矸石电厂粉煤灰的无害化处理和综合利用Word文档格式.docx
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由于我国煤炭开采量大，煤矸石大量堆放形成无数座矸石山，不仅占用大量土地，而且还污染环境，给煤矿企业带来沉重的经济环境负担。
目前煤矿矸石大部分靠矸石电厂发电消耗掉，但是煤矸石的灰分高，约为65—85％，粉煤排放量大，而且这些电厂粉煤灰的利用率比较低，大多直接排放，对环境造成了很大的压力。
产出粉煤灰量多而质量较低，难以利用，使得矸石电厂粉煤灰大量堆积，并造成环境污染。
发电厂产生的粉煤灰如不加以利用，需占地堆放，积存量越大，占地越多，据估算，一万吨的粉煤灰，占地约1亩。
粉煤灰被收集后露天堆放，不仅占用了大量的土地，而且污染空气和堆积处的地下水源，对环境的危害很大。
粉煤灰治理普遍缺乏有效措施，露天堆置的粉煤灰场很可能导致严重的二次扬尘污染。
粉煤灰在处置过程中，如果没有防扬尘措施，粉尘会随风飘逸；
扩散到很远的地方，造成大气的粉尘污染，对人体的呼吸系统造成危害，同时将植物叶片的叶孔堵住，影响植物的光合作用、呼吸作用和蒸腾作用。
粉煤灰中又富集砷、铅和硒等重金属元素，它们很有可能会伴随沙尘暴长途迁徙，危害广大地域人民的身体健康。
粉煤灰储存厂周围应建有防渗设施，否则会使周围土地发生次生盐碱化，并且部分有害成份很容易经过风化雨淋随地表径流渗入土壤，从而杀死土壤中的微生物，使土壤丧失肥力，导致草木不生。
粉煤灰场扬起的粉尘随降水和地表径流排人河流、湖泊或海洋，或随风飘迁落入水体使地表水污染，随渗沥水
进入土壤，使地下水受到污染。
然而粉煤灰并不完全就像上文所说的那样一无是处，为了解决粉煤灰堆放中产生的一系列问题，中国的科技工作者经过多年研究论证，提出了一系列将粉煤灰“变废为宝”的综合利用方法。
例如粉煤灰可用作水泥、砂浆、混凝土的掺合料，并成为水泥、混凝土的组分，粉煤灰作为原料代替黏土生产水泥熟料的原料、制造烧结砖、蒸压加气混凝土、泡沫混凝土、空心砌砖、烧结或非烧结陶粒，铺筑道路；
构筑坝体，建设港口，农田坑洼低地、煤矿塌陷区及矿井的回填；
也可以从中分选漂珠、微珠、铁精粉、碳、铝等有用物质，其中漂珠、微珠可分别用作保温材料、耐火材料、塑料、橡胶填料等。
因此粉煤灰的综合利用大有前途，可以产生良好的经济效益和生态效益。
2粉煤灰的成分与性质
1.1粉煤灰的化学组成
我国火电厂粉煤灰的主要氧化物组成为：
SiO2、Al2O3、FeO、Fe2O3、CaO、TiO2、MgO、K2O、Na2O、SO3、MnO2等，此外还有P2O5等。
其中氧化硅、氧化钛来自黏土，岩页；
氧化铁主要来自黄铁矿；
氧化镁和氧化钙来自与其相应的碳酸盐和硫酸盐。
粉煤灰的元素组成（质量分数）为：
O47.83%，Si11.48%～31.14%，Al6.40%～22.91%，Fe1.90%～18.51%，Ca0.30%～25.10%，K0.22%～3.10%，Mg0.05%～1.92%，Ti0.40%～1.80%，S0.03%～4.75%，Na0.05%～1.40%，P0.00%～0.90%，Cl0.00%～0.12%，其他0.50%～29.12%。
由于煤的灰量变化范围很广，而且这一变化不仅发生在来自世界各地或同一地区不同煤层的煤中，甚至也发生在同一煤矿不同的部分的煤中。
因此，构成粉煤灰的具体化学成分含量，也就因煤的产地、煤的燃烧方式和程度等不同而有所不同。
下表是河南省10家矸石电厂的十三个粉煤灰样品的分析结果（见表1）。
