第1章　概述

當前，許多國家都已從歷史的發展進程中認識到必須重視“工業廢渣”資源的開發利用，它可以起到有效緩解自然資源、能源危機的作用，同時帶來較大的環境效益[1]。尤其是20世紀70年代中期世界性能源危機后，許多國家發電廠的燃料結構發生了變化，都加快轉向以煤炭為主要燃料的進程。據資料介紹，1979年各國電力系統用煤量占全國煤耗總量比例為：蘇聯50%、英國45%、美國70%。隨著燃料油以及天然氣效率的降低和核動力的緩慢發展，用于電力系統的煤炭量逐年增長，1985年，美國電力系統用煤量在7.0×108t以上。由于科技進步，1974年美國首先在內政部編輯的礦物年報中，將粉煤灰作為一種礦物資源，并列為國家最豐富的第七位固體礦物。1982年中華人民共和國國務院有關領導批示要重視粉煤灰資源化的研究。特別是1987年9月作為國家經委負責資源利用的朱镕基同志，提出了要把粉煤灰作為資源綜合利用的突破口，在此指導下，國內粉煤灰的利用又掀起了一個高潮[2]。近年來，我國的發電能力連年增長，電力工業的迅速發展，帶來了粉煤灰排放量的急劇增加，燃煤熱電廠每年所排放的粉煤灰總量也在逐年增加，2009年我國粉煤灰的產量達到了3.75×108t，相當于當年中國城市生活垃圾總量的兩倍多，2010年9月15日，國際環保組織綠色和平在北京發布《煤炭的真實成本——2010中國粉煤灰調查報告》指出，固體廢棄污染物粉煤灰的綜合利用率普遍遭到電力行業的夸大，中國電力企業粉煤灰的綜合利用率實際只有30%左右，而我國當時國家政策要求的綜合利用率應達到60%以上。2015年，我國煤炭消費達3.698×109t，其中電力行業用煤1.839×109t，粉煤灰排放達6×108t左右。火力發電產生的粉煤灰排放已經成為當時中國工業固體廢物的最大單一污染源，但這種對環境和公眾健康損害巨大的污染物卻長期被忽視，因而不斷提高粉煤灰的綜合利用率使其變廢為寶在節約土地和環境保護方面意義深遠。在很長一段時間內粉煤灰仍然會源源不斷地排放，利用粉煤灰仍然是人類的一個重要任務[3]。

1.1　粉煤灰的特性

粉煤灰是現代燃煤電廠的副產品，它是在燃煤供熱、發電過程中磨成一定細度的粉煤在粉煤爐中經過高溫燃燒后，由煙道氣帶出并經除塵器收集的粉塵。粉煤灰是一種固體廢物，如果不合理處理粉煤灰，不僅會占用耕地，造成土壤、大氣、水體等污染，而且危害人體的健康和生態環境[4]。

火力發電廠的鍋爐是以磨細的煤粉作為燃料的，當煤粉噴入爐膛中，就以細顆粒火團的形式進行燃燒，充分釋放熱能。燃燒后的灰渣，因原煤灰分含量不同，一般占原煤質量的15%～40%。普通煤粉鍋爐的灰渣有兩種形態：一種是從排煙系統中用除塵設施收集下來的細粒灰塵，叫作粉煤灰或飛灰，為灰渣總質量的70%～85%，其中包括一些極細的顆粒，這些顆粒經煙囪口排入大氣中，集塵設備效率越低，飛逸的極細顆粒越多；另一種是在爐膛黏結起來的粒狀灰渣，叫作爐底灰或灰渣，這些灰渣落入鍋爐底部，有的結成大塊，經破碎從爐底排出，占灰渣總質量的15%～30%。此外，還有一些燃燒煤粉的鍋爐，如液態排渣爐，由于其爐膛燃燒溫度較高，部分灰渣熔融成液體狀態的熔渣，下落到爐底，被水驟冷，結成玻璃態的渣粒，叫作液態渣。液態爐的液態渣和粉煤灰分別為40%、60%。另外，還有一種“旋風爐”，其爐膛燃燒溫度比液態爐設計要高，所以熔融的液態渣的比例可以高達75%～85%，而粉煤灰僅有15%～25%。火電廠的粉煤灰、爐底灰、液態渣，再加上老式鍋爐如鏈條爐等爐排上收集下來的煤渣，統稱為“電廠灰渣”，如果再包括其他工廠的煤炭灰渣，則統稱為“燃煤灰渣”，其中粉煤灰是一種自然界所不存在的而由人工過程產生的粉狀礦物質資源。

