費全昌

(電力規(guī)劃設(shè)計總院，北京 100120)

1 我國粉煤灰的年產(chǎn)量

我國一次能源領(lǐng)域具有“缺油、少氣、多煤”的特點, 決定了我國電力供應(yīng)主要以火力發(fā)電為主。截止2011年底，全國發(fā)電裝機總?cè)萘繛?05576萬kW，其中火電裝機容量76546萬kW，占全國發(fā)電裝機總?cè)萘康?2.5%。火力發(fā)電需消耗大量的煤炭，在煤炭的生產(chǎn)、運輸及燃燒過程中會產(chǎn)生粉塵、SO2、NOx和CO2等各種污染物，而煤炭燃燒后的副產(chǎn)物-粉煤灰也會對自然環(huán)境產(chǎn)生一定的影響。

根據(jù)第一次全國污染源普查資料文集，我國現(xiàn)有電力、熱力的生產(chǎn)和供應(yīng)業(yè)類產(chǎn)生工業(yè)源固體廢棄物的企業(yè)7412個，年產(chǎn)粉煤灰34033.45萬t，其中電力熱力企業(yè)粉煤灰產(chǎn)量約29894.69萬t，占粉煤灰產(chǎn)生總量的87.84%。根據(jù)綜合利用率60%考慮，每年約有13613萬t粉煤灰需貯存。因此，粉煤灰已經(jīng)成為生產(chǎn)量非常大的工業(yè)固體廢棄物污染源。

2 粉煤灰的成份

煤炭在鍋爐中燃燒后形成兩種固態(tài)殘留物——灰和渣。隨煙氣從鍋爐頂部排出，經(jīng)除塵器收集的固體顆粒為粉煤灰；顆粒較大或呈塊狀的、從爐膛底部收集出來的固態(tài)殘留物為爐渣[3]。從環(huán)境保護和灰場貯存的角度講的粉煤灰，一般也包括爐渣，也可稱作為灰渣。由于粉煤灰量較灰渣量大很多，本文以粉煤灰為主，對其物理化學特性進行分析。

火力發(fā)電廠的粉煤灰一般是灰色或灰白色粉狀物，當含水量較大時呈灰褐色，堆積密度一般在0.5～1.2g/cm3之間，顆粒粒徑在0.001mm～0.1mm之間。圖1是粉煤灰的粒徑分布圖?；鹆Πl(fā)電廠的粉煤灰化學成份與所燃燒的煤源有直接關(guān)系，其化學成分與粘土質(zhì)礦物相似。表1是某電廠粉煤灰的化學組成成份。從表1中可以看出，SiO2、Al2O3及Fe2O3的含量占85%左右。此外粉煤灰中還含有一些有害的微量元素和重金屬元素，如銅、銀、鎵、銦、鐳、鈧、鈮、釔、鑭等。表2是國內(nèi)外粉煤灰中微量元素。

3 火力發(fā)電廠粉煤灰的貯存方式

火力發(fā)電廠所生產(chǎn)的粉煤灰是很好的建筑材料，如：生產(chǎn)粉煤灰水泥、制作輕型砌塊、用來筑路和改善建筑物地基強度，還可以用來改良土壤。但是，由于各種條件限制，粉煤灰的綜合利用存在地區(qū)性差異和季節(jié)性波動，每年都有大量的粉煤灰需貯存起來，貯存粉煤灰的場地稱作灰場。

圖1 粉煤灰的粒徑分布圖

表1 某電廠粉煤灰的組成成份

根據(jù)粉煤灰貯存的期限，灰場可分為臨時事故灰場或永久灰場。臨時事故灰場一般是指當粉煤灰存在時段性或季節(jié)性不能綜合利用的情況時，用來暫時貯存火力發(fā)電廠產(chǎn)生的粉煤灰的場地，臨時事故灰場的庫容應(yīng)能貯存約1年的粉煤灰量(含灰渣及脫硫石膏等)。永久灰場一般是指在粉煤灰綜合利用條件不好的區(qū)域，火力發(fā)電廠產(chǎn)生的粉煤灰作為廢棄物永久堆放的場地?；鹆Πl(fā)電廠永久性灰場的總庫容一般應(yīng)可貯存20年左右的粉煤灰量(含灰渣及脫硫石膏等)。

根據(jù)灰場所處地理位置的不同，灰場又可以分為平原灰場、灘涂灰場和山谷灰場。根據(jù)輸灰和布灰方式不同，灰場又可以分為干灰場和水灰場。

表2 國內(nèi)外粉煤灰中微量元素含量(mg/kg)