此外粉煤灰中含有一些有害物质，主要有镉、汞、铅、铬、砷五种有毒微量元素及放射性铀、钍、锶、钾等核素，还有苯并芘等。
这些元素可以随煤灰水或者雨水渗入地下对土壤以及地下水造成污染，是粉煤灰有造成污染的主要原因之一。
表二为收集到的各电厂有害元素含量（见表二）。
1.2粉煤灰的结构及存在状态
粉煤灰的结构是在煤粉燃烧和排出过程中形成的，比较复杂。
在显微镜下观察，粉煤灰是晶体、玻璃体及少量未燃炭组成的一个复合结构的混合体。
混合体中这三者的比例随着煤燃烧所选用的技术及操作手法不同而不同。
其中结晶体包括石英、莫来石、磁铁矿等；
玻璃体包括光滑的球体形玻璃体粒子、形状不规则孔隙少的小颗粒、疏松多孔且形状不规则的玻璃体球等；
未燃炭多呈疏松多孔形式。
粉煤灰是以颗粒形态存在的，且这些颗粒的矿物组成、粒径大小、形态各不相同。
人们通常将其形状分为珠状颗粒和渣状颗粒两大类。
粉煤灰由多种粒子构成，其中珠状颗粒包括空心玻珠（漂珠）、厚壁及实心微珠（沉珠）、铁珠（磁珠）、炭粒、不规则玻璃体和多孔玻璃体等五大品种。
其中不规则玻璃体是粉煤灰中较多的颗粒之一，大多是由似球和非球形的各种浑圆度不同的粘连体颗粒组成。
有的粘连体断开后，其外观和性质与各种玻璃球形体相同，其化学成分则略有不同。
多孔玻璃体形似蜂窝，具有较大的表面积，易黏附其他碎屑，密度较小，熔点比其他微珠偏低，其颜色由乳白至灰色不等。
在扫描式电子显微镜下可以比较容易地观察到不规则玻璃体的存在。
渣状颗粒包括海绵状玻璃渣粒、炭粒、钝角颗粒、碎屑和粘聚颗粒等五大品种。
正是由于这些颗粒各自组成上的变化，组合上的比例不同，才直接影响到粉煤灰质量的优劣。
表一：
项目
SiO2/%
Al2O3/%
TiO2/%
Fe2O3/%
CaO/%
MgO/%
细度/%
烧失量/%
焦煤集团演马庄电厂粉煤灰
42.59
24.00
0.70
3.30
5.90
0.86
53.3
18.04
鹤煤集团电厂粉煤灰
33.25
16.64
0.42
2.82
2.66
0.12
96.2
41.42
义煤集团观音堂电厂粉煤灰
44.04
21.72
0.57
6.05
1.70
0.28
80.8
22.45
义煤集团跃进电厂2号炉干灰
57.87
19.97
0.78
7.28
5.46
0.95
56.3
2.31
义煤集团跃进电厂1号炉湿灰
55.93
19.14
0.74
8.02
4.35
1.13
65.1
6.06
郑煤集团东风电厂粉煤灰
48.45
23.95
0.64
3.50
5.14
0.65
53.1
14.64
平煤集团热电厂粉煤灰
41.85
26.50
0.76
5.05
7.33
0.73
46.9
13.80
平煤集团矸石电厂粉煤灰
40.26
25.41
0.63
4.32
0.67
55.9
18.69
平煤集团坑口电厂粉煤灰
54.19
28.94
0.52
4.88
4.92
0.69
25.1
2.47
焦煤集团热电厂湿灰
41.59
21.50
3.82
4.75
0.83
52.9
22.00
焦煤集团热电厂干灰
54.87
29.66
0.90
4.60
4.09
0.85
17.7
1.65
郑煤集团东风电厂湿灰
47.70
23.90
0.91
6.48
3.70
33.6
13.06
新峰矿务局电厂粉煤灰
51.32
27.72
0.79
4.40
1.21
0.55
23.0
1.45
表二：
粉煤灰有害元素含量mg/Kg
元素
Cd
Cr
As
Pb
Hg
徐塘电厂
0.127
62.07
2.88
23.87
