。此外，将粉煤灰掺入其中还有利于使水化热降低，减少混凝土出现温度裂缝的情况，混凝土就具有了更强的防腐蚀性与抗渗性。所以，粉煤灰是制备水泥和免烧砖等建筑材料的理想替代原料［3］。

表1 山西省粉煤灰的化学组成范围

2）粉煤灰属于人工火山灰经过混合产生的一种材料，其本身具有一定的水硬胶凝性能，或者根本不具有这方面的性能。要使其存在状态为液体或粉状，可以在常温或在水热处理（蒸汽养护）环境中使其和碱土金属氢氧化物，如氢氧化钙，进行化学反应，生成一种具有水硬胶凝性能的化合物。这样，形成的材料就具有了非常理想的耐久性与强度［4］。

3）粉煤灰是具有粉状形式的矿物资源，我国内蒙准格尔和晋西北等几个大煤田产出的原煤中富含高岭土，燃烧后产生的煤灰中氧化铝和二氧化硅成分很高。其中，在资源化方面具有很高的利用开发价值。氧化铝质量分数普遍在37%以上，有的氧化铝质量分数高达42%以上；二氧化硅大都在48%左右；铁、钛、钙、镁等氧化物含量低，总量仅占10%左右。现阶段，这些煤田的原煤产量已经远远大于5亿t，使“高铝”粉煤灰年排放量达到了上亿吨，与我国铝工业氧化铝年产量比较，它的氧化铝含量要高出很多，显然，这是具有很高价值且蕴藏丰富的铝矿资源库。我省的粉煤灰大多属于高铝粉煤灰。其中，氧化铝质量分数大于30%的粉煤灰占全省粉煤灰产量的50%左右，是提取氧化铝、生产铝硅合金等高附加值粉煤灰产品的后备资源，可以作为铝矾土的替代资源来制取铝硅合金、结晶氯化铝等含铝产品，不仅可节省稀缺的铝矾土资源，而且可以消纳一定量的粉煤灰，提高粉煤灰的利用价值。

4）粉煤灰中的二氧化硅和氧化铝等氧化物在高温下容易反应生成莫来石。莫来石是一种耐熔矿物，在高温下比较稳定，且具有较高的强度。因此，粉煤灰是制备耐火材料和陶瓷产品的理想原料。

5）煤粉中的矿物质在燃烧过程中会发生相互反应，生成硅铝酸盐。高温下，硅铝酸盐之间容易形成低温共熔体，从而发生熔融而生成玻璃体。因此，玻璃体是粉煤灰中的主要组分之一。其中，大部分玻璃体是以空心微珠的形式在粉煤灰当中存在。由于煤粉锅炉里面存在一定的空心微珠，这样就显著提高了粉煤灰的利用价值。首先，空心微珠因其具有质地轻、高熔点、中空、具有很强的热稳定性、导热系数不大、很强的耐压性等优点，而成为应用较为广泛的轻质耐火保温隔热材料；其次，空心微珠具有良好的绝热性、质量轻以及很高的强度，能够作为填料应用，较多用于橡胶、塑料、人造大理石、树脂等材料的生产中。同时，空心微珠在化工、石油、航空航天、精密陶瓷等领域利用的前景也十分广阔。

6）多孔玻璃体、低铁质玻璃微珠烧结性良好，在对陶瓷制品、烧结砖制作过程中可以将其作为原料。同时，有莫来石晶体存在于这些颗粒当中，对于耐火材料工业来说尤为重要，以粉煤灰作为原料，能够生产出与国家标准相符合的莫来石熟料。

7）在化工、环保领域，粉煤灰显现出巨大的利用潜力。首先，锅炉中粉煤灰对超细飞灰、SO2原本就具有一种吸附能力，可显著降低大气颗粒物、有害气体的排空；其次，粉煤灰能够对污水中存在的有害元素进行吸附，若与分子筛结合，可显著增强分子筛吸附能力。第三，粉煤灰的孔隙结构非常丰富，表面积较大，可以吸附有害气体，利用粉煤灰制作的绿色板材，不仅强度较大，而且可以吸附室内的甲醛等有害气体，具有广阔的应用前景。

8）蕴藏于粉煤灰之中的轻质金属氧化物依托先进的技术工艺可生产碳金材料。碳金材料在阻燃、防水、抗折、翘曲度、抗冲击等方面均能够达到家具制造相关要求，而且碳金材料的甲醛含量较国家标准还要低几十倍，可达到欧盟标准。此外，粉煤灰天然的吸附性在生产碳金材料过程中并没有被破坏，同时回收再利用的粉煤灰，还可以被开发成非木装饰材料的门、窗等高档家具，为粉煤灰的资源性注入了强大的活力，更使粉煤灰利用赋予环保内涵。

另外，粉煤灰的物理性状与粉砂壤土、砂壤土非常相似，从其化学成分来看也和土壤具有很高的相似性，且含有非常丰富的能够满足植物需要的营养元素。加之，由于有磁珠存在于粉煤灰中，使土壤的磁性显著提高。所以，在土壤改良与农肥制作时可以应用粉煤灰。

3 结论

关于粉煤灰的产生、堆存、处置问题已经成为关系到经济转型发展和人民生产生活的大事。就山西省目前状况而言，一方面，粉煤灰产生量大；另一方面，粉煤灰的利用率较低，造成了粉煤灰产生与利用之间严重不平衡的局面。打破这个局面的关键在于，提高粉煤灰的利用率，实现粉煤灰的高效循环利用，使粉煤灰产出量和利用量基本平衡。为此，有必要通过在科技、人才、金融、实业等方面的大力投入，共同促进粉煤灰综合利用的产业发展。

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

［2］ 王宝民，张源，韩瑜.粉煤灰资源的综合利用研究［J］.建材技术与应用；2011（10）：10-13.

［3］ 郭廷杰.在煤电并举中应做好粉煤灰的综合利用［J］.山西能源与节能；1997（4）：53-57.

［4］ 张晓峰，李旭祥.山西省煤矸石、粉煤灰资源化政策体系探讨［J］.山西煤炭；2001（1）：55-59.