谈大型电站粉煤灰的综合利用

电力技术ElectricPowerTechnologyVol.19No.8Apr.2010第19卷　第8期2010年4月谈大型电站粉煤灰的综合利用王莺歌（华能大连电厂，辽宁　大连　116100）【摘　要】从大型电站实际情况出发，着重谈了粉煤灰的基本性质、影响因素以及我国目前情况下的粉煤灰综合利用情况，并对其发展前景作了较为全面的介绍，对大型火电站锅炉粉煤灰的综合利用提供了有益的参考。【关键词】电站；粉煤灰；综合利用　【中图分类号】TM621.2【文献标识码】B【文章编号】1674-4586(2010)08-0005-050　引言我国的能源消费以煤为主，每年燃煤的消耗量在23亿吨以上，粉煤灰所造成的污染严重危害环境，大量的储灰场地占用耕地。燃煤机组占我国装机总量的75%左右，粉煤灰产量居世界第一。我国是粉煤灰排放大国，但迄今为止粉煤灰的利用率仅为40%左右。因此，电站粉煤灰综合利用工作已迫在眉睫。1　粉煤灰利用的意义1.1　环境效益目前，我国电站粉煤灰排放量已超过5亿吨/年，近几年电力需求增长，火电装机容量每年增加超过20000MWe，而每增加1MWe的装机容量，粉煤灰的排放量相应增加800吨。我国是粉煤灰排放大国，现在全国的储灰场已超过61万亩，不仅占用大量耕地，消耗大量冲灰用水，且粉煤灰的二次扬尘严重污染环境，破坏生态平衡，成为国民经济持续发展的障碍。据统计，每减少1吨粉煤灰的排放可给大气减少1%以上的粉尘污染，更可避免由此的地表、地下水的污染及对土壤带来的强碱化危害。1.2　社会与经济效益单就电厂而言，粉煤灰的综合利用，不仅可以扩大就业机会，还可大大降低出灰成本。据估算，全国电厂灰渣处理费用平均16元/吨，若把水、电、管道维护、灰场征集等各类费用平摊下来，每存一吨粉煤灰至少需要24.4元。这对电力企业来说，是一笔很大的费用。以华能福州电厂为例，总装机容量是4*350MWe，2006年对全厂4台炉实施炉底渣脱水改造，改造完成后，所产生的安全效益、经济效益、环保效益和社会效益非常显著：实现了灰水零排放，节约一次性投资1800多万元，每年可节约厂用电1600多万度，每年可节省的备品、维护费用约为325万元，每年可节约工业水约28万吨等。粉煤灰具有双重性，它既是火电厂的废弃物，又是可利用的资源。目前，飞灰资源的综合利用范围正在迅猛发展，尤其在建筑和建材、聚合物复合材料、农林牧业等方面。随着国民经济的发展，房地产业及建材相关产业日益繁荣，对电厂粉煤灰需求量也日益增加。粉煤灰的综合利用已经成了电厂利润的一个重要增长点。以华能某电厂为例，总装机容量是4*350MWe，2005年飞灰产量约37万吨，全年卖灰总收入为2400万元，这是很可观的。国家提出建设社会主义和谐社会，对环境问题和节能降排工作日益重视。经过近年来国家的重视和引导，电站所排的粉煤灰的用途愈来愈广泛。实践证明，随着技术进步，粉煤灰不再是废物，而是宝贵财富，是一种再生资源，这种资源应用到工农业生产上，能发挥很大的作用。对大型火电站而言，粉煤灰的综合利用率，不但直接影响环境质量，也日益关系到自身的节能降排和综合效益。2　粉煤灰的基本性质2.1　粉煤灰的生成机理粉煤灰是指源于火电厂燃烧煤粉所排放的固体颗粒物，包括飞灰和炉底灰渣。它是经过1100摄氏度以上的高温燃烧，然后经过风冷而成的微小灰粒集合体，其物质平衡方程式为：•6•电力技术第19卷煤（碳+灰分）+空气中的氧气→CO2↑+煤中原有的灰分以上是完全燃烧的燃烧方程式。但是燃烧往往是不完全的。煤的不完全燃烧产物为CO2、CO、残留的碳及煤中原有的灰分。煤的不完全燃烧方程式如下：煤（碳+灰分）+空气中的氧气→CO2↑+CO↑+C（残留碳）+煤中原有灰分煤粉在炉膛中燃烧后大部分以灰的形式随烟气一起流动，通过尾部受热面，最后在除尘器中把绝大部分飞灰分离出来，只有少量的飞灰继续随烟气流过烟囱而排出。通过除尘器分离出来的干灰即为飞灰。