0.514
韩庄电厂
0.270
99.33
5.42
37.58
0.495
梅溪电厂
0.031
67.62
5.60
30.51
0.134
秦岭电厂
0.32
71.20
13.20
76.20
0.09
马头电厂
0.20
60
-
34.50
0.30
焦作电厂
0.284
54.43
31.55
0.139
莱芜电厂
0.243
98.36
7.39
36.80
0.071
邵武电厂
0.274
67.85
9.63
28.81
0.435
太原二电厂
0.432
37.81
10.21
60.18
0.095
3粉煤灰的综合利用
粉煤灰的危害性主要是在其处于细粉或者灰泥状态时造成的扬尘对空气的污染以及渗漏造成的对地下水以及土壤的污染。
要实现其无害化，可以通过改变其存在状态和其化学组成的方式来减轻甚至消除其不利影响。
从而实现经济效益和生态效益的双丰收。
2.1基于粉煤灰中化学组分的应用
从表1中可以看出，粉煤灰中含量最高的两种物质是SiO2和Al2O3。
例如焦煤集团热电厂中的干灰中A12O3含量为29.66％，SiO2含量为54.87％，铝硅比为0.54,具有工业利用价值。
而提取氧化硅（又称白炭黑）后的粉煤灰（又称脱硅灰）中Al2O3含量达66％，工业利用价值更高。
2.1.1粉煤灰中二氧化硅的应用
沉淀白炭黑又称为沉淀水合二氧化硅，它是一种具有高比表面积、非晶结构、高活性的补强填充改性材料，因其具有特殊的表面结构和颗粒形态结构以及独特的物理、化学性质而被广泛应用，在浅色和彩色橡胶产品中具有炭黑无法比拟的优点，表面活性和补强性能也比碳酸钙、陶土、高岭土和云母等无机浅色材料优异得多。
沉淀白炭黑是生产浅色橡胶和塑料制品的良好补强剂、填充剂、润滑剂，是涂料的防沉剂,油墨的滴落防止剂，印刷油墨和黏结剂的补强性填充剂，合成树脂、纤维、增强塑料、纸张纤维、研磨剂、石蜡的填充剂，白色颜料和农药、树脂薄膜类的防黏着剂，粉末灭火器的分散基质材料等，并可用于制造润滑剂。
2.1.2粉煤灰中氧化铝的应用
近几年，我国氧化铝工业产量大幅提高，由2000年的433万t猛增到2008年的2278万t。
由于氧化铝产量的大幅增加，国内铝土矿资源接近枯竭（服务年限不到20a），因此氧化铝工业寻求廉价的替代资源已经迫在眉睫。
高铝粉煤灰是替代铝土矿生产氧化铝的主要资源。
氧化铝除作为电解铝原料外，通过进一步深加工，还是医药\装潢、电器、工业用药剂（如选煤厂煤泥水沉淀用药剂）的原料之一，具有广泛的利用价值。
要想从粉煤灰中提取氧化铝，首先要提取氧化硅，使原料中的铝成份增加，以降低加工成本；
然后采用碱石灰烧结法提取氧化铝。
该工艺的特点是能达到较好的氧化铝溶出率，生产成本低。
在先提取白炭黑后，脱硅灰中的碱即可满足氧化铝生产工艺对碱耗的需要，且有富余，不需要单独添加纯碱，另外，苛化渣用作氧化铝生产中的石灰石原料，整个工艺中的石灰和二氧化碳基本平衡，各种原料能得到充分利用。
2.1.3灰渣的应用
从粉煤灰中提取氧化硅和氧化铝时需要添加铝土矿、石灰石等原料，必然产生大量废渣（又称赤泥），如果不加以利用，不仅增加占地面积，同时污染环境。
由于产生的废渣具有低碱特性，所以采用合适的熟料配方，经脱水处理后，硅酸二钙和碳酸钙约占总量在80％以上，可全部用于制取硅酸盐水泥，真正起到“吃干榨净”的作用。
2.1.4粉煤灰作农业肥料
粉煤灰就其本身而言，它是一种含有多种元素的复合肥，粉煤灰中含有大量的可溶性硅、钙、镁、磷等农作物必需的营养元素，由它制成的各种复合肥，施于土壤，增加土壤的有效成份，提高土壤的肥力。