4 灰場滿庫后的問題

隨著環(huán)保意識不斷提高，火力發(fā)電廠灰場的設(shè)計理念也發(fā)生了很大變化。上世紀80年代前，我國火力發(fā)電廠多采用水灰場，此后，逐漸開始采用干灰場，目前新建的火力發(fā)電廠基本上全部采用干灰場方案。對灰場防滲方面的要求，也是隨著《一般工業(yè)固體廢物貯存、處置場污染控制標準》(GB18599-2001)的發(fā)布才強制執(zhí)行的。因此，我國現(xiàn)有的灰場大體可以分為以下三種類型：①水灰場，無防滲措施；②干灰場，無防滲措施；③干灰場，有防滲措施。截止目前，全國范圍內(nèi)已有一些灰場陸續(xù)達到設(shè)計貯灰年限而退役，隨著時間推移，退役的灰場會逐步增多，因此，灰場的閉庫工程設(shè)計方面的需求也會越來越多。據(jù)了解，目前國內(nèi)還沒有完善的灰場閉庫設(shè)計思路和方案。

4.1 灰場滿庫后的安全問題

灰場滿庫以后的安全問題主要表現(xiàn)在以下幾個方面：①管理安全。由于灰場滿庫以后，逐步退出運行，管理人員相應(yīng)減少，而由外部人畜進入灰場而引發(fā)事故的可能性增大，故應(yīng)采取相應(yīng)的措施，在可能發(fā)生危險的地方設(shè)置隔離措施，并設(shè)立警示標志。②灰場壩體的安全。當灰場達到設(shè)計標高時，此時灰壩的安全系數(shù)最低，特別是采用灰渣分級加高筑壩的灰場，壩體碾壓往往不達標，因此，應(yīng)對壩體整體穩(wěn)定性進行復(fù)核，必要時應(yīng)進行加固以確?；覉霭踩误w護面和坡腳排水應(yīng)加強維護，避免長期沖刷造成局部坍塌。③排水系統(tǒng)的安全性。一般山谷灰場均設(shè)有排水系統(tǒng)，用來將溝谷上游和灰場內(nèi)雨灰水排至下游。排水系統(tǒng)一般采用豎井或斜槽+臥管系統(tǒng)?；覉鐾艘酆?，在未來很長時間段內(nèi)將長期存在，排水系統(tǒng)存在破壞失效的可能性，可能會對壩體安全形成嚴重威脅。因此，灰場閉庫前應(yīng)進行相應(yīng)的安全評估。

4.2 灰場滿庫后的環(huán)保問題

灰場滿庫后，灰體作為污染源將長期存在，灰場滿庫后的粉煤灰污染主要表現(xiàn)在以下方面：①空氣污染?；覉鰸M庫后如不及時進行覆蓋，裸露的灰面在有風的情況下很容易引起粉煤灰擴散，形成二次揚塵空氣污染。當風力達到四級時，粉煤灰的沉降范圍可達10 萬～ 15萬平方公里。②地下水污染。灰場滿庫后，灰體作為污染源將長期存在，所以對灰場附近的地下水的污染可能性將長期存在。以元寶山電廠灰場為例，經(jīng)化驗檢測，灰場周圍的地下水水質(zhì)明顯變差，部分檢測項目超過《生活飲用水標準》： 硼超標270%，鉬超標103%，硝酸鹽超標74%，氟化物超標180%。

我國火力發(fā)電廠早期多采用水力灰場，且沒有設(shè)置防滲措施。粉煤灰通過輸灰管道輸送至水灰場后，隨灰水輸送沉淀，依靠自重固結(jié)，沒有碾壓壓實過程。因此，水灰場中粉煤灰含水量高、壓實系數(shù)小、滲透性大。運行期間，水灰場內(nèi)長期存在大量的自由水體，且灰場本身沒有進行防滲設(shè)計，故重金屬微粒容易析出并隨灰水下滲進入臨近的地下水水系，造成污染。隨著灰場滿庫后，將不再有灰水排入灰場，灰場頂面自由水體減少或消失，灰水的水頭壓力減少，污染物的傳輸動能將逐漸減弱。但雨水的下滲還會引起間歇性水頭增加，污染物排放量相應(yīng)增大。

干灰場在正常運行期間，長期存在裸露的干灰面，且有運輸、壓實機械的工作，故粉煤灰的飛灰污染相對比較嚴重。但干灰場正常運行期間沒有自由水面，不形成水頭壓力，故重金屬微粒隨灰水的下滲對地下水的污染相對較小。在降雨期間，因雨水匯集下滲的情況也是存在的，尤其在南方降雨量大、降雨歷時長的地區(qū)，由此也可能引起的對地下水的污染。當干灰場設(shè)置了防滲措施后，可以大幅度建設(shè)灰水下滲而引起的污染。

