第1章　概述

当前，许多国家都已从历史的发展进程中认识到必须重视“工业废渣”资源的开发利用，它可以起到有效缓解自然资源、能源危机的作用，同时带来较大的环境效益[1]。尤其是20世纪70年代中期世界性能源危机后，许多国家发电厂的燃料结构发生了变化，都加快转向以煤炭为主要燃料的进程。据资料介绍，1979年各国电力系统用煤量占全国煤耗总量比例为：苏联50%、英国45%、美国70%。随着燃料油以及天然气效率的降低和核动力的缓慢发展，用于电力系统的煤炭量逐年增长，1985年，美国电力系统用煤量在7.0×108t以上。由于科技进步，1974年美国首先在内政部编辑的矿物年报中，将粉煤灰作为一种矿物资源，并列为国家最丰富的第七位固体矿物。1982年中华人民共和国国务院有关领导批示要重视粉煤灰资源化的研究。特别是1987年9月作为国家经委负责资源利用的朱镕基同志，提出了要把粉煤灰作为资源综合利用的突破口，在此指导下，国内粉煤灰的利用又掀起了一个高潮[2]。近年来，我国的发电能力连年增长，电力工业的迅速发展，带来了粉煤灰排放量的急剧增加，燃煤热电厂每年所排放的粉煤灰总量也在逐年增加，2009年我国粉煤灰的产量达到了3.75×108t，相当于当年中国城市生活垃圾总量的两倍多，2010年9月15日，国际环保组织绿色和平在北京发布《煤炭的真实成本——2010中国粉煤灰调查报告》指出，固体废弃污染物粉煤灰的综合利用率普遍遭到电力行业的夸大，中国电力企业粉煤灰的综合利用率实际只有30%左右，而我国当时国家政策要求的综合利用率应达到60%以上。2015年，我国煤炭消费达3.698×109t，其中电力行业用煤1.839×109t，粉煤灰排放达6×108t左右。火力发电产生的粉煤灰排放已经成为当时中国工业固体废物的最大单一污染源，但这种对环境和公众健康损害巨大的污染物却长期被忽视，因而不断提高粉煤灰的综合利用率使其变废为宝在节约土地和环境保护方面意义深远。在很长一段时间内粉煤灰仍然会源源不断地排放，利用粉煤灰仍然是人类的一个重要任务[3]。

1.1　粉煤灰的特性

粉煤灰是现代燃煤电厂的副产品，它是在燃煤供热、发电过程中磨成一定细度的粉煤在粉煤炉中经过高温燃烧后，由烟道气带出并经除尘器收集的粉尘。粉煤灰是一种固体废物，如果不合理处理粉煤灰，不仅会占用耕地，造成土壤、大气、水体等污染，而且危害人体的健康和生态环境[4]。

火力发电厂的锅炉是以磨细的煤粉作为燃料的，当煤粉喷入炉膛中，就以细颗粒火团的形式进行燃烧，充分释放热能。燃烧后的灰渣，因原煤灰分含量不同，一般占原煤质量的15%～40%。普通煤粉锅炉的灰渣有两种形态：一种是从排烟系统中用除尘设施收集下来的细粒灰尘，叫作粉煤灰或飞灰，为灰渣总质量的70%～85%，其中包括一些极细的颗粒，这些颗粒经烟囱口排入大气中，集尘设备效率越低，飞逸的极细颗粒越多；另一种是在炉膛黏结起来的粒状灰渣，叫作炉底灰或灰渣，这些灰渣落入锅炉底部，有的结成大块，经破碎从炉底排出，占灰渣总质量的15%～30%。此外，还有一些燃烧煤粉的锅炉，如液态排渣炉，由于其炉膛燃烧温度较高，部分灰渣熔融成液体状态的熔渣，下落到炉底，被水骤冷，结成玻璃态的渣粒，叫作液态渣。液态炉的液态渣和粉煤灰分别为40%、60%。另外，还有一种“旋风炉”，其炉膛燃烧温度比液态炉设计要高，所以熔融的液态渣的比例可以高达75%～85%，而粉煤灰仅有15%～25%。火电厂的粉煤灰、炉底灰、液态渣，再加上老式锅炉如链条炉等炉排上收集下来的煤渣，统称为“电厂灰渣”，如果再包括其他工厂的煤炭灰渣，则统称为“燃煤灰渣”，其中粉煤灰是一种自然界所不存在的而由人工过程产生的粉状矿物质资源。

