燃煤发电企业固体废弃物的资源化利用研究综述

陈晓龙，梁 川，宋大勇

(国电科学技术研究院有限公司,江苏 南京 210046)

我国是世界能源生产第一大国[1]，燃煤发电机组在我国能源体系中处于重要地位。截至2019年底，全国煤电装机容量约104×108MW，占全口径发电装机容量的51.7%；燃煤机组全年发电量约4.56×1012kWh，占全口径发电量的62.2%[2]。在煤电生产过程中，会产生大量固体废弃物，这些固体废弃物若能实现科学的综合利用，既可减少其他矿物资源的开发，减少生态破坏和环境污染，又能提高煤炭资源多级利用率，目前所受关注程度正持续上升。

为了提高资源利用效率，发展循环经济，国家相继颁布了一系列的政策和文件。2017年国家发改委等14部委联合发布了《关于印发<循环发展引领行动>的通知》，对“十三五”期间我国循环经济发展工作做出统一安排和整体部署。国家能源局《煤炭深加工产业示范“十三五”规划》提出，要提升煤炭转化效率和效益，强化生态环境保护，降低工程造价和生产成本。国家发改委公布的《战略性新兴产业重点产品和服务指导目录》中将固体废弃物综合利用作为重点发展方向之一。工信部在《建材工业发展规划(2016—2020年)》中提出要“推广绿色建材，提高绿色建材在建筑工程中使用比例；在水泥、砂浆、混凝土等产品中利用副产石膏等大宗工业固废，开发绿色建材”。2018年1月1日起实施的《环境保护税法》明确规定未按环保法规定清运、处置或利用固体废弃物的企业，需要缴纳环境保护税。2019年国家发改委及工信部联合出台了《关于推进大宗固体废弃物综合利用产业集聚发展的通知》，该通知指出拟建设一批具有示范和引领作用的综合利用产业基地，促进产业集聚，提高资源综合利用水平，推动资源综合利用产业高质量发展。2020年中共中央办公厅、国务院办公厅印发《关于构建现代环境治理体系的指导意见》，要求“提高固体废物综合利用率；制定修订固体废物污染防治、清洁生产、循环经济等方面的法律法规”，更加凸显了从源头防治污染、固体废弃物资源化利用的重要性。由此可见，国家对固体废弃物的处置及资源化利用提出很高要求，以集聚化、产业化、市场化、生态化为导向，以提高资源利用效率为核心，坚持“绿色”发展理念，推动经济高质量可持续发展，推进生态文明建设。

1 煤电发电企业固体废弃物概况

随着中国工业化进程的不断深入，工业固体废弃物在逐年增加。燃煤发电企业作为中国能源工业的主体，在生产过程中会产生粉煤灰、炉渣、脱硫石膏等大量固体废弃物，2014—2018年我国电力、热力生产和供应业固体废弃物生产量和利用率趋势见图1。根据生态环境部统计数据，2018年我国电力、热力生产和供应业粉煤灰产生量约为4.5亿t，占工业企业粉煤灰产生总量的85.3%，综合利用率为75.7%；炉渣产生量约为1.6亿t，占总量的51.2%，综合利用率为71.5%；脱硫石膏产生量约为1.0亿t，占总量的81.3%，综合利用率为74.3%[3]。电力工业的迅速发展，带来了固体废弃物排放量的急剧增加，部分燃煤发电企业仍采用填埋和堆放方式处理固体废弃物，贮存处置场不仅占用大量的土地资源，还会对土水、空气、土壤及生态环境造成危害。

粉煤灰又称飞灰，是燃煤电厂排放的最主要固体废弃物之一，是燃料(主要是煤)在锅炉中燃烧后被烟气带出炉膛的细微固体颗粒物，其粒径一般在1～100 μm之间。粉煤灰的化学组成与煤粒粒度、锅炉型式、燃煤成分、燃烧情况及收集方式等有关，一般为灰色或浅黄色，呈多孔型蜂窝状组织，含碳量较高的粉煤灰颜色偏黑，常夹带少量重金属及其他杂质，其主要组成为SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO等。国家发改委等十部门联合颁布的《粉煤灰综合利用管理办法》规定，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，遵循“谁生产、谁治理、谁利用、谁受益”的原则，推动实现粉煤灰减量化、资源化、再利用。实践表明，粉煤灰可以广泛用于水泥建材行业，例如生产砌块、屋面瓦、隔音板材、耐火保温材料、建筑保温材料、陶瓷彩色墙地砖等，也可用于生产处理废水、废气的吸附剂等。

炉渣是煤炭等燃料在锅炉内燃烧后产生的另一种工业固体废弃物，通常经过排渣机、破碎机后送至渣仓贮存，或运至灰渣场堆放，其成分与飞灰相似，以氧化物(SiO2，Al2O3，CaO，MgO等)为主。炉渣可应用于空心砖、透水砖、砌块、水泥、隔音棉和防火隔热材料等产品的制造。