如果利用粉煤灰生产磁化肥，则效果更好。
磁化肥是将大量粉煤灰添加少量添加剂，经强磁场磁化制得，为农业提供大量肥源的同时，既减轻了长期施用化学肥料对环境的污染和土壤板结，又可减少粉煤灰长期堆放造成的环境问题。
将电厂的粉煤灰直接转化优质农业用肥，既减小了粉煤灰长期堆放造成的环境污染和占地费用，也充分显示了良好的经济效益和社会效益。
2.2基于粉煤灰物理性质的应用
2.2.1粉煤灰在土壤改性中的应用
粉煤灰具有良好的物理化学性质，可广泛用于改良土壤，一是对于粘土施用粉煤灰后，可以改善土壤的可耕性；
二是对于盐碱地，秋后每亩施用2O吨的粉煤灰，能够改善土壤的透水、透气性；
三是由于粉煤灰呈灰黑色，吸热性能好，施入土壤后，一般土层温度提高1—2度，地温的提高有利于植物的生长发育；
四是提高土壤的保水能力。
2.2.2粉煤灰在建筑材料领域的应用
粉煤灰作为交通工程中的建筑材料使用，已成为大量消耗粉煤灰资源的一条重要途径，起着减少环境污染，降低电厂灰处理费用、节约土地资源及节省水泥、石材等降低工程造价的作用。
它主要用做路面基层材料、代替粘土筑高速公路路堤和用来摊铺水泥混凝土路面等，曾在沪宁高速、沪嘉高速等筑路工程中得到广泛应用，实践证明，这种道路投资少、寿命长、维护少，可节约维护费用30～80%。
粉煤灰混凝土泛指掺加飞灰的混凝土。
实践证明，在配置混凝土混合料时，掺入一定数量和质量的飞灰，可达到改善混凝土性能、节约水泥、提高混凝土质量和工程质量，以降低制品成本和工程造价的目的。
它在我国三峡大坝浇筑、南京二桥建设、秦山核电站等大型工程中得到大量应用，它的耐久性、抗裂性、易和型得到了好评，另外它凝结较慢、利于较长距离运输和泵送施工。
粉煤灰主要由活性SiO2和Al2O3组成，可替代黏土组分进行配料，用于水泥生产。
粉煤灰水泥具有后期强度高、水化热大幅度降低、抗硫酸盐侵蚀、抗干所等功能，与钢筋结合牢固，运用性强，产品主要用于大型桥梁、高速公路、机场跑道、高温车间等建筑工程。
粉煤灰硅酸盐水泥干缩性小，抗裂性、可泵性好，特别是用于大坝工程和泵送混凝土施工，如岩滩水电站等。
粉煤灰烧结砖是以粉煤灰和粘土为原料，经搅拌、成型、干燥、焙烧制成的转。
粘土塑性指数越高，可掺入粉煤灰的比例愈大。
它和普通砖相比，强度相同，而重量约轻20%，导热系数小，易于干燥，可减少燃料、晾干时间和场地，降低单耗，节约能源。
一般情况下，粉煤灰掺加量为30～50%，节约了相应量粘土，节约烧砖用煤50%。
2.2.3粉煤灰在煤矿生产中的应用
在目前煤矿支护中，锚网喷支护作为成熟技术已经得到广泛应用，其中喷浆材料主要为水泥、河沙、石子等。
为此，煤矿每年需要大量的水泥、河沙和石子，如果粉煤灰能够制成一种喷浆材料，无疑会给矸石电厂和煤矿均带来可观的经济效益。
不过现在技术尚不成熟，有待于进一步开发，但是有着很广阔的应用前景。
在煤矿开采中，由于地下煤带采空没有回填造成的采空区塌陷相当严重。
在治理采矿区塌陷时最常采用的方法就是矿井回填，回填材料一般采用混凝土和矸石。
由于矸石在今天也可以作为原料加以利用而混凝土代价较大，因此找到一种合适的替代品就显得尤为重要。
在混凝土中掺入一定量粉煤灰就是一个比较好的解决办法，这样能减小水泥用量，降低由水泥水化引起的绝对温升，消除混凝土内外温差引起的温度裂缝，同时由于粉煤灰本身的火山灰活性作用生成的硅酸盐胶体，除作为胶凝材料的一部分起增强作用外，还能在用水量不变的条件下，显著改善混凝土拌合物的和易性。
保持混凝土拌合物原有的和易性不变，则可减少用水量，从而提高混凝土的密实度和强度，并可预防大体积混凝土裂缝。
