火力发电厂固体废弃物的资源化利用
近年来，随着中国工业化进程的不断深入，工业固体废弃物在逐年增加。而火力发电厂作为中国能源工业的主体，每年产生的固体废弃物超过4×107t，不仅给周围环境造成巨大压力，也造成资源浪费。目前对火电厂固体废弃物处理主要采用填埋和堆放方式，占地面积大，环境压力大，处理成本高，浪费严重，资源化利用仅占30%左右。本文通过对国华宁海电厂固体废弃物资源化利用的研究，发现其实现了节约资源、保护环境的双重效果，值得借鉴。
1火力发电厂固体废弃物的来源组成性质
1.1工业固体废弃物的定义
工业固体废弃物是指在工业生产过程和工业加工过程产生的一般不再具有原使用价值而被丢弃的以固态和半固态存在的物质，或是与提取目的组分不同的剩余物质。火力发电厂固体废弃物属于能源工业固体废弃物中的一种[1]。
1.2火力发电厂固体废弃物的来源及种类
火力发电厂固体废弃物主要产生于燃煤发电过程，煤粉经高温燃烧后形成一种似火山灰质的混合材料，主要包括粉煤灰、废渣、碎屑等。另外随着脱硫技术条件的成熟，脱硫石膏成为现代火电厂一种主要固体废弃物。例如国华宁海电厂的固体废弃物主要为粉煤灰和脱硫石膏。
1.3火力发电厂主要固体废弃物组成性质
1.3.1粉煤灰的组成性质
粉煤灰化学组成与煤的矿物成分、煤粉细度和燃烧方式有关，其主要成分为SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO和未燃炭，另含有少量K、P、S、Mg等的化合物和微量元素。根据粉煤灰中CaO含量的高低，一般将其分为高钙灰和低钙灰。CaO含量在20%以上的为高钙灰，其质量优于低钙灰。粉煤灰中SiO2、Al2O3、Fe2O3的含量关系到用它作为建材原料的好坏。
粉煤灰活性是指粉煤灰在和石灰、水混合后所显示的凝结硬化性能。具有化学活性的粉煤灰本身无水硬性，但在潮湿条件下，能与Ca(OH)2等发生反应，显示出水硬性。粉煤灰是灰色或灰白色的粉状物，含碳量越高，颜色越深，粒度越粗，质量越差。低钙灰密度一般为1800kg/m3～2800kg/m3，高钙灰密度可达2500kg/m3～2800kg/m3。粉煤灰的松散干密度在600kg/m3～1000kg/m3范围内，粒径范围为0.5μm～300μm，细度为45×10-5μm方孔筛，起筛余量一般为10%～20%，其比表面积为2000cm2/m3～4000cm2/m3。
1.3.2脱硫石膏的组成性质
脱硫石膏又称排烟脱硫石膏、硫石膏或FGD石膏，主要成分和天然石膏一样，为Ca(SO4)˙2H2O。烟气脱硫石膏呈较细颗粒状，平均粒径约40μm～60μm，颗粒呈短柱状，径长比在1.5～2.5之间，颜色呈灰、黄，Ca(SO4)˙2H2O含量较高，一般都在90%以上，含游离水一般在10%～15%，其中还含飞灰、有机碳、CaSO3及由Na、K、Mg的硫酸盐或氯化物组成的可溶性盐等杂质。脱硫石膏以单独的结晶颗粒存在。脱硫石膏主要杂质为CaCO3、Al2O?和SiO2，其它成分有方解石或α石英、αAl?O?、Fe?O?和长石、方美石等。
2火力发电厂固体废弃物的污染
露天存放或置于处置场的火电厂固体废弃物中的化学有害成分可通过环境介质——大气、土壤、地表或地下水等直接或间接传至人体，威胁健康。许多火电厂将粉煤灰与锅炉底部的沉渣(炉渣)一起排出，即粉煤灰渣。中国火电厂每年排放的粉煤灰渣等固体废弃物超出4×107t，是一个重要污染源。它们占用大量土地堆积，加剧土地利用矛盾，极大破坏土地资源，同时还产生多种环境问题。
2.1火力发电厂固体废弃物对大气的污染
火电厂固体废弃物，多是细微颗粒态的废渣，如粉煤灰等。这些固体废弃物可随风飘扬，从而对大气环境造成污染。中国火电厂每年排放的粉煤灰渣超出4×107t，是重要的污染源。此外，随风飘扬的尘粒不仅本身污染环境，还会与SiO2、NO等有害气体结合，加剧对环境的损害，其中尤以10μm以下飘尘对人体更为有害。一般燃煤电厂的飞灰尘粒中，小于10μm的占20%～40%，国华宁海电厂一期工程每年产生粉煤灰60×104t，若不能及时治理，将会给大气环境带来严重压力。
