大宗粉煤灰的综合利用及提质方案

成洪涛，董江波，李邦宪

（1.山西西山华通水泥有限公司，山西 太原 030205；2.合肥水泥研究设计院有限公司，安徽 合肥 230051）

0 前言

大宗粉煤灰的资源化综合利用，从目前来看，主要是用于生产水泥等建材产品和用于商品混凝土的掺合料。通过市场调研，我们了解到将粉煤灰原灰进行分选+球磨机粉磨，或同时添加合适的激发剂，对其进行提质，可以生产出不同细度和活性的粉煤灰产品。通过这种方式，可以大大提升粉煤灰在水泥及商品砼中的用量。

1 粉煤灰处置现状

山西兴能发电公司是煤电联营、热电联产的大型坑口火力发电厂，位于山西省太原市西部山区的古交市。据统计，该电厂每年排放粉煤灰量226万t、排放炉渣量约40万t、排放脱硫石膏量36万t。目前，每年仅有60万t粉煤灰和8万t脱硫石膏由我公司用于水泥生产。其余粉煤灰被加水湿润后，通过皮带运输到山谷，与炉渣、脱硫石膏一并填埋。按照环保要求，在填埋时采用粉煤灰加黄土覆盖的方式进行。这样层层填埋、层层压实，并在其上层种上绿色植物。由于粉煤灰排量巨大，已经将该电厂附近的山谷填满。其中一期粉煤灰填埋场已经基本填平，形成约14.72 ha（221亩）的空旷场地。以填埋的方式来处置粉煤灰，不仅对当地环境造成一定程度的污染，同时也是粉煤灰资源的浪费。

另外，兴能发电公司还承担着古交市和太原市5000万m2区域冬季供暖任务。进入采暖期后，三期六台机组基本满负荷运行。日排灰、渣量合计约10781（t其中粉煤灰9164t）。由于北方地区电厂固废用于建材产品和商品混凝土与热电联产电厂的运行存在反季现象。因此，在冬季对电厂排出的大量粉煤灰、炉渣、脱硫石膏的处置难度更大，环保压力更严峻。为此，公司计划寻找一条粉煤灰资源化利用的有效途径，将粉煤灰资源化利用和污染防治紧密结合起来，以解决制约该电厂正常生产经营所带来的灰、渣处置难题。

为此，我公司派出技术人员到全国各地进行了大量的调查研究。寻找粉煤灰资源化利用的可靠途径，以期找到新的思路和解决办法。

2 市场调研及商品砼对粉煤灰性能的要求

2.1 国内南方市场及企业的调研

南方地区，由于水泥企业众多，建筑市场活跃，而热电企业又相对较少，电厂产出的粉煤灰作为生产水泥的活性混合材，被水泥企业完全利用。就连炉渣及脱硫石膏也被处置的干干净净。通过走访，我们了解到一些企业利用粉煤灰和其它物料一起粉磨，生产一种比表面积700 m2/kg以上的超细粉产品，但是这种超细粉产品在市场上并没有太多的需求，企业的生产规模一般都较小，生产工艺也不稳定。有时，产品的细度也不易达到700m2/kg，就算能粉磨到该细度，其台产也较低，系统的电耗成本较高。文献[1]通过小磨实验研究，取得了将粉煤灰原灰比表面积从350m2/kg磨细至不同细度的细灰的粉磨电耗数据，见表1。

表1 粉煤灰原灰磨细至不同细度时的粉磨电耗指标

2.2 国内北方市场及企业的调研

北方地区，我们考察了两家企业：其一，陕西尧柏蒲城产业园新材公司年产120万t矿物外加剂项目：用三台Φ3.5m×15m球磨机闭路系统，利用粉煤灰原灰生产矿物外加剂产品。今年4月建成投产，并有首车矿物外加剂产品销售出厂。蒲城循环经济产业园固废资源利用项目，一期包含年产120万t矿物外加剂生产线和年产40万t新型装饰材料喷涂石膏生产线，可消纳华电蒲城公司现有全部粉煤灰和脱硫石膏等固废225万t。另外，二期还要建成一条年产3.6亿块新型墙材生产线，可消纳蒲城清洁能源公司现有气化渣等固废106万t。一、二期项目建成投产后，每年可处理工业固废资源约331万t。