脱硫石膏是燃煤电厂石灰石—石膏湿法烟气脱硫过程中由吸收剂与烟气中二氧化硫反应后生成的主要副产品[4]，主要成分和天然石膏一样，为二水硫酸钙(CaSO4·2H2O)，纯度一般在90%以上。脱硫石膏蕴藏着巨大的资源利用价值，利用脱硫石膏可以生产石膏板、石膏砌块、生态水泥、水泥缓凝剂、硫酸钙晶须(CSW)、自流平石膏等，国内外对脱硫石膏的综合处理和应用发展迅速。

经过长期研究与实践，我国固体废弃物的综合利用在一定范围内实现了较好的资源转化，粉煤灰、炉渣、脱硫石膏等大宗固体废弃物不仅能够作为生产建材产品的主要原料，还可以应用于公路土建、工程建造、土壤调节、氧化铝生产、特种硅铝铁合金、高强模具制造等多个方面。

2 固废资源化的意义

随着我国对固体废弃物的管理和循环经济的认识不断深化，固体废弃物的资源化逐渐成为一项关系经济和民生的建设性工程，企业的可持续发展要更加重视固体废弃物资源化利用。一是将固体废弃物转化为再生资源，减少天然石矿的开采，既符合国家可持续性发展的战略目标，也符合国家大力推进生态文明建设的战略决策；二是减少固废的堆放和填埋，降低土地占用率，减轻地下水和土壤的污染，从而改善生态环境；三是通过对固体废弃物的利用，产生很好的经济效益，使经济发展和环境保护处于良性循环之中。

固体废弃物对环境的污染以及所造成的资源浪费是当今世界环境保护和资源保护面临的主要问题。我国也早己将固体废弃物的综合利用提到议事日程上，先后制定了多项减免税收的相关优惠政策，各级地方政府也出台了相关治理措施和优惠政策，切实保障了固体废弃物综合利用的顺利实施[5]。

3 燃煤发电企业固废处理经验

我国燃煤发电企业在经历了“以储为主”、“储用结合”、“以用为主”三阶段的转变后，目前在固体废弃物资源化利用方面已取得长足的进步，积累了丰富的固废处理经验，对于可以利用的固体废弃物最大化进行综合利用，对暂不能利用的，也采取必要的降污染措施进行处置和堆存。

华能阳逻电厂建成了全国电力系统首条利用电厂低温蒸汽，采用干燥、煅烧二步法工艺的β型建筑石膏生产线，该生产线是国家“十一五”节能减排规划重点项目，于2007年9月7日正式投产，年产建筑石膏10万t。所产的建筑石膏粉具有强度高、无辐射、质量轻等特点，是一种理想的绿色建筑材料。同时该电厂还建有年产5万m3的加气砼砌块生产线，将绝大部分粉煤灰生产为加气混凝土砌块，剩余的粉煤灰和炉渣供给周边专业综合利用公司，作为水泥、公路沥青混凝土、砖的生产原料。华能阳逻电厂的固体废弃物综合利用率已达到100%，社会效益和经济效益十分明显，对燃煤发电企业固体废弃物的资源化利用、发展循环经济具有非常好的示范作用[6]。

西山煤电集团公司是全国首批循环经济试点单位之一，针对所属电厂粉煤灰等固体废弃物大量堆存的问题，建设了年产20万m3粉煤灰陶粒项目和年产30万m3粉煤灰加气混凝土砌块项目，采用全智能化生产线，实现变废为宝、循环发展，每年再利用的粉煤灰、炉渣量约30万t。公司生产的产品容重轻、强度高、导热系数低、稳定性好，是新型材料工业的发展方向。该项目的实施，对燃煤发电企业利用固体废弃物生产绿色建材、推动循环经济转型发展具有重要的战略意义[7]。

针对内蒙古大唐国际托克托发电公司粉煤灰的富铝特性，中国大唐集团启动了高铝粉煤灰资源化利用的技术攻关与产业化探索，在科技部“国家科技支撑计划”和“863”计划支持下，依托国家能源高铝煤炭资源开发利用重点实验室等研发平台，经长期开拓性研究与产业示范，建成投产了粉煤灰年产20万t氧化铝生产线。该项目被国家发改委确定为产业示范，形成了具有自主知识产权的高铝粉煤灰提取氧化铝多联产技术和装备体系，以高铝粉煤灰提取氧化铝为核心，形成了我国特色的高铝煤炭-发电-高铝粉煤灰-氧化铝-铝合金-环境材料-化工填料-绿色建材的循环产业链。技术成果获得了国家科技进步二等奖、国家能源局科技进步二等奖等多项荣誉[8]。

在宁海临港经济开发区科技园，国华宁海电厂利用区域优势，联合周边的水泥厂、建材厂等企业，构建上下游产业间资源综合利用的循环经济产业链。形成了“煤炭-电力-粉煤灰-水泥”、“煤炭-电力-粉煤灰-新型墙体”、“煤炭-电力-脱硫石膏-石膏板”等循环产业链。产生的灰、渣、石膏供给水泥厂和建材企业，不但减少了封闭灰场的建设，有效节约土地资源和管理成本，降低扬尘污染，而且通过销售这些灰渣，获得一定的资金收益，实现生态责任和经济利益的平衡发展[9]。