2.2火力发电厂固体废弃物对水体的污染
火电厂固体废弃物中含有Hg、Pb等重金属，置于水体，将使水体直接受到污染，严重危害水生生物的生存条件，并影响水资源的充分利用，同时堆积的固体废物经过雨水的浸渍和废水本身的分解，其渗滤液和有害化学物质转化和迁移，将对附近地区的河流及地下水系和资源造成污染。此外，火力发电厂的水力冲灰等含有大量悬浮物，若排入河道，会淤塞河床，影响航运。近年来，随着中国需电量的逐年增加，诸如国华宁海电厂等大批沿海电厂不断兴建，若这些电厂的固体废弃物投弃在海洋，可能会改变海水成分和海水温度，甚至会在一定海域造成生物死区，对中国海洋资源造成不利影响。
2.3火力发电厂固体废弃物对土壤的污染
在固体废弃物堆放区内，由于粉煤灰飞扬散播，粉煤灰中大量重金属元素进入周围土壤，造成土壤重金属污染。在洛阳电厂距粉煤灰堆放区500m处土壤中，Pb、Cd含量达19.43mg/kg和0.27mg/kg，是参考点土壤中Pb、Cd的1.2倍和27倍，距电厂1500m处土壤中，Pb、Cd含量达23.7mg/kg和1.03mg/kg，分别增加44%和102%，造成极为严重的土壤重金属污染。这些有害物质及其淋洗和渗滤液中所含的有害物质会改变土壤的结构和土壤性质，并对土壤中微生物的活动产生影响，而且还会在植物有机体内积蓄，通过食物链危及人体健康。
3火电厂固体废弃物处理
3.1中国对火电厂固体废弃物处理利用状况
中国对火电厂固体废弃物的治理一般采用处理、处置和开展综合利用相结合的治理策略。即能综合利用的尽量进行利用;暂时不能进行综合利用的，则采取必要的处置和堆存措施。
粉煤灰是火电厂排放量zui多的固体废弃物，zui早处理粉煤灰的方法是回填和露天堆放;当前，对粉煤灰的处置方法主要是土地填埋和贮灰池存储。但是回填粉煤灰要大量占用土地，到目前，中国填埋在地下和山沟里的粉煤灰已超出60×108t，占用土地1.3×108m2。而露天堆放不仅占用大量土地，还严重污染环境，同时国内外对贮灰池存储法的环境效应研究表明，灰中潜在毒性物质会对土壤、地下水造成污染。对火电厂固体废弃物综合利用方面，即以大宗利用为主，兼顾多功能、能的利用，在取得环境效益和社会效益的同时，注意尽可能收到良好的经济效益。2005年中国煤炭、电力行业利用粉煤灰2.1×108t左右，利用率为66%，创造了较好的综合效益。2007年中国火电业约耗标煤13×108t，产生的粉煤灰量多达4×108t左右。在上海等大城市，粉煤灰的综合利用率已达到100%，但在中小城市仍有较大发展空间。目前粉煤灰的综合利用中，35%左右用于水泥产业或灰渣砖与砌块;20%左右用于道路回填及水利工程;15%左右用于农业领域的土壤改良等。但到目前中国的累计粉煤灰综合利用仅占总量的30%左右，和发达国家70%～80%的利用率相比还有很大差距。
脱硫石膏是火电厂的另一大固体废弃物。现在中国每年排放的脱硫石膏在50×104t以上，大多露天弃置或用来铺路、填沟、堆存等，占据大量土地，对环境造成了二次污染，也浪费了大量资源。国内脱硫石膏产生的历史很短，综合利用也是刚刚起步，对其应用价值和市场竞争力普遍认识不够。天然石膏的处理工艺和设备也并不*适合脱硫石膏，更增加了应用上的难度，导致国内现在还没有很好地展开应用。但是工业发达国家比较好地解决了脱硫石膏运输、干燥、改性、应用等技术性难题，石膏工业都在大规模采用脱硫石膏，应用技术也比较成熟。
3.2固体废弃物处理原则
