火力发电厂灰场闭库方案讨论

费全昌

(电力规划设计总院，北京 100120)

1 我国粉煤灰的年产量

我国一次能源领域具有“缺油、少气、多煤”的特点, 决定了我国电力供应主要以火力发电为主。截止2011年底，全国发电装机总容量为105576万kW，其中火电装机容量76546万kW，占全国发电装机总容量的72.5%。火力发电需消耗大量的煤炭，在煤炭的生产、运输及燃烧过程中会产生粉尘、SO2、NOx和CO2等各种污染物，而煤炭燃烧后的副产物-粉煤灰也会对自然环境产生一定的影响。

根据第一次全国污染源普查资料文集，我国现有电力、热力的生产和供应业类产生工业源固体废弃物的企业7412个，年产粉煤灰34033.45万t，其中电力热力企业粉煤灰产量约29894.69万t，占粉煤灰产生总量的87.84%。根据综合利用率60%考虑，每年约有13613万t粉煤灰需贮存。因此，粉煤灰已经成为生产量非常大的工业固体废弃物污染源。

2 粉煤灰的成份

煤炭在锅炉中燃烧后形成两种固态残留物——灰和渣。随烟气从锅炉顶部排出，经除尘器收集的固体颗粒为粉煤灰；颗粒较大或呈块状的、从炉膛底部收集出来的固态残留物为炉渣[3]。从环境保护和灰场贮存的角度讲的粉煤灰，一般也包括炉渣，也可称作为灰渣。由于粉煤灰量较灰渣量大很多，本文以粉煤灰为主，对其物理化学特性进行分析。

火力发电厂的粉煤灰一般是灰色或灰白色粉状物，当含水量较大时呈灰褐色，堆积密度一般在0.5～1.2g/cm3之间，颗粒粒径在0.001mm～0.1mm之间。图1是粉煤灰的粒径分布图。火力发电厂的粉煤灰化学成份与所燃烧的煤源有直接关系，其化学成分与粘土质矿物相似。表1是某电厂粉煤灰的化学组成成份。从表1中可以看出，SiO2、Al2O3及Fe2O3的含量占85%左右。此外粉煤灰中还含有一些有害的微量元素和重金属元素，如铜、银、镓、铟、镭、钪、铌、钇、镧等。表2是国内外粉煤灰中微量元素。

3 火力发电厂粉煤灰的贮存方式

火力发电厂所生产的粉煤灰是很好的建筑材料，如：生产粉煤灰水泥、制作轻型砌块、用来筑路和改善建筑物地基强度，还可以用来改良土壤。但是，由于各种条件限制，粉煤灰的综合利用存在地区性差异和季节性波动，每年都有大量的粉煤灰需贮存起来，贮存粉煤灰的场地称作灰场。

图1 粉煤灰的粒径分布图

表1 某电厂粉煤灰的组成成份

根据粉煤灰贮存的期限，灰场可分为临时事故灰场或永久灰场。临时事故灰场一般是指当粉煤灰存在时段性或季节性不能综合利用的情况时，用来暂时贮存火力发电厂产生的粉煤灰的场地，临时事故灰场的库容应能贮存约1年的粉煤灰量(含灰渣及脱硫石膏等)。永久灰场一般是指在粉煤灰综合利用条件不好的区域，火力发电厂产生的粉煤灰作为废弃物永久堆放的场地。火力发电厂永久性灰场的总库容一般应可贮存20年左右的粉煤灰量(含灰渣及脱硫石膏等)。

根据灰场所处地理位置的不同，灰场又可以分为平原灰场、滩涂灰场和山谷灰场。根据输灰和布灰方式不同，灰场又可以分为干灰场和水灰场。

表2 国内外粉煤灰中微量元素含量(mg/kg)

4 灰场满库后的问题

随着环保意识不断提高，火力发电厂灰场的设计理念也发生了很大变化。上世纪80年代前，我国火力发电厂多采用水灰场，此后，逐渐开始采用干灰场，目前新建的火力发电厂基本上全部采用干灰场方案。对灰场防渗方面的要求，也是随着《一般工业固体废物贮存、处置场污染控制标准》(GB18599-2001)的发布才强制执行的。因此，我国现有的灰场大体可以分为以下三种类型：①水灰场，无防渗措施；②干灰场，无防渗措施；③干灰场，有防渗措施。截止目前，全国范围内已有一些灰场陆续达到设计贮灰年限而退役，随着时间推移，退役的灰场会逐步增多，因此，灰场的闭库工程设计方面的需求也会越来越多。据了解，目前国内还没有完善的灰场闭库设计思路和方案。

4.1 灰场满库后的安全问题

灰场满库以后的安全问题主要表现在以下几个方面：①管理安全。由于灰场满库以后，逐步退出运行，管理人员相应减少，而由外部人畜进入灰场而引发事故的可能性增大，故应采取相应的措施，在可能发生危险的地方设置隔离措施，并设立警示标志。②灰场坝体的安全。当灰场达到设计标高时，此时灰坝的安全系数最低，特别是采用灰渣分级加高筑坝的灰场，坝体碾压往往不达标，因此，应对坝体整体稳定性进行复核，必要时应进行加固以确保灰场安全。坝体护面和坡脚排水应加强维护，避免长期冲刷造成局部坍塌。③排水系统的安全性。一般山谷灰场均设有排水系统，用来将沟谷上游和灰场内雨灰水排至下游。排水系统一般采用竖井或斜槽+卧管系统。灰场退役后，在未来很长时间段内将长期存在，排水系统存在破坏失效的可能性，可能会对坝体安全形成严重威胁。因此，灰场闭库前应进行相应的安全评估。