山西漳电国电王坪发电有限公司为节约处置费用，提高企业经济效益，同时消除传统固废处置方式带来的环保压力，积极开展固体废弃物综合利用技术创新，该公司分别建设了石膏粒化项目和25万t橡塑填料级粉煤灰绿色高值化加工项目，实现节约资源、消除污染、保护环境、化害为利等目的，对发展企业循环经济建设起到了促进作用[10]。

在工业发达国家，燃煤发电企业对固体废弃物资源化利用的研究起步较早而且技术成熟。美国、欧盟、日本等发达国家和地区经过30余年的研究实践，建立了固体废物全过程精细化管控体系，不断研发和应用新的技术工艺，提高固废资源化产品的附加值。以化工、能源和农业为主体，规划建设生态工业园项目，通过把不同的工厂联结起来，形成共享资源和互换副产品的产业共生网络，实现企业之间的循环经济运行模式[11]。

例如丹麦卡伦堡工业园区，它是学者们最常引用的生态工业园区原型典范。该工业园区以Asnaes电厂为核心，协同炼油厂、制药厂和石膏板材厂等企业发展循环经济联合体。电厂为园区居民、工厂集中供汽供热，热电联产提高了燃料利用率，先进的废水处理技术使水资源可以在共生企业间多级利用，脱硫设备生产的石膏作为代替天然石膏的原材料被卖给石膏板厂，发电产生的粉煤灰，被用于基础建设和水泥行业。全系统每年约节省4.5万t石油、1.5万t煤炭、60万m3淡水，减排17.5万t二氧化碳和1.02万t二氧化硫，还使13万t炉灰、4500 t硫、9万t石膏、1440 t氮和600 t磷实现资源化重新利用。据统计，卡伦堡生态工业园区由此产生的经济效益每年约1000万美元。卡伦堡生态工业园的网络组成见图2[12]。20世纪90年代，日本北海道电力公司就开始探索粉煤灰的资源化利用，独立自主开发并投产了“利用粉煤灰生产干式脱硫剂”等多个固体废物循环利用项目，并且进一步研究了脱硫剂废料的综合利用新途径[11]。近几年“高温水合技术装备加工高浓度粉煤灰复合树脂新材料项目”已在日本实现产业化，运行状况良好。在德国，资源化利用脱硫副产品是烟气脱硫应用的基本组成部分，电厂脱硫石膏被大量运用于水泥缓凝剂的生产，其余用于生产建筑石膏、石膏板、建筑用构件、自流平石膏、α型与β型半水石膏等新型建筑材料[13]。

4 资源化利用的建议

目前我国工业固体废弃物综合利用率已达70%以上，虽呈现整体向好趋势，但与一些发达国家相比还有一定的提升空间。受原材料品质、地域、技术及市场等因素限制，还存在各地区利用不均衡的问题。为此，针对燃煤发电企业固体废弃物的资源化利用提出以下4点建议。

a.加大对固体废弃物资源化利用的重视，完善管理制度，建立资源化管理体系。提高生产的粉煤灰、炉渣及脱硫石膏品质的稳定性，以此更好地加以利用。

b.因地制宜，积极寻求适合企业特点的固废处理方案，将现有技术成熟、工艺简单、投资少、效益高的处理方式更普遍地应用到工业化生产中去。

c.开展自主创新，发挥企业的主动性，加大科研投入，加强“政-校-企”合作，拓展固体废弃物高附加值利用，同时关注二次污染等问题。

d.利用企业之间的物流、能流、信息流建立资源共享利用网，通过废物交换、循环利用、清洁生产等手段，发展绿色生态产业链。

5 结束语

综合以上讨论，将原本危害环境的固体废弃物资源化利用，能够取得良好的经济效益、环境效益和社会效益。随着垃圾分类管理、“城市矿产”示范基地、“无废城市”建设等多项工作的深入推进，固体废弃物资源化利用的重要性及紧迫性持续提升。尽管我国固废资源化利用技术的整体水平还有待于进一步提高[14]，但固废资源化利用空间巨大，高附加值、高新技术以及规模化综合发展成为必然趋势。未来工业固废再生市场将进一步扩大，燃煤发电企业应把握产业升级机遇，积极建立区域经济产业合作，加强“产、学、研、用”项目攻关，强化自主科研创新，攻克整装成套的固废资源化利用技术，推广引进固废利用新工艺、新装备，推动工业固废资源化利用产业快速、健康发展。目前国内有很多企业正在积极研发固废资源化利用的自主技术，并且已经取得了突破性进展，固废综合利用治理体系，正在成为新时代绿色发展不可分割的组成部分。通过高效率、多途径、多价值的资源化利用固体废物，提高环境资源配置效率，实现工业生产污染物“零排放”，推进企业经济发展的生态和绿色化转变，为我国生态文明建设提供支持。