目前对于固体废弃物的处理与处置，遵循原则主要是减量化、资源化和无害化。资源化是指采取管理和工艺的措施从固体废物中回收有用物质和能源，创造经济价值，使之成为可利用的二次资源。这是《中华人民共和国固体废弃物污染环境防治法》中首先确定的固体废弃物污染防治的“三化”原则之一，是固体废弃物的主要归宿[2]。
固体废弃物资源化利用包括3个范畴：a)物质回收，即处理废弃物并从中回收的二次物质;b)物质转换，即利用废弃物支取新形态的物质;c)能量转换，即从废弃物处理过程中回收能量，包括热能和电能。火电厂中固体废弃物资源化利用主要属于物质转换范畴，如利用炉渣生产水泥和建筑材料等。
4固体废弃物资源化在国华宁海电厂的应用
4.1国华宁海电厂的简介
国华宁海电厂位于浙江省宁波市宁海县临港开发区。建设规模为一期4台600MW燃煤发电机组(留有扩建余地)，选用国产主机设备，厂区占地面积3.65×105m2。项目业主单位浙江国华浙能发电有限公司以建设绿色环保电站为己任，采用除尘、脱硫、脱硝技术，除尘效率可达99.3%，脱硫效率可达95%以上，废水也将实现“零”排放，为避免煤场粉尘对周边环境的影响，电厂还利用天然地基，以每座1×108元的投资建设全封闭储煤罐。加上链斗式卸船机和全封闭垫式皮带，燃煤从码头到储罐的全过程中，噪音和粉尘污染都被控制在zui低限度。厂区绿化面积达30%以上，整个项目在环保方面的投资达20×108元。国华电厂被列入浙江省循环经济示范企业。
4.2国华宁海电厂对固体废弃物资源化利用的举措
4.2.1对粉煤灰的综合利用
燃煤电厂使用煤粉为燃料，当粉煤在锅炉中燃烧时，大部分成为细灰，自烟道中排出，经除尘设备捕集为粉煤灰。随着电力工业发展，电厂排出的粉煤灰与日俱增，中国已累计堆放粉煤灰60×108t多，占地超过1.3×108m2，中国燃煤电厂每年产生粉煤灰3×108t以上。国华宁海电厂一期工程每年产生粉煤灰60×104t、脱硫石膏20×104t、硝6000t，完被海螺水泥和北新建材消耗掉。目前，粉煤灰主要用于以下方面。
a)粉煤灰在水泥工业上的应用。粉煤灰中含有大量的SiO2(40%～65%)和Al2O3(15%～40%)[3],具有一定活性，可以作为建材工业的原料使用，生产水泥及其制品。粉煤灰中SiO2和Al2O3的含量占70%以上，可代替粘土配制水泥生料生产水泥，同时还可利用残余炭，降低燃料消耗。在磨制水泥时，可加入适量粉煤灰做混合材，生产普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥和粉煤灰硅酸盐水泥。粉煤灰硅酸盐水泥耐硫酸盐侵蚀，水化热低，适用于一般民用和工业建筑工程、大体积水上混凝土工程、地下或水下混凝土构筑等方面。对细度大、活性高、含碳量低的高质量粉煤灰，还可取代部分水泥做混凝土参合料，每立方米混凝土可用灰50kg～100kg，节约水泥50kg～100kg。另外，粉煤灰在熟料烧成窑的预热分解带中不需要消耗大量热量，却很快就会生成液相，从而加速熟料矿物的形成。试验表明，采用粉煤灰代替黏土原料生成水泥，可增加水泥窑的产量，降低燃料消耗量的16%～17%。国华宁海电厂在示范区内引进的总投资3×108元的海螺水泥粉磨站项目，每年可消化吸收60×104t粉煤灰。这些粉煤灰以前征地填埋每年至少耗费800×104元，现卖给水泥厂作原料，能增加收入1500×104元;
b)粉煤灰在新型墙体材料上的应用。粉煤灰加气混凝土是以粉煤灰为原料，适量加入生石灰、水泥、石膏及铝粉，加水搅拌呈浆，注入模具蒸养而成的一种多孔轻质建筑材料。其各种原料的配比为粉煤灰63%～68%、生石灰10%～18%、石膏10%、水泥17%～27%，铝粉用量为50g/m3～450g/m3。粉煤灰加气混凝土的强度主要依靠粉煤灰的SiO2、Al2O3和水泥、石灰中的CaO在蒸汽养护的条件下进行化学反应，生成水化硅酸盐而得到。粉煤灰加气混凝土的特点是质量轻而又具有一定强度，绝热性能好，良好的防火性能，易于加工等。因而它是一种良好的墙体材料。