其二、陕西正元集团公司在秦岭电厂和麟游电厂附近，与合肥院合作，先后共投产4台套Φ3.2m×16m球磨机闭路系统生产超细灰，达到年产120万t超细粉煤灰综合利用能力。其中，正元实业秦电环保公司，年产60万t超细粉煤灰综合利用项目于2020年7月竣工投产。该项目的竣工投产，将彻底解决华能秦电公司粉煤灰、灰渣的处置难题；能大幅减少灰渣拉运、存储、堆放过程带来对环境的“二次污染”及土地资源浪费。目前，正元实业公司已与渭河发电、秦岭发电、麟北发电、商洛发电、延安发电等多个电厂开展合作，形成了西北地区规模第一的产、供、销、储、运完整的产业链。

正元实业秦电环保公司生产的“KM超细粉”，是一种新型节能环保的砼掺合料。以粉煤灰原灰为主要原料，加入适量激发剂，用球磨机粉磨至理想细度而成。其使用性能突出：能提高混凝土各龄期强度、抗冻、抗渗性能；水化热指数大幅度降低，开裂风险几乎为零。其与掺入普通Ⅱ级粉煤灰相比，和易性明显改善，与各种外加剂的相容性明显提高，抗硫酸盐腐蚀、抗氯离子渗透性能明显改善，碳化程度明显减小。其经济效益显著：超细粉产品掺入各等级混凝土，能取代水泥25%～50%。对大体积混凝土而言，可显著降低混凝土单方成本。

以上两个公司的成功案例，都是通过球磨机粉磨工艺，细磨粉煤灰对其提质改性，且处理量都较大，值得我公司学习和借鉴。

2.3 粉煤灰掺合料在商品混凝土中的作用及性能要求

粉煤灰是电厂煤粉炉烟道气体中收集的粉末，其主要成分为：SiO2和Al2O3，还含有少量Fe2O3、CaO。根据用途分为拌制砂浆和混凝土用粉煤灰、水泥活性混合材料用粉煤灰两类。在混凝土中掺加粉煤灰后可以使混凝土的性能得到以下几个方面的改善：

（1）可以提高混凝土的后期强度；

（2）在混凝土的用水量不变的情况下，可以起到显著改善混凝土拌合物和易性的效应，增加流动性和粘聚性，还可降低水化热。

（3）在保持混凝土拌合物原有的和易性不变，则可减少用水量，起到减水的效果，从而提高混凝土的密实度和强度，增强耐久性。

粉煤灰在砼中发挥的主要作用有三种：形态效应、活性效应、微集料效应，见表2。

表2 粉煤灰在砼中的主要作用

《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》国家标准（GB/T 1596—2017）中，对粉煤灰性能等级作了规范要求，见表3。

表3 粉煤灰的等级要求（GB/T1596—2017） %

3 我公司的粉煤灰原灰的性能数据及提质方法

我公司电厂排放的粉煤灰原灰的细度偏粗，但活性指标较高，需水量达标。具体检测数据见表4，进一步的检测发现，粉煤灰中的微珠含量不高，大部分是大颗粒状的海绵状玻璃体，颗粒分布极不均匀。

表4 山西兴能电厂粉煤灰检测数据 %

文献[2]的研究表明，将粉煤灰原灰进行粉磨，破坏原有粉煤灰的形貌结构，增加了玻璃微珠颗粒的数量，使其成为粒度比较均匀的微细颗粒。且由于比表面积提高，还能发挥其超细微粉的性能，能显著提高其活性指数。在活性提高后，有利于粉煤灰在水泥中的掺入量，增加粉煤灰的利用率。文献[2]通过研磨实验来提高粉煤灰的活性及增加的掺入量数据见表5。

