葉詩瑛

（合肥熱電集團有限公司,合肥 230022）

1 前言

煤炭是中國最主要的能源，從1980年至2011年，中國的煤炭生產(chǎn)量和消費量都呈逐漸增加的趨勢，自2002來以來，煤炭的消費量大幅度增加。在2011年，中國消費40.5億噸，位居世界第一。在煤炭的消費中，電廠用煤占絕大數(shù)比例，約為70% (USEIA., 2011; You.,2010) 。

大量的電廠用煤導致了環(huán)境和經(jīng)濟的問題，燃煤過程產(chǎn)生的巨大的環(huán)境污染物是不容忽視的。以一個典型的1000MV的電廠為例，每年將產(chǎn)生1,000,000噸的廢棄物，這其中包括SOx，NOx、CO2，酸性氣體，以及固體廢物，如，飛灰，底灰，脫硫的固體廢物等等，這些統(tǒng)稱為燃煤廢物，或者是燃煤副產(chǎn)品(Epstein., 2011; Agrawal.,2010)。在中國燃煤廢物，煤矸石和鋼渣被列為三大工業(yè)廢物。在燃煤電廠中，飛灰占燃煤廢物的大部分，大約為70%左右。中國現(xiàn)已成為世界上最大的飛灰生產(chǎn)國，據(jù)預測到2020年，飛灰的產(chǎn)量將為570×106～610×106噸(Barnes., 2004; Cao., 2008)。大量產(chǎn)生的飛灰，除了極少數(shù)的被回收利用，大部分將直接填埋，這給環(huán)境造成了極大的危害。

國內(nèi)外大量的文獻集中在飛灰中的有害微量元素的釋放機理和遷移規(guī)律，但飛灰中的化學組成特征對于飛灰的產(chǎn)生機理和再利用有著重要的指導意義，基于此，本文對燃煤電廠中不同粒徑飛灰的化學組成進行了分析研究，為飛灰的再利用提供基礎信息。

2 采樣和實驗

本實驗飛灰來源于熱電廠穩(wěn)定運行時除塵器出口處，該廠鍋爐為5臺75t/h次高溫次高壓循環(huán)流化床。煙氣凈化系統(tǒng)由石灰石爐內(nèi)脫硫和布袋除塵系統(tǒng)兩部分組成，其脫硫和除塵效率分別達到82%、99.99%。

本次試驗的樣品采于熱電廠除塵器與倉泵接口處，如圖1所示位置為采樣位置。樣品保存在聚乙烯袋中以防被污染，顆粒的粒徑分析采用激光粒度分布儀（丹東百特BT-2003）。

圖1 熱電廠生產(chǎn)工藝圖

將飛灰在105℃烘干24h之后，根據(jù)其顆粒的大小，用100、120、170、240目的篩子將飛灰劃分為5個不同粒徑范圍，依次得到飛灰a(<100), 飛灰b (100～120), 飛灰c (120～170), 飛灰d (170-240)和飛灰e (>240)，對不同粒徑的飛灰顆粒進行XRF（X射線熒光光譜法）測試分析。

3 結果和討論

3.1 飛灰的顆粒特征

表1 飛灰中不同顆粒顆徑分類

D10：表示有10%顆粒的顆徑小于4.62μm；D50：表示有50%飛灰顆粒的顆徑小于27.96μm；D90：表示有90%顆粒的顆徑小于75.39μm；AMD：飛灰顆粒平均顆徑。

圖2 飛灰中顆粒的典型分布圖

顆粒分布特征是飛灰的一項重要的指標。一方面，指示燃燒效率，另一方面影響飛灰的利用，淋濾和健康風險。本次試驗中，飛灰的粒徑范圍為0.3 to 250μm，其中大部分位于20-25μm。從圖2看出，飛灰的粒徑呈明顯的雙峰分布，出現(xiàn)兩個峰值，位于0.5-0.6μm處，另一個位于20-25 μm，這與前人的研究基本想符合。

Mehta (1998) 的研究表明，在混凝土的再利用過程中，粒徑小于10μm飛灰的顆粒反應更快，能夠增加混凝土的強度，而顆粒大于45μm的顆粒反應很慢（> 1年）。本次試驗中，大部分飛灰粒徑均小于45μm，約占70%以上，可以作為混凝土的原材料。