在鍋爐操作時，煤粉與高速氣流混合在一起，噴入爐膛的燃燒帶中，使煤粉顆粒里的有機物質得到充分的燃燒，但燃燒的完全程度取決于鍋爐效率和操作水平。運行良好的現代化電廠的煤粉爐爐膛最高溫度可以達到或超過1600℃。在這樣的溫度下，足以使灰分中除了少量石英（細粒的結晶）以外的所有礦物全部熔融。可是多數舊電廠鍋爐的實際燃燒溫度要比上述溫度低得多，在較低的溫度下，只能熔融一小部分的無機物質。而且爐膛溫度并不是十分均勻的，也就是說，即使在同一臺鍋爐中，粉煤灰燒成的條件也不完全相同，更不必說不同的鍋爐了。

在燃燒過程中，煤炭中的無機雜質發生了一系列的反應和變化，含水的礦物如黏土、石膏等一一脫水，碳酸鹽中的二氧化碳與硫化物中的二氧化硫和三氧化硫排出，還有堿在高溫下揮發。其中，較細的粒子隨氣流掠過燃燒區，立即熔融，到了爐膛外面，受到驟冷，就將熔融時由于表面張力作用形成的圓珠的形態保持下來。成為玻璃微珠。煤粉的粒子越細，越容易成球。其中有些熔融的微珠內部，截留了爐內氣體，形成了空心微珠。另有一些微珠，團聚在一起或粘連在一起，就形成魚卵狀的復珠（子母珠）和粘連體。可是也有一些來不及完全變成液態的粗灰，結果變成了渣狀多孔玻璃體（海綿狀玻璃）。在冷卻過程中，還有—些冷卻比較緩慢而再結晶的礦物以及在顆粒表面上生成的結晶礦物和化合物，還有一些獨自存在的未熔融的石英礦物。此外，從化學成分來看也不是均勻的，所謂的粉煤灰化學成分分析，只能表示粉煤灰中各種顆粒混合物的化學成分平均值。換言之，按單個顆粒而言，化學成分是有很大差異的。

總之，粉煤灰實際上是一些礦物組成不同、粒徑粗細不同、顆粒形態不同、各種顆粒組合的比例不同的機械混合物。粉煤灰的“先天不足”正是由于這種不均勻性、差異性和多變性造成的。從應用角度而言，受到充分燃燒最終形成的玻璃微珠含量越多越好。

1.2　粉煤灰的危害

由于多方面的原因，我國的粉煤灰利用率還比較低，大部分還是儲存在灰場，仍有少量粉煤灰飄入大氣之中。政策規定不允許向江河湖海排放粉煤灰，但是由于排灰設施不夠完善和存在管理方面的問題，仍有少量粉煤灰連同灰水流入水體。這些都對環境構成污染源，造成多方面的危害。

（1）儲灰占地，污染土壤

土地是農業生產的重要基地和物質基礎，它不僅向人類供給資源和能源，同時還接納經過開采、加工、調配、消費后的水、氣、固體物等各種廢棄物。土地是人們賴以生存的最基本的元素，是極其寶貴的自然資源。

據統計到2012年為止，我國土地資源總面積為144億畝（1畝=666.7m2，下同），具有如下主要特點：a.山地多（含丘陵，占土地總面積的2/3），平地少（占1/3）；b.較難利用的沙漠、戈壁、高寒荒漠、石山和冰川以及永久積雪地的面積較廣，約占土地總面積的18%；c.在可供農用的土地中，草地比例最大（占土地面積的41.58%），林地次之（占17.95%），耕地最少（僅占14.21%）；d.耕地質量不高（高產田不及1/3），退化嚴重，可耕地的后備資源少。由于電廠遍布全國各地，又多建于城市或市郊，因此不少儲灰場占用了大量的可耕地，并且對周圍的土壤造成了污染。

粉煤灰對土壤的污染，除了直接侵占污染外，并通過水、空氣進行擴散污染。

1）通過水體污染　我國的粉煤灰多以水沖形式輸送或排放，灰中的可溶物和不溶顆粒，無論是從儲灰場溢出，還是排入小溪匯入江河，最終又被灌溉進入土壤，從地表向下滲透。其中的微量元素、重金屬及少量放射性元素等有害成分，隨之擴散、遷移、積累，有時還有可能污染地下水。如果超過標準限量，則會轉移到農作物、莊稼、蔬菜、水果等食品中，危害人們的健康。

