山西省粉煤灰綜合利用現(xiàn)狀分析

李志勇

（忻州市環(huán)境保護(hù)研究所，山西 忻州 034000）

進(jìn)入21世紀(jì)以來，隨著電力體制改革與多元化投資火電廠的蓬勃發(fā)展，山西省煤電行業(yè)發(fā)展迅速，火電裝機(jī)容量呈直線上升趨勢。2013年，全省火電裝機(jī)容量較上一年度增長了3倍，達(dá)到5 202萬千瓦；發(fā)電量由2000年的620億kW·h增長到2013年的2 527億kW·h。隨之，粉煤灰的產(chǎn)生量急劇增加，從2000年的805萬t躍升到2013年的4 799萬t，產(chǎn)生量增加了近5倍［1］。

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，山西省歷史累計(jì)堆存灰量約1.5億t，永久性儲灰場近百座，約四分之三為山谷型堆場，四分之一為平原型堆場。其中，多數(shù)為年代久遠(yuǎn)的老灰場，缺乏相應(yīng)的防護(hù)措施，安全隱患大，部分灰場已廢棄，處于無人監(jiān)管狀態(tài)；有些處于運(yùn)營狀態(tài)的灰場，也存在著揚(yáng)塵、防滲、導(dǎo)流等污染防治措施不到位的情況，導(dǎo)致多數(shù)灰場揚(yáng)塵，地表水、地下水污染，以及土壤鹽堿化等環(huán)境問題突出；部分灰場由于建設(shè)初期選址不合理，還存在著與區(qū)域用地規(guī)劃沖突，容易引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害等其他問題。全省灰場環(huán)境治理的任務(wù)十分艱巨。

1 粉煤灰的主要危害

大量排放粉煤灰會(huì)嚴(yán)重危害到人們的生產(chǎn)與生活，具體表現(xiàn)在以下方面：

1.1 嚴(yán)重污染大氣

就煤煙型污染城市來看，主要污染物是大氣氣溶膠。其中，粉煤灰是懸浮顆粒物的主要貢獻(xiàn)。而且，由于粉煤灰顆粒微細(xì)，大量堆存的粉煤灰在大風(fēng)條件下極易形成揚(yáng)塵，造成空氣污染。

1.2 對土壤產(chǎn)生污染

從全省粉煤灰的實(shí)際排放情況來看，呈現(xiàn)出逐年增加的趨勢。但現(xiàn)階段大部分為灰場貯灰，堆存粉煤灰勢必會(huì)對土地造成侵占，兩者間的矛盾日益突出。建設(shè)儲灰場主要是從環(huán)境保護(hù)的角度出發(fā)，但是在建設(shè)灰場與灰場的具體運(yùn)行中，環(huán)境污染問題必然會(huì)產(chǎn)生。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每堆貯1萬t粉煤灰就需占用灰場面積2 667m2～3 333m2，造成了土地資源的極大浪費(fèi)［2］。此外，當(dāng)進(jìn)入土壤的粉煤灰中蘊(yùn)含的微量元素值高于臨界值時(shí)，污染物就會(huì)向環(huán)境中輸出，污染別的環(huán)境要素，土壤的結(jié)構(gòu)、組成與具體的功能等都會(huì)出現(xiàn)變化，造成周邊土地鹽堿化現(xiàn)象，土壤資源受到破壞，甚至?xí)l(fā)生枯竭。

1.3 對水體造成污染

地表徑流粉煤灰隨風(fēng)或者隨天然降水最終會(huì)進(jìn)入湖泊、河流，對地下水造成污染，并會(huì)隨著滲瀝水向土壤中滲透，滲入到地下水中，這樣就會(huì)出現(xiàn)二次污染。國內(nèi)外大量研究已經(jīng)證明，粉煤灰滲瀝水會(huì)在一定程度上污染地下水，表現(xiàn)在水體pH值升高，Cr、As等有害有毒元素增加。粉煤灰若排入河道中，則會(huì)造成河道發(fā)生阻塞。

1.4 對人類健康造成危害

粉煤灰不僅會(huì)對土壤、水資源、空氣造成污染，而且會(huì)對人們的生活產(chǎn)生直接的影響。人們?nèi)粼诟叻蹓m環(huán)境下長期生活，容易引發(fā)上呼吸道感染、鼻炎、咽炎等疾病。同時(shí)，土壤中還會(huì)累積很多存在于粉煤灰中的放射性元素，再通過植物吸收放射性元素，最后進(jìn)入食物鏈，抵達(dá)人體［3］。