另外15～20%的燃烧剩余物落在炉底，即为灰渣。2.2　粉煤灰的基本性质2.2.1　粉煤灰的化学成份粉煤灰是煤中的无机成分，以玻璃质微珠为主，其次为结晶相，包括莫来石、磁铁矿、赤铁矿、石英、方解石等。粉煤灰中硅的含量最高，其次是铝。铁的含量较低，以氧化物的形式存在，酸溶性好。此外还犹未燃尽的炭粒、CaO和少量的MgO、锗、镓、硼、镍、铀、铂等稀有元素。粉煤灰化学成份以二氧化硅和三氧化二铝为主，其他成分为三氧化二铁、氧化钙、氧化镁等，不同的煤质和燃烧条件，粉煤灰的化学成分差别很大，见下表1。表1　粉煤灰的化学成份波动范围（%）成份二氧化硅三氧化二铝三氧化二铁氧化钙氧化镁氧化钾氧化钠三氧化硫烧失量变化范围33-6515-401.5-190.8-170.7-3.70.6-2.90.2-4.20-60.6-30平均值50.628.07.12.81.21.31.20.88.02.2.2　粉煤灰的活性粉煤灰能够与石灰石生成具有胶凝性能的水化物。粉煤灰本身没有水硬胶凝性能，但在水热处理条件下，能与氢氧化钙等碱性物质发生反应生成水硬胶凝性能化合物。粉煤灰的活性与其化学成份、玻璃体成分、细度、燃烧条件等因素有关。一般条件下，氧化钙和二氧化硅含量高、燃烧温度高、玻璃体含量多、含碳量低的粉煤灰活性高。2.2.3　粉煤灰的物理性能粉煤灰的物理性能是化学成份及矿物组成的宏观反映，通常包括比重、曲度、比表面积等。以低钙粉煤灰为例，其物理性能见下表2。表2　粉煤灰的物理性能堆积密度80微米筛余45微米筛余比表面积需水比火山之活性28d水泥砂浆强度kg/m3%%cm3/g%%550-15000.6-8010-901500-550085-13040-1003　影响粉煤灰品质的主要工艺因素在粉煤灰形成过程中，影响其品质的工艺因素主要有三个：煤的种类、燃烧状态以及煤粉的制作设备。3.1　煤的种类与品质煤矿开采出来的煤是由可燃物、不可燃的矿物质（灰质）和水分组成：可燃物质包括碳、氢、硫。其中碳是主要可燃元素，热量的来源；氢占煤中含量的2～6%，受热易裂解，易着火燃烧；氧是煤中的有机废物；氮也是废物，含量很少；硫分可燃硫和不可燃硫。灰质是原生、次生以及开采过程中混入的各种矿物质，在煤燃烧后剩余下来就变成灰渣。动力用煤的分类主要依据燃煤中的挥发分（）的多少来进行分类的，通常按如下分类：的煤称无烟煤；的煤称贫煤；的煤称烟煤；的煤称褐煤。挥发分愈多，此煤愈易燃，燃烧愈完全，残留炭愈少；挥发分愈少，则此煤难着火燃烧，燃烧后形成的残余炭愈多。因而挥发分的多少会直接影响粉煤灰的质量。煤中的灰分多少与粉煤灰的产量和质量有关；煤中灰分愈多则粉煤灰的产量愈高。煤中的灰分达到一定数量以上时（一般为含灰量达30%以上时）就要影响燃烧，使煤中不完全燃烧的炭增多。这是由于在燃烧过程中灰分不参加燃烧，而要吸收热量，因而过多的灰分会使燃烧温度降低，从而降低了炭燃烧的强度，使残留炭增加；另一方面是过多的灰分会阻碍煤中碳和氧气发生化学反应，也会使残留炭增多。煤中的水分也影响粉煤灰的质量。煤中少量的水分在燃烧过程中可使固体炭爆裂成碎片，使粉煤灰变细。但是由于水分在燃烧过程中将吸收热量，水分过多则使燃烧过程中温度降低，从而灰中残留炭增加。煤中水分过高的情况时有发生，特别是雨季，情况更为严重。3.2　锅炉种类与燃烧状态粉煤灰的生成是煤和空气在高温燃烧下反应生成的，而这过程是在锅炉的炉膛中进行的。不同燃烧•7•王莺歌：谈大型电站粉煤灰的综合利用第8期方式的锅炉，其炉膛内燃烧温度不同，生成的粉煤灰质量也不同。除了炉型外，燃烧状态对粉煤灰品质亦有—定影响。对于固态排渣炉，炉温不易过高，否则粒子表面易熔融变黏，相互结合使颗粒变粗。实践证明，为了不影响锅炉额定功率，可采用调节空气过剩系数方法，适当增加炉内过量空气，使煤粉燃烧更加充分，能有效降低飞灰含碳量。3.3　煤粉制备系统目前电站锅炉基本上都是室燃炉，而室燃炉的燃烧取决于制粉系统，也就是说制粉系统在很大程度上决定了粉煤灰的质量。