3.2 飛灰的化學成分

飛灰是一種較為復雜的固體廢物，在不同的顆粒，不同的電廠，不同的燃燒條件下，其化學組成和微量元素的含量均不同。一般來說，飛灰的化學組成主要為SiO2，Al2O3，F(xiàn)e2O3和少量的CaO。根據(jù)這些組分含量的不同，ASTM C618 （ASTM是美國材料實驗協(xié)會所制定的相關標準，混凝土中使用的煤飛灰和未處理的或煅燒的天然火山灰的標準規(guī)范）將灰分劃分為C級和F級，F(xiàn)級，一般來自于無煙煤，煙煤和亞煙煤，其CaO的含量小于7%，C級，主要是來自褐煤，其石灰含量較高CaO (5～30 wt.%)。在中國通常根據(jù)飛灰中鈣含量的差異將其非為高鈣灰和低鈣灰(Gu., 2004)。也有學者將燃煤飛灰根據(jù)成分分為硅鋁質(zhì)，鈣質(zhì)，鐵質(zhì)和有機質(zhì)四種類型。

表2 熱電廠不同顆粒的飛灰化學成分(wt.%)

表2為不同顆粒的飛灰化學成分，從表可以看出，飛灰的主要成分為SiO2, Al2O3, 和CaO，占了70%以上，還有少量的MnO, TiO2,K2O, P2O5, Na2O, SO3, Fe2O3，和MgO，其含量均低于5%，根據(jù)ASTM C618的分類，這類飛灰可以分為F級。另外飛灰中高含量的鈣和鋁在利用過程中可以增加混泥土的強度和耐腐蝕度 (Ma., 1999)。

飛灰中大部分元素的含量與前人統(tǒng)計的數(shù)據(jù)相當，除了CaO和SO3，這主要是由于鍋爐中加入了石灰石去除硫，使硫未被排放到大氣中，從而導致燃燒產(chǎn)物中的CaO和SO3的含量增加。大部分元素含量隨著顆粒粒徑的減小其含量出現(xiàn)逐步增加的趨勢，這主要是由于小顆粒的較大的比表面積，另外，小顆粒冷卻的越快，導致其不穩(wěn)定性增大，從而成為活性的結構，更容易吸附元素 (Meij., 1994; 2007)。

4 結論

通過對CFB鍋爐的飛灰化學組成和顆粒分布特征分析可以得出：（1）飛灰顆粒的分布為雙峰分布，且大部分飛灰顆粒位于20-25μm；（2）飛灰中元素含量與中國飛灰的均值想接近，除了CaO和SO3，主要是由于石灰石除硫所導致；（3）飛灰的顆粒和化學組成為飛灰的綜合利用提供了基本的信息，本次實驗中飛灰較適用于混泥土的原料。

[1]Z.Gu, Basic properties of fly ash. In F. Wang, & W. Zhengyan, A handbook for fly ash utilization, Beijing: China Power Press, 2004. [In Chinese]

[2]C.L Yuan, J.M Zhang, The chemical composition of fly ash in China coal power plant, Electric Power Environmental Protection, 14 (1998) 9-14. [In Chinese]

[3]P.K. Mehta, Role of fly ash in sustainable development,Concrete, Fly ash and the Environment-Proceeding, 8th Dec., 1998.

[4]USEIA, Energy Information Administration. Total coal consumption and production in China from 1980 to 2011, www.eia.doe.gov , 2011.

[5]C. You, X. Xu, Coal combustion and its pollution control in China, Energy, 35 (2010) 4467-4472.

[6]P.R. Epstein, J.J. Buonocore, K. Eckerle, M. Hendryx, B.M.Stout III, R. Heinberg, R.W. Clapp, B. May, N.L. Reinhart, M.M.Ahern, Full cost accounting for the life cycle of coal, Annals of the New York Academy of Sciences, 1219 (2011) 73-98.

[7]P. Agrawal, A. Mittal, R. Prakash, M. Kumar, T. Singh, S.Tripathi, Assessment of contamination of soil due to heavy metals around coal fired thermal power plants at Singrauli region of India, Bulletin of environmental contamination and toxicology, 85 (2010) 219-223.

[8]I. Barnes, L. Sear, G. Britain, Ash utilisation from coalbased power plants, Department of Trade and Industry 2004.

[9]D.Z. Cao, E. Selic, J.-D. Herbell, Utilization of fly ash from coal-fired power plants in China, Journal of Zhejiang University SCIENCE A, 9 (2008) 681-687.

[10]B. Ma, M. Qi, J. Peng, Z. Li, The compositions, surface texture, absorption, and binding properties of fly ash in China, Environment International, 25 (1999) 423-432.

[11]R. Meij, Trace element behavior in coal-fired power plants, Fuel Processing Technology, 39 (1994) 199-217.

[12]R. Meij, H. te Winkel, The emissions of heavy metals and persistent organic pollutants from modern coal-fired power stations, Atmospheric Environment, 41 (2007) 9262-9272.