同时粉煤灰凝胶材料也是一种新型的防灭火材料，它具有高水、速凝、阻化降温、无毒、无味、成本低等特点，作为煤矿灭火材料也有着广阔的发展前景。
2.2.4粉煤灰在水污染处理中的应用
由于粉煤灰特殊的形成过程，使得颗粒含有微小气泡和微小活性通道，导致表面呈多孔结构，孔隙率一般为60％～75％，这就使其具有较强的吸附能力，成为污水处理的吸附材料。
其吸附性能或者是依靠粉煤灰中含有少量沸石、活性炭的多孔性及较大的比表面，通过分子间引力产生吸附污染物，或者是依靠粉煤灰中硅铝元素的水解产物，絮凝吸附水中带负电的胶体微粒。
在通常情况下，沸石、活性炭的物理吸附和硅铝的化学吸附作用同时存在，只是在不同条件（pH值、温度等）下体现出的优势不同。
粉煤灰颗粒内部由于气体未逸出而形成一封闭性孔穴，虽也呈蜂窝状，但吸附性能则很小，用外界的方法打开封闭的孔穴，使之比表面积和隙率增加，从而提高处理效率。
目前，对于粉煤灰处理污、废水的理论、工艺和技术还主要停留在探索、试验阶段，虽然在一定程度上取得了一些进展，但要真正大规模运用到生产实践中必须掌握粉煤灰处理污、废水的反应机理，加强理论研究，提高粉煤灰的活性，打破粉煤灰吸附容量的瓶颈，真正解决粉煤灰抗干扰性、溶解损失等方面问题。
但随着应用时间的加长，其适用性、可靠性会进一步增强，众多科研工作者的成果表明粉煤灰在水处理行业有着广阔的前景，尤其在国家大力倡导节能减排的大环境下，这种经济的、以废治废的方式必将成为处理污、废水的重要选择之一，并能创造更大的经济效益和社会效益。
2.2.5从粉煤灰中提取玻璃漂珠
漂珠是一种轻质、中空、玻璃状的珠状微粒，具有耐磨、耐高温、导热系数小、强度高、电绝缘能好的特点，可用来作保温耐火产品、塑料制品填充料、刹车片、建筑涂料等，用途很广泛。
对于有灰场的电厂，漂珠就在灰场水面上捞取；
对配置有水力除灰系统的火电厂，可在末端管道上实现微珠在线分离提取；
在干粉煤灰中分离提取微珠的系统在欧美应用比较广，目前国产系统已研发成功。
玻璃漂珠属于高附加值产品，可以取得很可观的经济效益。
4总结
2011年5月6日，发改委对《粉煤灰综合利用管理办法》进行修订。
坚持了粉煤灰综合利用遵循“谁产生、谁治理、谁利用、谁受益”的原则，以持续提高粉煤灰综合利用量、利用率和利用效益为目的；
新建和扩建燃煤电厂对粉煤灰的利用必须执行同时设计、同时施工、同时投产使用的“三同时”原则；
鼓励粉煤灰高附加值和大掺量利用。
鼓励水泥企业利用粉煤灰作为水泥混合材和替代粘土配料；
通过认定的粉煤灰综合利用单位，可根据有关规定申请享受资源综合利用优惠政策；
国家支持对粉煤灰大掺量利用技术、高附加值技术、关键性或共性技术的自主创新研究；
对新建电厂兴建永久型储灰场将给予警告。
由国家赏罚分明的政策可以看出，国家对于粉煤灰造成的严重环境问题已经给予了高度的重视。
煤矸石发电是充分利用煤矸石的有效热成分，变废为宝，解决污染的有效途径。
但是如果解决不了粉煤灰的处理问题，不仅与国家政策不符，而且电厂产生的的粉煤灰造成的污染会严重影响矿区的的生态和生活环境，则矸石电厂的应用将会受到很大的限制。
产生的矸石不能被及时消耗，会造成土地资源浪费和环境污染，甚至产生火灾隐患。
大量的矸石难以产生经济效益，还需矿上投资安置。
因此对粉煤灰综合利用的研究不仅能变废为宝，更加重要的是可以优化矿区作业条件，提高煤炭资源利用率，使得煤矿各工艺流程更加完善科学。
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