2）通過大氣污染　在收塵設備運行過程中，粒徑小于10μm的粉煤灰很難被收塵器所捕集，常常隨煙道氣排放至空氣中，隨著空氣的流動飄逸擴散；儲入灰場的粉煤灰在干燥狀態時，若未經表面團化處理，也會隨風飛揚，這些顆粒會逐漸落至地面，污染土壤表層。與粉煤灰同時生成的二氧化硫、氮氧化物等氣體，隨著雨、雪等落至地面，也污染土壤。

（2）污染大氣

潔凈的空氣是維持生命的重要因素，人們呼吸新鮮的空氣甚至比水和食物還重要。

我國的燃煤電廠，由于除塵器的運行狀態各不相同，每年都有數百萬噸粉煤灰排放到大氣中，造成了大氣粉塵污染。粉煤灰即使儲入灰場灰堆，表面因水分蒸發而干燥，若有四級以上的風力、陣風，即可剝離1～1.5cm厚的灰層，將粉煤灰高高吹起達20～50m，造成局部地區的大氣污染[5]。懸浮于大氣中的粉煤灰，能散射和吸收陽光，減弱太陽對空氣和物體的照度，使物體與其背景反差減小，從而降低能見度。能見度的降低，不僅影響環境美觀，而且對空航、船航、行車以及各種工作造成惡劣影響。

粉煤灰中的顆粒物在空氣濕度較大時，對金屬表面有腐蝕作用，還會侵蝕和沾污建筑物、雕塑制品、涂料表面以及衣著服裝等。

彌散于空氣中的粉煤灰顆粒物對動物和人類的毒害更為嚴重。粒徑大于10μm的顆粒，幾乎都可以被鼻腔和咽喉所捕集，不進入肺泡。粒徑10μm以下的顆粒對人體危害大，其危害程度，除受人的呼吸次數和呼吸量影響外，還與顆粒大小有密切關系。粉煤灰顆粒物不僅使上呼吸道的慢性炎癥發病率提高，還使呼吸道及肺部的各種防御功能相繼破壞，人體抵抗力逐漸下降，對疾病感染的敏感性加大。這時微生物的侵襲便向細支氣管和肺泡發展，繼而誘發慢性阻塞性肺部疾病隱患以及繼發性感染癥，不斷增加心肺負擔，使肺泡的換氣功能下降，血管的阻力增加，肺動脈壓力上升，最后右心室肥大，右心功能不全而導致肺心病。

（3）污染水體，浪費水資源

水是一切生命有機體的重要組成部分，人體中水占70%，沒有水就沒有生命。水又是生態系統中使能量流動與物質循環的介質，對調節氣候和凈化環境起著重要作用。因此，水是人類生產、生活的重要資源，水與人類的生存與發展休戚相關。

目前我國的燃煤電廠，由于儲灰設施不夠完善，粉煤灰利用率又不高，尚有不少粉煤灰連同沖灰水的排放而排入水體，成為水泵中的一個重大污染源。

粉煤灰連同沖灰水一起進入水體，形成沉積物、懸浮物、可溶物，造成各種危害。實驗證明如果向流量為1000m3/s的江河中排放1000t粉煤灰，水的濁度將增加6倍，流經500km處，水體中都能檢測出粉煤灰。水濁度的增加，會減少水體中綠色植物的陽光，堵塞濾池，覆蓋魚的巢穴，妨礙魚的產卵、覓食等，危害水生動植物的生長和繁殖。作為工業用水，由于濁度增加，會腐蝕渦輪、水泵、管道等設備。顆粒較大的粉煤灰進入水體后，逐漸沉積，會提高水體床面，影響河流、湖泊、水庫的正常功能，甚至堵塞航道，造成危害。

我國大部分電廠采用濕排灰工藝，輸送或排放1t粉煤灰，約需2t水，每年約消耗排灰水1.1×109t以上。為了排灰，不僅浪費了大量的水，而且消耗了大量的電能[6]。

國內外無數事實證明，環境污染實質上大多數是由于資源和能源的浪費所致，大量的能源和資源，用之為寶，棄之則為害。粉煤灰同其排灰水的任意排放所造成的危害即是明顯的例證。