国华宁海电厂把粉煤灰、水泥、石膏等出售，收购单位按照一定比例，通过搅拌—浇注到模具—切割—变组蒸压等程序，将其变成保温节能的新型墙体材料。这种用于高层建筑内隔墙的材料，在市场上售价达到160元/m3，该单位一年能吸收6.3×104t粉煤灰，制成的新型墙材相当于节省了1×108块标砖。
4.2.2对脱硫石膏的综合利用
煤炭燃烧过程中S变为SO2，产生脱硫石膏化学过程为：
SO2+CaO=CaSO3
2CaSO3+O2=2CaSO4
每吨SO2能副产脱硫石膏2.7t，火电厂大规模脱硫技术条件已成熟，中国现每年排放的脱硫石膏在50×104t以上，到2010年末，全国火电厂烟气脱硫机组总容量约为4500×104kW～5000×104kW，平均脱硫率90%，则年产生脱硫石膏为760×104t～950×104t，*的脱硫石膏排放将达到5000×104t多，因此副产脱硫石膏的量十分巨大。脱硫石膏是资源，作为一种工业副产石膏和天然石膏经过煅烧后得到的熟石膏粉和石膏制品在水化动力学、凝结特征、物理性能上无显著差别，可替代天然石膏作建材;脱硫石膏无放射性，不污染和危害健康。
国华宁海电厂采用*的生产工艺和技术将全部脱硫石膏制造石膏板，可100%利用脱硫石膏，并采用工业高标准的自动化流水线生产，能耗低，技术含量、产值、附加值高，年耗用量为25×104t左右，预计年产值将达到2×108元。不仅可有效利用国华宁海电厂丰富的脱硫石膏资源，而且还解决了大量污染排放物，实现固体废弃物资源化的利用。另外由于国华宁海电厂位于宁波象山港口底部，笔者认为通过经济的装船手段，通过海路向邻近国家出口多余的脱硫石膏也具有一定优势。
4.3国华宁海电厂环保举措取得的效益
国华宁海电厂环境保护执行情况良好，电厂内部设有专门的环境管理机构，建立了环境管理体系，环境管理制度较为完善。环评报告书及其批复中提出的环保要求和措施基本上得到了落实，固体废弃物按规定进行处理处置，废气排放口设有在线监测装置，厂区生态恢复和绿化情况良好。
2007年，国华宁海电厂在清洁生产方面共投入资金2453.88×104元，年产生直接经济效益却达4340.65×104元，其中12项中高费清洁生产方案合计投入资金2428.58×104元，年产生直接经济效益2938×104元，节约标准煤7.34×104t。同时具有显著的节能和环保效益，2007年节电3326.63×104kW˙h、节煤7.52×104t、节水4000t，并间接减少了烟尘、SO2等锅炉大气污染物的排放。
国华宁海电厂对宁海县GDP和地方税收的拉动增长作用是非常明显的，贡献巨大。据了解，一期4台机组成功并网发电以来，实现了当年投产当年赢利的目标：2006年完成发电量68.27×108kW˙h，实现销售收入22.24×108元、利润3.98×108元，为宁海县纳税达2×108元多。2007年1月份至12月份，电厂已完成发电量141.7×108kW˙h，实现销售收入48.5×108元、利润11.79×108元，向宁海县地方纳税达3.29×108元，为宁海县的经济发展做出了重要贡献，具有良好的经济效益。
5结语
对电力资源的需求高速增加使得火电厂固体废弃物产生量增长迅速，必须对固体废弃物实行zui小化工程，严格控制固体废弃物的产生量和大力倡导循环利用。寻找火电厂各种固体废弃物的资源化利用途径;对火电厂固体废弃物进行系统化管理;为建立一个更有效、综合的废弃物管理体系，需制定新的规章制度和提高*的技术水平。
目前，中国人民对固体废弃物管理和循环经济的认识正在不断深化，人们的环境保护意识也高涨，火力发电在发展循环经济、建设节约型社会中必须重视固体废弃物的资源化利用，国华宁海电厂在这方面的经验值得有关企业学习和借鉴。
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