在锅炉操作时，煤粉与高速气流混合在一起，喷入炉膛的燃烧带中，使煤粉颗粒里的有机物质得到充分的燃烧，但燃烧的完全程度取决于锅炉效率和操作水平。运行良好的现代化电厂的煤粉炉炉膛最高温度可以达到或超过1600℃。在这样的温度下，足以使灰分中除了少量石英（细粒的结晶）以外的所有矿物全部熔融。可是多数旧电厂锅炉的实际燃烧温度要比上述温度低得多，在较低的温度下，只能熔融一小部分的无机物质。而且炉膛温度并不是十分均匀的，也就是说，即使在同一台锅炉中，粉煤灰烧成的条件也不完全相同，更不必说不同的锅炉了。

在燃烧过程中，煤炭中的无机杂质发生了一系列的反应和变化，含水的矿物如黏土、石膏等一一脱水，碳酸盐中的二氧化碳与硫化物中的二氧化硫和三氧化硫排出，还有碱在高温下挥发。其中，较细的粒子随气流掠过燃烧区，立即熔融，到了炉膛外面，受到骤冷，就将熔融时由于表面张力作用形成的圆珠的形态保持下来。成为玻璃微珠。煤粉的粒子越细，越容易成球。其中有些熔融的微珠内部，截留了炉内气体，形成了空心微珠。另有一些微珠，团聚在一起或粘连在一起，就形成鱼卵状的复珠（子母珠）和粘连体。可是也有一些来不及完全变成液态的粗灰，结果变成了渣状多孔玻璃体（海绵状玻璃）。在冷却过程中，还有—些冷却比较缓慢而再结晶的矿物以及在颗粒表面上生成的结晶矿物和化合物，还有一些独自存在的未熔融的石英矿物。此外，从化学成分来看也不是均匀的，所谓的粉煤灰化学成分分析，只能表示粉煤灰中各种颗粒混合物的化学成分平均值。换言之，按单个颗粒而言，化学成分是有很大差异的。

总之，粉煤灰实际上是一些矿物组成不同、粒径粗细不同、颗粒形态不同、各种颗粒组合的比例不同的机械混合物。粉煤灰的“先天不足”正是由于这种不均匀性、差异性和多变性造成的。从应用角度而言，受到充分燃烧最终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，我国的粉煤灰利用率还比较低，大部分还是储存在灰场，仍有少量粉煤灰飘入大气之中。政策规定不允许向江河湖海排放粉煤灰，但是由于排灰设施不够完善和存在管理方面的问题，仍有少量粉煤灰连同灰水流入水体。这些都对环境构成污染源，造成多方面的危害。

（1）储灰占地，污染土壤

土地是农业生产的重要基地和物质基础，它不仅向人类供给资源和能源，同时还接纳经过开采、加工、调配、消费后的水、气、固体物等各种废弃物。土地是人们赖以生存的最基本的元素，是极其宝贵的自然资源。

据统计到2012年为止，我国土地资源总面积为144亿亩（1亩=666.7m2，下同），具有如下主要特点：a.山地多（含丘陵，占土地总面积的2/3），平地少（占1/3）；b.较难利用的沙漠、戈壁、高寒荒漠、石山和冰川以及永久积雪地的面积较广，约占土地总面积的18%；c.在可供农用的土地中，草地比例最大（占土地面积的41.58%），林地次之（占17.95%），耕地最少（仅占14.21%）；d.耕地质量不高（高产田不及1/3），退化严重，可耕地的后备资源少。由于电厂遍布全国各地，又多建于城市或市郊，因此不少储灰场占用了大量的可耕地，并且对周围的土壤造成了污染。