1.3　粉煤灰綜合利用的重要意義

我國是一個產煤大國。以煤炭為電力生產基本燃料的國策在長時間內不會改變。近年來，我國的能源工業穩步發展，發電能力年增長率約為7.3%。每燃燒1t原煤，能產生粉煤灰250～300kg，還有20～30kg爐渣。無論是煤粉爐、鏈條爐，還是沸騰爐，灰渣排放總量約為燃煤總量的1/3。每發1kW·h的電，需標準煤約300g，產生粉煤灰約100g。燃煤發電機組，1kW的裝機容量，年排放粉煤灰1t左右。電力工業的迅速發展，帶來了粉煤灰排放量的急驟增加。燃煤熱電廠每年所排放的粉煤灰總量逐年增加，1995年粉煤灰排放量達1.25×108t，到2000年達到約1.53×108t。2009年我國煤炭產量在3.01×109t左右，排灰量約為4.5×108t。2014年粉煤灰產量大約為5.5×108t。2015年全國粉煤灰產生量達到5.7×108t。國際環保組織綠色和平在北京發布《煤炭的真實成本——2010中國粉煤灰調查報告》指出：“中國所面臨的粉煤灰問題的規模在全世界都是絕無僅有的，粉煤灰是火力發電的必然產物，每消耗4t煤就會產生1t粉煤灰。中國的火電裝機容量從2002年起呈現出爆炸式的增長，因此，粉煤灰排放也在過去8年內增長了2.5倍，綠色和平在粉煤灰樣品中還檢測出20多種對環境和人體有害的物質，其中包括可能導致神經系統損傷、出生缺陷甚至癌癥的重金屬。按照報告的估算，中國每年約有2.5×104t的鎘、鉻、砷、汞和鉛這五種國家重點監控的重金屬隨粉煤灰的排放進入到自然環境中。綠色和平針對部分火電廠灰場附近的地表水和地下井水的檢測也顯示出多種有害物質的濃度超過了國家的相關標準。在調查的14家火電廠中，大多數灰場的選址和防揚散、防滲漏、防流失措施遠不足以達到有效防治粉煤灰環境污染的目的。粉煤灰中的有害物質已不可避免地污染了周圍的土壤、空氣和水，不僅威脅到附近居民的身體健康，還會通過食物鏈危害到更大的公眾群體。”[7]由此可見，粉煤灰問題不僅造成了資金和土地資源的浪費，更重要的是造成了嚴重的大氣污染、土壤污染和水資源污染，危害人類的健康。

粉煤灰是一種放錯地方的資源，我國是一個人均占有資源儲量很有限的國家，而粉煤灰可以作為一種再生資源卻成為了污染環境和危害人類健康的廢棄物，沒有得到有效利用，這是可持續發展中必須解決的資源回收利用問題。

粉煤灰可用作水泥、砂漿、混凝土的摻合料，并成為水泥、混凝土的組分，粉煤灰可作為原料代替黏土生產水泥熟料，制造燒結磚、蒸壓加氣混凝土、泡沫混凝土、空心砌磚、燒結或非燒結陶粒，鋪筑道路；構筑壩體，建設港口，用于農田坑洼低地、煤礦塌陷區及礦井的回填；也可以從中分選漂珠、微珠、鐵精粉、碳、鋁等有用物質，其中漂珠、微珠可分別用作保溫材料、耐火材料、塑料、橡膠填料。因此開展粉煤灰的綜合利用，變廢為寶、變害為利，已成為我國經濟建設中一項重要的技術經濟政策，是解決我國電力生產與環境污染、資源缺乏之間矛盾的重要手段，也是電力生產所面臨解決的任務之一。

參考文獻

[1]李策鐳.我國粉煤灰資源利用現狀趨勢及根本出路.建筑節能，1993（1）：34-37.

[2]俞海勇.粉煤灰顆粒群特征及其與混凝土性能關系的研究.上海：同濟大學，2002.

[3]盧國懿，薛峰，趙江濤.對我國粉煤灰利用現狀的思考.中國礦業，2011（S1）：193-195.

[4]宋益慶，張捷，孫海峰.粉煤灰的資源化利用.黑龍江環境通報，2004，28（3）：31-32.

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[6]蘭青.輕質高強高摻量粉煤灰雙免磚的研制.武漢：武漢大學，2002.

[7]董金發.粉煤灰堆場遙感信息提取研究.北京：中國科學院大學，2013.