粉煤灰资源开发利用及产业发展*

刘新杰 ，王 昊 ，刘丽丽

（1.北京大学工学院，北京100871；2.煤炭开采水资源保护与利用国家重点实验室）

中国是一个贫油少气而相对富煤的能源生产国和消费国，中国煤炭行业在政府去产能政策的引导下产量连续4 a下降，2016年中国的煤炭产量约为33.56亿t，仍是世界上最大的煤炭生产国，煤炭总量占世界煤炭总量的1/2左右。中国2011—2016年的能源结构见图1。

中国相对富煤的国情决定了中国能源以煤炭为主体能源，石油、天然气、水电、风电和核电为辅的能源现状［1］。2016年原煤的生产总量达 24亿 t/a（以标准煤计，下同）之多，2016年以前长期占据能源生产总量的70%以上，但其所占能源比例从2012年起正在逐渐下降，至2016年所占比例首次低于70%，约为69.6%。中国原油年产量在3亿t（以标准煤计，下同）附近徘徊，近6 a一直占据能源比例的8.5%。

图1 中国的能源结构组成（中华人民共和国国家统计局）

天然气年产量为1.3亿～1.8亿t（以标准煤计，下同），产量和能源占比均有上升趋势，比例由4.1%增至5.3%，具有良好的发展前景。近些年来中国新能源水电、风电、核电发展迅猛，能源占比由2011年的9.6%上升至2016年的16.9%，发展前景极好。中国未来能源中煤炭、石油、天然气、一次电力及其他能源将各自占据重要位置。目前，世界能源主要以石油为主，天然气和煤炭次之。针对中国具体国情，未来20 a中国主体能源仍以煤炭为主，与此同时天然气、水电、风电和核电将迎来快速发展时期。

1 中国粉煤灰现状及产量预测

粉煤灰是从煤燃烧后的烟道中收获的细灰，是燃煤电厂排放的主要固体废弃物［2-3］。目前，中国发电主要以火电为主，火电发电量一直占据中国电力生产总量的78%以上，其次是水电约占17%，剩余核电比例不足5%。在中国仅用于发电的煤炭量已达18亿t/a（2014年），城市集中供热锅炉2.2亿t/a，火电每消耗1 t煤，平均排放0.3 t的粉煤灰。随着国家去产能政策影响和煤电去产能变革，中国煤炭及粉煤灰产量发展趋势发生了新的变化，如图2所示。

图2 中国煤炭和粉煤灰产量发展趋势

由图2可见，中国煤炭资源由于基数大、比例高，仍是中国的主体能源。但随着中国能源结构优化和新能源的开发，预计中国煤炭产量未来可控制在25亿～40亿t/a。与此同时，电厂的粉煤灰排放量于2014年已达峰值且不再增加，预计未来20 a粉煤灰年排放量可维持在5亿～7亿t/a，仍是中国排量较大的工业废渣之一。大量的粉煤灰若不加处理堆积，会产生飞尘，污染大气；若排入水系会造成河流淤塞，而其中的有毒化学物质还会对人体和生物造成危害，给中国的国民经济建设及生态环境带来巨大的压力。

2 中国粉煤灰区域分布问题

目前，中国粉煤灰年产量已超过5亿t，利用率则高达70%，与世界先进国家水平持平。中国粉煤灰存在产量大、地区分布利用严重不均衡和堆存粉煤灰缺乏科学处置的问题。粉煤灰产生地区往往位于产煤大省和自治区，如内蒙古、山西、陕西、贵州、山东、新疆、河南、安徽、甘肃和河北等地，仅内蒙古和山西两处煤炭产量就占中国煤炭产量的1/2之多。这些主要的产煤区粉煤灰产生量大，因技术水平和经济性问题造成了粉煤灰利用率相对较低。目前，未被综合利用的粉煤灰基本都集中在这些地区。在东南沿海等发达地区和一些大城市，粉煤灰总体量不大，已经被完全资源化利用，甚至出现供不应求的情况。江苏、浙江一些省份基本实现了粉煤灰产生和利用的平衡。

3 粉煤灰基本性能分析

粉煤灰主要成分为 SiO2、Al2O3、CaO、SO3、Fe2O3、TiO2、MgO、K2O、P2O5、Na2O， 通常根据 Al2O3、CaO 含量多少也划分高铝、低铝和高钙、低钙粉煤灰，但其主要成分为 SiO2、Al2O3、CaO。 图3为采用 FactSage 7.1软件对CaO-Al2O3-SiO2系相图做的计算分析。

图3 CaO-Al2O3-SiO2系相图

由图3可知，粉煤灰的反应温度区间［T（min）～T（max）］为 1 184.29～2 571.99 ℃，由于 SiO2、Al2O3、CaO物质的量分数和温度的不同，其主要生成物也略有差异。相比较而言，粉煤灰反应温度活性区间（1 184～1 800 ℃），按活跃度排序为（1 400～1 500℃）＞（1 300～1 400 ℃）＞（1 200～1 300 ℃）。 不同高温区间下可能存在的物质形态如表1所示。

为此，要研究粉煤灰高温下的性能，应主要考虑1 200～1 500℃的温度区间。

表1 不同高温区间下可能存在的物质形态

4 粉煤灰产业发展多元化、高值化、产业化

中国人均资源相对匮乏，自从20世纪80年代以来，国家和一些地方政府出台了一系列有关粉煤灰分选资源综合利用的政策法规，极大地推动了粉煤灰综合利用事业的蓬勃发展。经过开发，粉煤灰在建材工业、筑路工程、化学工业、农业利用、环境保护和绿色灰机等领域得到多元化应用［4-10］，如图4所示。

图4 粉煤灰利用多元化

李克强总理指出，2016—2020年是中国产业结构调整、转型升级的关键期和机遇期。正值粉煤灰总量已达峰值后产量逐渐稳定的情况下，粉煤灰资源属性日趋明显，表现为部分地区粉煤灰短缺现象，迫使粉煤灰利用也朝着高值化、产业化方向发展。利用粉煤灰矿物组成、粒径分布和高温下的理化性能，开展“废弃物→资源化再利用→新产品”的循环路径模式，开发较多轻绿色煤基产品，如陶瓷、岩棉、岩板等。

北京市“固体废弃物资源化技术与管理”重点实验室王习东课题组以粉煤灰为主要原料，添加适当的黏土和添加剂烧制日用和卫生陶瓷，与普通陶瓷制品相比更加节约成本。同时开发了具有防火、保温、易于切割等优良特性的岩棉，已经在山西朔州工厂工业化生产销售。研发的粉煤灰岩棉仿木地板在山西-朔州北大研发中心与内蒙古包头建立了中试示范生产线，具有防水、阻燃、耐磨、耐候、抗压、抗折等综合优势，可替代天然木材天然石材、复合板材。

5 结论

粉煤灰是一种特殊的工业废弃物，既是污染环境的工业副产品，又是能够加以利用的资源，具有多重属性。充分研究其特性，提升利用价值，变废为宝，具有重大的意义。随着国家去产能政策实施和煤炭清洁利用的推进，粉煤灰的资源属性更加突出明显，在建材、化工、筑路、农业、环境和绿色灰基等领域的发展将更加多元化，资源化利用愈加高值化和产业化。

［1］ 谌紫娟.江西省能源结构优化调整研究［D］.南昌：江西师范大学，2012.

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