粉煤灰对土壤的污染，除了直接侵占污染外，并通过水、空气进行扩散污染。

1）通过水体污染　我国的粉煤灰多以水冲形式输送或排放，灰中的可溶物和不溶颗粒，无论是从储灰场溢出，还是排入小溪汇入江河，最终又被灌溉进入土壤，从地表向下渗透。其中的微量元素、重金属及少量放射性元素等有害成分，随之扩散、迁移、积累，有时还有可能污染地下水。如果超过标准限量，则会转移到农作物、庄稼、蔬菜、水果等食品中，危害人们的健康。

2）通过大气污染　在收尘设备运行过程中，粒径小于10μm的粉煤灰很难被收尘器所捕集，常常随烟道气排放至空气中，随着空气的流动飘逸扩散；储入灰场的粉煤灰在干燥状态时，若未经表面团化处理，也会随风飞扬，这些颗粒会逐渐落至地面，污染土壤表层。与粉煤灰同时生成的二氧化硫、氮氧化物等气体，随着雨、雪等落至地面，也污染土壤。

（2）污染大气

洁净的空气是维持生命的重要因素，人们呼吸新鲜的空气甚至比水和食物还重要。

我国的燃煤电厂，由于除尘器的运行状态各不相同，每年都有数百万吨粉煤灰排放到大气中，造成了大气粉尘污染。粉煤灰即使储入灰场灰堆，表面因水分蒸发而干燥，若有四级以上的风力、阵风，即可剥离1～1.5cm厚的灰层，将粉煤灰高高吹起达20～50m，造成局部地区的大气污染[5]。悬浮于大气中的粉煤灰，能散射和吸收阳光，减弱太阳对空气和物体的照度，使物体与其背景反差减小，从而降低能见度。能见度的降低，不仅影响环境美观，而且对空航、船航、行车以及各种工作造成恶劣影响。

粉煤灰中的颗粒物在空气湿度较大时，对金属表面有腐蚀作用，还会侵蚀和沾污建筑物、雕塑制品、涂料表面以及衣着服装等。

弥散于空气中的粉煤灰颗粒物对动物和人类的毒害更为严重。粒径大于10μm的颗粒，几乎都可以被鼻腔和咽喉所捕集，不进入肺泡。粒径10μm以下的颗粒对人体危害大，其危害程度，除受人的呼吸次数和呼吸量影响外，还与颗粒大小有密切关系。粉煤灰颗粒物不仅使上呼吸道的慢性炎症发病率提高，还使呼吸道及肺部的各种防御功能相继破坏，人体抵抗力逐渐下降，对疾病感染的敏感性加大。这时微生物的侵袭便向细支气管和肺泡发展，继而诱发慢性阻塞性肺部疾病隐患以及继发性感染症，不断增加心肺负担，使肺泡的换气功能下降，血管的阻力增加，肺动脉压力上升，最后右心室肥大，右心功能不全而导致肺心病。

（3）污染水体，浪费水资源

水是一切生命有机体的重要组成部分，人体中水占70%，没有水就没有生命。水又是生态系统中使能量流动与物质循环的介质，对调节气候和净化环境起着重要作用。因此，水是人类生产、生活的重要资源，水与人类的生存与发展休戚相关。

目前我国的燃煤电厂，由于储灰设施不够完善，粉煤灰利用率又不高，尚有不少粉煤灰连同冲灰水的排放而排入水体，成为水泵中的一个重大污染源。

粉煤灰连同冲灰水一起进入水体，形成沉积物、悬浮物、可溶物，造成各种危害。实验证明如果向流量为1000m3/s的江河中排放1000t粉煤灰，水的浊度将增加6倍，流经500km处，水体中都能检测出粉煤灰。水浊度的增加，会减少水体中绿色植物的阳光，堵塞滤池，覆盖鱼的巢穴，妨碍鱼的产卵、觅食等，危害水生动植物的生长和繁殖。作为工业用水，由于浊度增加，会腐蚀涡轮、水泵、管道等设备。颗粒较大的粉煤灰进入水体后，逐渐沉积，会提高水体床面，影响河流、湖泊、水库的正常功能，甚至堵塞航道，造成危害。

我国大部分电厂采用湿排灰工艺，输送或排放1t粉煤灰，约需2t水，每年约消耗排灰水1.1×109t以上。为了排灰，不仅浪费了大量的水，而且消耗了大量的电能[6]。

国内外无数事实证明，环境污染实质上大多数是由于资源和能源的浪费所致，大量的能源和资源，用之为宝，弃之则为害。粉煤灰同其排灰水的任意排放所造成的危害即是明显的例证。