制粉系统中主要部件是磨煤机。不同型式的磨煤机研磨后的细度不一样，因而煤粉燃尽后粉煤灰细度也不一样。所以磨煤机的型式与粉煤灰的质量也有密切关系。煤粉细度越细，燃烧越完全，产生的粉煤灰细度也就越细，碳含量就越少。4　粉煤灰的分类4.1　粉煤灰的品种为了提高粉煤灰的综合利用率以提高其价值，原电力部提出了“灰渣分排，干灰粗、细分排”的要求。电厂对粉煤灰进行粗加工，可以提供多种品种供用户选择。4.1.1　湿灰对于湿式出灰的系统，飞灰在灰场和沉灰池中沉淀下来，可用挖掘机械或抓斗把湿灰挖出来供应用户。但若采用海水冲灰系统，湿灰不能利用。4.1.2　漂珠漂珠是一种玻璃状的空心微珠，其容重比水小，所以通常漂在水面上，很容易捞取。对于有灰场的电厂，漂珠就在灰场水面上捞取。为防止漂珠流失，可专门在除尘器灰斗下设计一个池子，使漂珠浓缩聚集，漂珠捞取装袋，而灰水被排出。漂珠占飞灰总量的数值很少，但是价值很高，利润可观。4.1.3　原状干灰出干灰的电厂把所有的灰混在一起，就是原状干灰（或称统灰）。用旋风除尘器和布袋除尘器或电除尘器收集到的灰，通过气力输送到灰库，就是原状干灰。4.1.4　三电场飞灰各电场收集到的干灰其颗粒度是不一样的，三电场的灰较细，符合一级飞灰的标准，因而电厂也可专门收集三电场干灰，打包供应市场。4.1.5　调湿灰调湿灰是在干灰库中用调湿装置即在搅拌器中喷入适量的水制成的，此种灰呈湿状不飞，但是仍很稠。调湿灰可用于建材工业，筑路等，其价格比湿灰高，因而在电厂内可专门制成半成品—调湿灰供应市场。4.1.6　分级灰从电厂静电除尘器各电场的飞灰筛分结果来看，在静电除尘器一电场中仍有大量符合一级飞灰标准的高质量飞灰。如果这些优质飞灰不分选出来，那么一电场的飞灰只能作低用途，使用价值较低，经济效益也低。若把这些飞灰中占60～80%的合格一级飞灰分选出来，可作为较好的建筑材料，其经济效益大大提高。为此，国内很多电站采用机分选合格的分级灰。4.1.7　磨细灰磨细飞灰是将无序状态的、低品位的原状飞灰，经专用设备磨细而成为相对稳定和有序的产品飞灰，并按照国家标准和规程进行质量控制和质量保证，使其能在钢筋混凝土中应用。对于实施炉底渣脱水改造后的锅炉，将炉底灰渣进行磨细处理后，也可以作为粗灰出售。4.2　粉煤灰的质量评定4.2.1　按细度分类目前，国内外一致认定，粉煤灰的品质基本上由它的细度决定，范细度符合某一级标准，其他性能也能达到这一灰的要求，如表3所示。表3　粉煤灰质量指标的分级和比例（%）质量指标细度烧失量需水比三氧化硫粉煤灰级别综合占比例指标所占比例指标所占比例指标所占比例指标所占比例1级灰42微米筛余80微米筛余1.6539.19524394.51.62级灰1253.3823.91054033.33级灰20863.91526.111528363.9等外灰452531.210.985.731.24.2.2　按氧化钙含量分类（表4）表4　按氧化钙含量分类表粉煤灰类别低钙粉煤灰中钙粉煤灰高钙粉煤灰氧化钙含量（%）1010-19.920占比率（%）89654.2.3　按胶凝性分类（表5）•8•电力技术第19卷表5　按胶凝性分类表粉煤灰类别凝结性能水中稳定性F类灰不凝结硬化不稳定中等胶凝性C1类灰60min内凝结硬化稳定强胶凝性C2类灰15min内凝结硬化稳定F类灰主要有燃烧无烟煤和烟煤产生，相当于我国的低钙类粉煤灰。C类灰主要有燃烧褐煤和次烟煤产生，相当于我国的中、高钙类粉煤灰。由上表中数据看出，我国的粉煤灰95%以上为3级灰、等外灰，大部分为低钙粉煤灰。5　我国电站粉煤灰综合利用情况我国的粉煤灰综合利用工作，起步于20世纪50年代。20世纪50年代开始在建筑工程中用作混凝土、砂浆的掺合料，在建材中用来生产砖、在道路工程中做路面基层材料等，但这一时期利用总量较少；60年代粉煤灰利用重点转向墙体材料；80年代改革开放后，国家进一步加大对粉煤灰利用；21世纪除用于建材、筑路，在高分子材料中也做了大量的研