2 粉煤灰的綜合利用產(chǎn)業(yè)延伸

粉煤灰主要源自煤中的灰分，化學(xué)組成主要是SiO2、Al2O3、Fe2O3，三者合計(jì)占70%以上。除此之外，還有鈣、鎂、鉀、鈉等氧化物。粉煤灰的化學(xué)組成很大程度上取決于原煤的無機(jī)物組成和燃燒工況，因煤的產(chǎn)地、種類、燃燒爐型、排灰方式等不同而不同。由于粉煤灰的容重小、質(zhì)地輕、非常容易黏結(jié)，因此可廣泛用于市政建設(shè)材料、建筑建材、工業(yè)建材原料。近幾年來，常常被作為物理性改良劑，應(yīng)用于黏質(zhì)土壤中。以粉煤灰的化學(xué)性質(zhì)為依據(jù)，其具有非常廣泛的用途，例如，可以作為農(nóng)業(yè)化肥原料、土壤的化學(xué)改良劑、園藝的人造土，還能夠?qū)⑵渥鳛榱蚧锏某騽⑽鬯鷦┑?。在?shí)際生產(chǎn)生活中，基于粉煤灰的理化性質(zhì)，有多重利用方向和模式。山西省粉煤灰的化學(xué)組成范圍見表1。

1）粉煤灰中SiO2和Al2O3的含量較高，其組成與黏土類礦物的組成相似。而且，粉煤灰里面有活性氧化鈣存在，與水相遇后會(huì)產(chǎn)生氫氧化鈣，之后和氧化鋁、二氧化硅發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生水硬性的鋁酸鈣與硅酸鈣。所以，粉煤灰具有一定的凝硬性特征。這樣，隨著時(shí)間的延長，其強(qiáng)度得到改善，抗變形性增強(qiáng)。此外，將粉煤灰摻入其中還有利于使水化熱降低，減少混凝土出現(xiàn)溫度裂縫的情況，混凝土就具有了更強(qiáng)的防腐蝕性與抗?jié)B性。所以，粉煤灰是制備水泥和免燒磚等建筑材料的理想替代原料［3］。

表1 山西省粉煤灰的化學(xué)組成范圍

2）粉煤灰屬于人工火山灰經(jīng)過混合產(chǎn)生的一種材料，其本身具有一定的水硬膠凝性能，或者根本不具有這方面的性能。要使其存在狀態(tài)為液體或粉狀，可以在常溫或在水熱處理（蒸汽養(yǎng)護(hù)）環(huán)境中使其和堿土金屬氫氧化物，如氫氧化鈣，進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，生成一種具有水硬膠凝性能的化合物。這樣，形成的材料就具有了非常理想的耐久性與強(qiáng)度［4］。

3）粉煤灰是具有粉狀形式的礦物資源，我國內(nèi)蒙準(zhǔn)格爾和晉西北等幾個(gè)大煤田產(chǎn)出的原煤中富含高嶺土，燃燒后產(chǎn)生的煤灰中氧化鋁和二氧化硅成分很高。其中，在資源化方面具有很高的利用開發(fā)價(jià)值。氧化鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)普遍在37%以上，有的氧化鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)42%以上；二氧化硅大都在48%左右；鐵、鈦、鈣、鎂等氧化物含量低，總量僅占10%左右?，F(xiàn)階段，這些煤田的原煤產(chǎn)量已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于5億t，使“高鋁”粉煤灰年排放量達(dá)到了上億噸，與我國鋁工業(yè)氧化鋁年產(chǎn)量比較，它的氧化鋁含量要高出很多，顯然，這是具有很高價(jià)值且蘊(yùn)藏豐富的鋁礦資源庫。我省的粉煤灰大多屬于高鋁粉煤灰。其中，氧化鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于30%的粉煤灰占全省粉煤灰產(chǎn)量的50%左右，是提取氧化鋁、生產(chǎn)鋁硅合金等高附加值粉煤灰產(chǎn)品的后備資源，可以作為鋁礬土的替代資源來制取鋁硅合金、結(jié)晶氯化鋁等含鋁產(chǎn)品，不僅可節(jié)省稀缺的鋁礬土資源，而且可以消納一定量的粉煤灰，提高粉煤灰的利用價(jià)值。

4）粉煤灰中的二氧化硅和氧化鋁等氧化物在高溫下容易反應(yīng)生成莫來石。莫來石是一種耐熔礦物，在高溫下比較穩(wěn)定，且具有較高的強(qiáng)度。因此，粉煤灰是制備耐火材料和陶瓷產(chǎn)品的理想原料。