1.3　粉煤灰综合利用的重要意义

我国是一个产煤大国。以煤炭为电力生产基本燃料的国策在长时间内不会改变。近年来，我国的能源工业稳步发展，发电能力年增长率约为7.3%。每燃烧1t原煤，能产生粉煤灰250～300kg，还有20～30kg炉渣。无论是煤粉炉、链条炉，还是沸腾炉，灰渣排放总量约为燃煤总量的1/3。每发1kW·h的电，需标准煤约300g，产生粉煤灰约100g。燃煤发电机组，1kW的装机容量，年排放粉煤灰1t左右。电力工业的迅速发展，带来了粉煤灰排放量的急骤增加。燃煤热电厂每年所排放的粉煤灰总量逐年增加，1995年粉煤灰排放量达1.25×108t，到2000年达到约1.53×108t。2009年我国煤炭产量在3.01×109t左右，排灰量约为4.5×108t。2014年粉煤灰产量大约为5.5×108t。2015年全国粉煤灰产生量达到5.7×108t。国际环保组织绿色和平在北京发布《煤炭的真实成本——2010中国粉煤灰调查报告》指出：“中国所面临的粉煤灰问题的规模在全世界都是绝无仅有的，粉煤灰是火力发电的必然产物，每消耗4t煤就会产生1t粉煤灰。中国的火电装机容量从2002年起呈现出爆炸式的增长，因此，粉煤灰排放也在过去8年内增长了2.5倍，绿色和平在粉煤灰样品中还检测出20多种对环境和人体有害的物质，其中包括可能导致神经系统损伤、出生缺陷甚至癌症的重金属。按照报告的估算，中国每年约有2.5×104t的镉、铬、砷、汞和铅这五种国家重点监控的重金属随粉煤灰的排放进入到自然环境中。绿色和平针对部分火电厂灰场附近的地表水和地下井水的检测也显示出多种有害物质的浓度超过了国家的相关标准。在调查的14家火电厂中，大多数灰场的选址和防扬散、防渗漏、防流失措施远不足以达到有效防治粉煤灰环境污染的目的。粉煤灰中的有害物质已不可避免地污染了周围的土壤、空气和水，不仅威胁到附近居民的身体健康，还会通过食物链危害到更大的公众群体。”[7]由此可见，粉煤灰问题不仅造成了资金和土地资源的浪费，更重要的是造成了严重的大气污染、土壤污染和水资源污染，危害人类的健康。

粉煤灰是一种放错地方的资源，我国是一个人均占有资源储量很有限的国家，而粉煤灰可以作为一种再生资源却成为了污染环境和危害人类健康的废弃物，没有得到有效利用，这是可持续发展中必须解决的资源回收利用问题。

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，粉煤灰可作为原料代替黏土生产水泥熟料，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，用于农田坑洼低地、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。因此开展粉煤灰的综合利用，变废为宝、变害为利，已成为我国经济建设中一项重要的技术经济政策，是解决我国电力生产与环境污染、资源缺乏之间矛盾的重要手段，也是电力生产所面临解决的任务之一。

参考文献

[1]李策镭.我国粉煤灰资源利用现状趋势及根本出路.建筑节能，1993（1）：34-37.

[2]俞海勇.粉煤灰颗粒群特征及其与混凝土性能关系的研究.上海：同济大学，2002.

[3]卢国懿，薛峰，赵江涛.对我国粉煤灰利用现状的思考.中国矿业，2011（S1）：193-195.

[4]宋益庆，张捷，孙海峰.粉煤灰的资源化利用.黑龙江环境通报，2004，28（3）：31-32.

[5]雒昆利，张新民，陈昌和，等.我国燃煤电厂砷的大气排放量初步估算.科学通报，2004，49（19）：2014-2019.

[6]兰青.轻质高强高掺量粉煤灰双免砖的研制.武汉：武汉大学，2002.

[7]董金发.粉煤灰堆场遥感信息提取研究.北京：中国科学院大学，2013.