5 基本的封閉方案

根據(jù)以上分析可以得出，灰場滿庫后的安全問題主要集中在壩體安全和排水系統(tǒng)安全兩個方面。因此，灰場的閉庫工程設(shè)計中，應(yīng)從壩體安全和排水系統(tǒng)安全兩個方面考慮。針對壩體安全，應(yīng)根據(jù)灰場最終堆灰容量和高度確定灰壩安全等級，并根據(jù)實際壩體材料的物理力學性能，對各種可能的荷載組合下的壩體抗滑穩(wěn)定性進行計算分析。當壩體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)小于規(guī)定值時，應(yīng)考慮采取壩體加固措施。對松散灰體構(gòu)成的壩體可考慮采用強夯或深層攪拌方式進行加固處理。針對排水系統(tǒng)安全，閉庫時應(yīng)對排水系統(tǒng)進行全面的清查，修補破損設(shè)施。設(shè)計中應(yīng)根據(jù)水文氣象參數(shù)、最終灰壩等級和現(xiàn)有排水系統(tǒng)的排水能力，進行調(diào)洪演算分析，確保滿庫后的灰場有足夠的調(diào)蓄庫容和壩體安全超高。當排水系統(tǒng)不滿足要求或存在破壞的可能性時，應(yīng)考慮加設(shè)表面式排水措施，如側(cè)向溢洪道等。

根據(jù)以上分析可以得出，不論是水灰場還是干灰場，滿庫后的主要環(huán)境問題均表現(xiàn)為空氣污染和地下水污染。因此，灰場的閉庫工程設(shè)計中，應(yīng)從防止空氣污染和地下水污染兩個方面采取相應(yīng)的措施。針對無防滲措施的水灰場和干灰場，應(yīng)在灰體表面采用帶防滲措施的覆蓋層,如圖3(1)和(2)所示意的覆蓋層型式；針對已設(shè)置了防滲層的干灰場，可采用無防滲覆蓋層，如圖3(3)所示意的覆蓋層型式。 灰面覆蓋層應(yīng)設(shè)置一定的坡度和相應(yīng)的排水系統(tǒng)，避免表面積水。灰面覆蓋層應(yīng)并進行必要的表面綠化，綠化應(yīng)采用根系較淺的草本植物，以避免植物根系隊防滲層造成破壞。

6 封閉后的檢測檢查

灰場閉庫后，應(yīng)對地下水水質(zhì)進行定期檢測。一般可利用灰場已設(shè)置的觀測井，當灰場沒有設(shè)置觀測井時，應(yīng)補設(shè)。觀測井分別布置在灰場區(qū)域地下水上下游，且井數(shù)不少于3口。

閉庫后的灰場應(yīng)有專人監(jiān)管，每年汛期前應(yīng)進行防排洪設(shè)施檢查，發(fā)現(xiàn)隱患應(yīng)及時消除。

圖3 不同的覆蓋層

7 結(jié)論

火力發(fā)電廠生產(chǎn)的粉煤灰產(chǎn)量大，顆粒細，并含有多種重金屬微量元素。當不能完全綜合利用時，多余的粉煤灰需在灰場貯存。本文通過分析得出，貯存于灰場的粉煤灰對環(huán)境的污染主要通過空氣污染和地下水污染兩個途徑。從環(huán)保角度，我國現(xiàn)有灰場大體上可分為水灰場無防滲、干灰場無防滲和干灰場有防滲等三種類型，針對不同類型的灰場本文提出了不同的覆蓋層設(shè)計方案，在實施閉庫工程前應(yīng)對灰場的灰壩和排水系統(tǒng)等進行安全評估，閉庫后的灰場還應(yīng)設(shè)置必要的檢測設(shè)施，并加強灰場閉庫后的管理、維護和定期檢測。

[1]中國電力企業(yè)聯(lián)合會.2012年全國電力工業(yè)統(tǒng)計快報[J].北京：中國電力企業(yè)管理，2012，(2).

[2]第一次全國污染源普查資料文集[C].北京：中國環(huán)境科學出版社，2011.

[3]楊紅彩，鄭水林.粉煤灰的性質(zhì)及綜合利用現(xiàn)狀及展望[J].中國非金屬礦工業(yè)導刊，2003，34(4).

[4]武洋，等.粉煤灰、脫硫石膏綜合利用專題報告[R].石家莊：河北省電力設(shè)計院，2008.

[5]王福元，吳正嚴.粉煤灰利用手冊[M].北京：中國電力出版社，1997.

[6]GB 506600－2011，大中型火力發(fā)電廠設(shè)計規(guī)范[S].