表5 粉煤灰原灰磨细对活性提高的数据

基于在商品砼中，对掺合料的粉煤灰有“形态效应、活性效应、微集料效应”的要求；且由于商品砼的品种不同，对掺入的粉煤灰的细度有不同的要求；还有基于不同商品砼的价格成本考虑；目前，市场上需求的粉煤灰产品主要有以下几种：二级灰、一级灰、磨细灰及超细灰等品种。

4 我公司粉煤灰提质工程方案及内容

通过对国内一些成功案例的考察，且与国内一些知名科研院所的专家研讨后一致认为：粉煤灰的机械力与化学复合活化技术,可以大幅度地提高其活性。所以，通过对粉煤灰原灰进行“分选+适当的粉磨”，开发出满足市场需求的二级灰、一级灰、磨细灰及超细灰等品种。这是大宗粉煤灰的资源化处置利用的的好方法。

对粉煤灰进行“分选+粉磨”的工艺成熟，技术装备可靠，综合利用粉煤灰量大，符合市场需求。

4.1 高效分选+球磨机粉磨工艺技术方案的确定

我公司的粉煤灰提质工程采取“空气分选+球磨机粉磨”相结合的工艺方案。该方案设置四套“分选+球磨机粉磨”的系统，年处理原灰量可达到350万t。主要设备，球磨机采用Φ3.5m×15m，分选设备采用N3500型新型高效选粉机，闭路粉磨工艺。拟生产的主要产品品种及指标见表6。

表6 磨细粉煤灰品种及产能

4.2 分选+球磨粉磨系统主要工艺方案简述

粉煤灰提质工程方案即粉煤灰细磨系统，采用前置选粉机的生产工艺。首先，将计量后的原灰输送至磨尾提升机，与出磨粉煤灰一起经提升机喂入N3500型高效选粉机内进行分选。合格细粉随气流进入一台处理能力230000m3/h的袋收尘器内收集，收集下的细粉即为成品；经输送斜槽、螺旋泵输送至大型细灰储存库中；粗粉则由空气输送斜槽送回球磨机内继续粉磨，粉磨后的物料再经磨尾提升机送入选粉机再分选。该系统的特点在于，可以同时生产四个品种的粉煤灰及超细灰，能满足市场的各种需求。尤其能做到在保证产品细度的情况下，对原灰中的玻璃微珠母珠的打散，和对大颗粒状的海绵状玻璃体粉磨，且不破坏微珠的微观结构，确保粉煤灰在商品砼中发挥颗粒形态效应。

本系统的磨机除尘采用独立的通风除尘系统，废气经除尘器净化后通过排风机排入大气，排出气体的含尘浓度(标况下)小于10 mg/m3，符合国家排放标准《水泥工业大气污染物排放标准》（GB4915—2013）。其工艺流程简图见图1，其中，球磨机规格：Φ3.5m×15m，4台，能力：50～100t/h 功率：2000kW，10kV；分级机型号：N3500，4台，处理风量：210000 m3/h，功率：160kW。