4.2 灰场满库后的环保问题

灰场满库后，灰体作为污染源将长期存在，灰场满库后的粉煤灰污染主要表现在以下方面：①空气污染。灰场满库后如不及时进行覆盖，裸露的灰面在有风的情况下很容易引起粉煤灰扩散，形成二次扬尘空气污染。当风力达到四级时，粉煤灰的沉降范围可达10 万～ 15万平方公里。②地下水污染。灰场满库后，灰体作为污染源将长期存在，所以对灰场附近的地下水的污染可能性将长期存在。以元宝山电厂灰场为例，经化验检测，灰场周围的地下水水质明显变差，部分检测项目超过《生活饮用水标准》： 硼超标270%，钼超标103%，硝酸盐超标74%，氟化物超标180%。

我国火力发电厂早期多采用水力灰场，且没有设置防渗措施。粉煤灰通过输灰管道输送至水灰场后，随灰水输送沉淀，依靠自重固结，没有碾压压实过程。因此，水灰场中粉煤灰含水量高、压实系数小、渗透性大。运行期间，水灰场内长期存在大量的自由水体，且灰场本身没有进行防渗设计，故重金属微粒容易析出并随灰水下渗进入临近的地下水水系，造成污染。随着灰场满库后，将不再有灰水排入灰场，灰场顶面自由水体减少或消失，灰水的水头压力减少，污染物的传输动能将逐渐减弱。但雨水的下渗还会引起间歇性水头增加，污染物排放量相应增大。

干灰场在正常运行期间，长期存在裸露的干灰面，且有运输、压实机械的工作，故粉煤灰的飞灰污染相对比较严重。但干灰场正常运行期间没有自由水面，不形成水头压力，故重金属微粒随灰水的下渗对地下水的污染相对较小。在降雨期间，因雨水汇集下渗的情况也是存在的，尤其在南方降雨量大、降雨历时长的地区，由此也可能引起的对地下水的污染。当干灰场设置了防渗措施后，可以大幅度建设灰水下渗而引起的污染。

5 基本的封闭方案

根据以上分析可以得出，灰场满库后的安全问题主要集中在坝体安全和排水系统安全两个方面。因此，灰场的闭库工程设计中，应从坝体安全和排水系统安全两个方面考虑。针对坝体安全，应根据灰场最终堆灰容量和高度确定灰坝安全等级，并根据实际坝体材料的物理力学性能，对各种可能的荷载组合下的坝体抗滑稳定性进行计算分析。当坝体抗滑稳定安全系数小于规定值时，应考虑采取坝体加固措施。对松散灰体构成的坝体可考虑采用强夯或深层搅拌方式进行加固处理。针对排水系统安全，闭库时应对排水系统进行全面的清查，修补破损设施。设计中应根据水文气象参数、最终灰坝等级和现有排水系统的排水能力，进行调洪演算分析，确保满库后的灰场有足够的调蓄库容和坝体安全超高。当排水系统不满足要求或存在破坏的可能性时，应考虑加设表面式排水措施，如侧向溢洪道等。

根据以上分析可以得出，不论是水灰场还是干灰场，满库后的主要环境问题均表现为空气污染和地下水污染。因此，灰场的闭库工程设计中，应从防止空气污染和地下水污染两个方面采取相应的措施。针对无防渗措施的水灰场和干灰场，应在灰体表面采用带防渗措施的覆盖层,如图3(1)和(2)所示意的覆盖层型式；针对已设置了防渗层的干灰场，可采用无防渗覆盖层，如图3(3)所示意的覆盖层型式。 灰面覆盖层应设置一定的坡度和相应的排水系统，避免表面积水。灰面覆盖层应并进行必要的表面绿化，绿化应采用根系较浅的草本植物，以避免植物根系队防渗层造成破坏。

6 封闭后的检测检查

灰场闭库后，应对地下水水质进行定期检测。一般可利用灰场已设置的观测井，当灰场没有设置观测井时，应补设。观测井分别布置在灰场区域地下水上下游，且井数不少于3口。

闭库后的灰场应有专人监管，每年汛期前应进行防排洪设施检查，发现隐患应及时消除。

图3 不同的覆盖层

7 结论

火力发电厂生产的粉煤灰产量大，颗粒细，并含有多种重金属微量元素。当不能完全综合利用时，多余的粉煤灰需在灰场贮存。本文通过分析得出，贮存于灰场的粉煤灰对环境的污染主要通过空气污染和地下水污染两个途径。从环保角度，我国现有灰场大体上可分为水灰场无防渗、干灰场无防渗和干灰场有防渗等三种类型，针对不同类型的灰场本文提出了不同的覆盖层设计方案，在实施闭库工程前应对灰场的灰坝和排水系统等进行安全评估，闭库后的灰场还应设置必要的检测设施，并加强灰场闭库后的管理、维护和定期检测。

[1]中国电力企业联合会.2012年全国电力工业统计快报[J].北京：中国电力企业管理，2012，(2).

[2]第一次全国污染源普查资料文集[C].北京：中国环境科学出版社，2011.

[3]杨红彩，郑水林.粉煤灰的性质及综合利用现状及展望[J].中国非金属矿工业导刊，2003，34(4).

[4]武洋，等.粉煤灰、脱硫石膏综合利用专题报告[R].石家庄：河北省电力设计院，2008.

[5]王福元，吴正严.粉煤灰利用手册[M].北京：中国电力出版社，1997.

[6]GB 506600－2011，大中型火力发电厂设计规范[S].