5）煤粉中的礦物質(zhì)在燃燒過程中會(huì)發(fā)生相互反應(yīng)，生成硅鋁酸鹽。高溫下，硅鋁酸鹽之間容易形成低溫共熔體，從而發(fā)生熔融而生成玻璃體。因此，玻璃體是粉煤灰中的主要組分之一。其中，大部分玻璃體是以空心微珠的形式在粉煤灰當(dāng)中存在。由于煤粉鍋爐里面存在一定的空心微珠，這樣就顯著提高了粉煤灰的利用價(jià)值。首先，空心微珠因其具有質(zhì)地輕、高熔點(diǎn)、中空、具有很強(qiáng)的熱穩(wěn)定性、導(dǎo)熱系數(shù)不大、很強(qiáng)的耐壓性等優(yōu)點(diǎn)，而成為應(yīng)用較為廣泛的輕質(zhì)耐火保溫隔熱材料；其次，空心微珠具有良好的絕熱性、質(zhì)量輕以及很高的強(qiáng)度，能夠作為填料應(yīng)用，較多用于橡膠、塑料、人造大理石、樹脂等材料的生產(chǎn)中。同時(shí)，空心微珠在化工、石油、航空航天、精密陶瓷等領(lǐng)域利用的前景也十分廣闊。

6）多孔玻璃體、低鐵質(zhì)玻璃微珠燒結(jié)性良好，在對陶瓷制品、燒結(jié)磚制作過程中可以將其作為原料。同時(shí)，有莫來石晶體存在于這些顆粒當(dāng)中，對于耐火材料工業(yè)來說尤為重要，以粉煤灰作為原料，能夠生產(chǎn)出與國家標(biāo)準(zhǔn)相符合的莫來石熟料。

7）在化工、環(huán)保領(lǐng)域，粉煤灰顯現(xiàn)出巨大的利用潛力。首先，鍋爐中粉煤灰對超細(xì)飛灰、SO2原本就具有一種吸附能力，可顯著降低大氣顆粒物、有害氣體的排空；其次，粉煤灰能夠?qū)ξ鬯写嬖诘挠泻υ剡M(jìn)行吸附，若與分子篩結(jié)合，可顯著增強(qiáng)分子篩吸附能力。第三，粉煤灰的孔隙結(jié)構(gòu)非常豐富，表面積較大，可以吸附有害氣體，利用粉煤灰制作的綠色板材，不僅強(qiáng)度較大，而且可以吸附室內(nèi)的甲醛等有害氣體，具有廣闊的應(yīng)用前景。

8）蘊(yùn)藏于粉煤灰之中的輕質(zhì)金屬氧化物依托先進(jìn)的技術(shù)工藝可生產(chǎn)碳金材料。碳金材料在阻燃、防水、抗折、翹曲度、抗沖擊等方面均能夠達(dá)到家具制造相關(guān)要求，而且碳金材料的甲醛含量較國家標(biāo)準(zhǔn)還要低幾十倍，可達(dá)到歐盟標(biāo)準(zhǔn)。此外，粉煤灰天然的吸附性在生產(chǎn)碳金材料過程中并沒有被破壞，同時(shí)回收再利用的粉煤灰，還可以被開發(fā)成非木裝飾材料的門、窗等高檔家具，為粉煤灰的資源性注入了強(qiáng)大的活力，更使粉煤灰利用賦予環(huán)保內(nèi)涵。

另外，粉煤灰的物理性狀與粉砂壤土、砂壤土非常相似，從其化學(xué)成分來看也和土壤具有很高的相似性，且含有非常豐富的能夠滿足植物需要的營養(yǎng)元素。加之，由于有磁珠存在于粉煤灰中，使土壤的磁性顯著提高。所以，在土壤改良與農(nóng)肥制作時(shí)可以應(yīng)用粉煤灰。

3 結(jié)論

關(guān)于粉煤灰的產(chǎn)生、堆存、處置問題已經(jīng)成為關(guān)系到經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型發(fā)展和人民生產(chǎn)生活的大事。就山西省目前狀況而言，一方面，粉煤灰產(chǎn)生量大；另一方面，粉煤灰的利用率較低，造成了粉煤灰產(chǎn)生與利用之間嚴(yán)重不平衡的局面。打破這個(gè)局面的關(guān)鍵在于，提高粉煤灰的利用率，實(shí)現(xiàn)粉煤灰的高效循環(huán)利用，使粉煤灰產(chǎn)出量和利用量基本平衡。為此，有必要通過在科技、人才、金融、實(shí)業(yè)等方面的大力投入，共同促進(jìn)粉煤灰綜合利用的產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

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

［2］ 王寶民，張?jiān)矗n瑜.粉煤灰資源的綜合利用研究［J］.建材技術(shù)與應(yīng)用；2011（10）：10-13.

［3］ 郭廷杰.在煤電并舉中應(yīng)做好粉煤灰的綜合利用［J］.山西能源與節(jié)能；1997（4）：53-57.

［4］ 張曉峰，李旭祥.山西省煤矸石、粉煤灰資源化政策體系探討［J］.山西煤炭；2001（1）：55-59.