图1 球磨闭路粉磨+空气分选工艺生产流程图

5 大宗粉煤灰的应用市场分析

5.1 在水泥生产中的应用市场分析

根据前述的工程方案，粉煤灰提质工程实施后生产的分选、磨细灰（超细灰）粉煤灰产品广泛地应用于太原市和周边区域的水泥厂（包括粉磨站）、商品混凝土搅拌站和干混砂浆站。

目前太原市境内的水泥生产企业有14家，其中带水泥熟料生产线的企业6家，水泥粉磨站企业8家。太原、晋中区域是我省内最大的水泥消费市场，近年来进入该市场的水泥产品远不止上述14家，以我公司100km半径范围内水泥生产企业统计，约有26家水泥企业合计水泥总产能2690万t；以现有产销情况看，目前年产销售在1300～1400万t；水泥产品品种主要有 P·C32.5R(2017年)、P·O42.5、P·S42.5、P·C42.5；水泥生产配入的混合材主要以矿渣、矿渣微粉和粉煤灰为主，熟料煅烧原料中也掺配约10%的粉煤灰。以年产1350万t水泥测算，混合材年消耗量约为470万t，熟料煅烧原料中粉煤灰使用量约110万t。由于太原市周边仅有太钢（集团）与美锦钢铁产出高炉矿渣，总产量也仅300万t左右。而且近年来大量外运至阳泉、忻州、吕梁、晋中的水泥及商品砼企业。因此，市场供应日趋紧缺，保守估计以同等质量的分选、磨细和超细粉煤灰来替代矿渣和矿渣微粉，粉煤灰用于水泥生产的需求量在380万t。

5.2 在预拌砼中的应用市场分析

经市场调查，我公司周边现有预拌混凝土搅拌站51家。其中，古交市8家，清徐县6家，晋源区7家，小店区8家，万柏林区2家，杏花岭区4家，迎泽区3家，尖草坪区13家，交城县5家，还不包括阳曲县和榆次区的30余家搅拌站。据统计，太原市2017年预拌砼消费量约为1600万m3；粉煤灰使用量约为60万t。而且随着用于砼中的矿渣微粉供应的紧缺，分选、磨细和超细粉煤灰的需求量还将增大，预计年需求量将达到80万t以上。

5.3 粉煤灰（磨细灰）炉渣在预拌砂浆中的应用市场分析

太原市2017年有预拌砂浆生产企业5家，目前在建企业4家，2017年预拌砂浆产量约50万t。随着太原市市区内禁止建设工程现场搅拌砂浆政策的推行，预拌砂浆的市场需求量将大幅增加。据统计，太原市年需预拌砂浆约260万t，折算到粉煤灰及炉渣（用于轻质集料）的总需用量约30万t。

6 粉煤灰产品市场销售竞争力分析

据估计，该项目(粉煤灰提质工程）年销售原灰26万t，Ⅰ、Ⅱ级灰60万t，磨细灰75万t，磨超细灰65万t。其销售价格类比市场中的原状粉煤灰、Ⅰ、Ⅱ级粉煤灰、矿渣微细粉的售价。同类产品市场调研价格见表7。

表7 周边粉煤灰售价表

本项目原状粉煤灰的费用，售价为15元/t（仅相当于运费）；其它产品的售价结合本项目所处地理位置和交通运输的劣势,降价20元/t（运费差价）销售，其产品系列正常测算价格如表8。

表8 预测粉煤灰售价表

考虑到市场竞争情况,在正常测算价格的基础上再下调5～25元/t来确定销售价格。即II级灰45元/t、球磨细灰75元/t、球磨超细灰120元/t来进行经济效益测算分析，项目仍具有较强的盈利能力。可见预期的产品销售价格具有较强的市场竞争力。

产品的市场竞争力主要由产品质量与售价决定。本项目采用先进成熟的生产工艺，其产品质量优于市场中的同类产品，且在售价测算中，还低于同类产品市场价5～20元/t，仍具有良好的经济效益，可见市场的风险较小。

7 结语

大宗粉煤灰的综合利用，主要是在水泥、预拌砼、预拌砂浆、建筑工程、建材制品等方面。通过国内市场的调研、科学分析，参考相关企业的成功经验，依托国内知名科研院所和科技企业的技术，采取“分选+合适的粉磨”的生产工艺来提高粉煤灰产品的品质。并且开发出多个品种的粉煤灰产品，来满足水泥及商品砼生产的需要，为我公司的大宗粉煤灰的综合治理找出一个切实可行的总体方案。