（工程热物理专业论文）电厂煤粉炉直接联产高硅硫铝酸盐水泥熟料的试验研究.pdf

摘要 摘要 在我国的能源消费构成中，煤炭占绝对主导地位，从而产生了数量庞大的电厂灰 渣，到2 0 0 1 年，年排放量已经超过1 6 亿吨。对于电厂灰渣的综合利用，人们已经 进行了几十年的研究：然而，目前我国的灰渣利用率仍不足6 0 ，每年由于建灰场 贮灰而占用的土地依然在不断增加，不但污染环境，还耗费了大量的人力财力，从而 形成了虽然在拼命利用却仍然不断累积的困惑局面。其难点就在于没有途径能够将数 量如此巨大的固体废物全部消费掉。只有彻底改变灰渣的性质，从源头杜绝废物的产 生，才能使灰渣综台利用问题得到根本解决，也使循环经济实现真正的阈路发展。 回转窑工艺是当前主导的水泥烧成技术，但研究如何使生料的预热、分解与烧成 均能在悬浮或流化状态完成，在1 3 0 0 左右烧成熟料，一直是水泥煅烧新工艺的重 要发展方向。而悬浮燃烧和流化床燃烧技术是燃煤电厂锅炉中广泛应用的成熟技术。 于是本文创造性地提出了在煤粉炉中直接悬浮烧成水泥熟料，实现电力和水泥联产的 设想。 为验证在煤粉炉中直接烧成水泥熟料的可行性，本文以分段多相反应实验台为主 要的试验系统，开展了一系列探索性的试验研究。试验中，分段多相反应实验台炉温 设定在1 3 0 0 ，物料在高温区的停留时间可达7 s 。试验证明，煤与c a o 在适当的配 料组成下是可以在悬浮燃烧的同时烧成硅酸二钙、硫铝酸钙等水泥熟料矿物的，但在 悬浮煅烧的状态下硅酸三钙难以形成。这证明了煤粉锅炉直接联产水泥熟料具有可行 性，不过联产所能实现的肯定不会是常规的硅酸盐水泥熟料。本文经过反复试验，得 出了c a o 的最佳掺加范围，用石灰标准值k s ；值表示应在6 3 6 8 之间。在用c a c 0 3 替代c a o 进行的试验中发现，煅烧出的样品游离c a o 较高，并且含钙物相的含量也 有所减少，因此综合考虑，在进一步研究前用c a c 0 3 替代c a o 还不适宜。 为了获得最佳的煅烧制度，本文通过大量试验和理论分析。较系统地研究了煅烧 温度，物料停留时间，物料聚集状态，粉磨方式，以及煤种的自身组成等各种因素对 水泥熟料矿物在悬浮状态下快速烧成的影响，从而为扩大性试验以及工业上的实际应 用奠定了基础。在悬浮状态下快速烧成水泥熟料矿物，煅烧温度的选择范围比较宽， 在1 2 0 0 以上都可以，对于本文试验所选用的长广煤而言，最佳温度范围在1 2 5 0 1 3 5 0 之间；并且随着煅烧温度的提高，产品的硅酸二钙含量增加，钙铝黄长石含量 减少，于是产品的性能得以提高。物料停留时间在1 7 s 内变化时，产品质量没有太 大变化，但随着停留时间的延长，固相反应进行得更为完全。而增加物料颗粒在燃烧 过程中的聚集程度，增加颗粒间碰撞接触的机会，也有利于固相反应的进行，有利于 产品质量的提高。将煤与生石灰进行共同粉磨，可以促进煤粉颗粒与氧化钙颗粒之间 的粘结附着，从而在燃烧过程中可以更充分的进行固相反应。另外，通过采用兖州煤 进行试验，证明在悬浮状态下快速烧成水泥熟料矿物更适合于硫分较高的煤，从而为 高硫煤的使用开辟了新路。 通过将长广煤与生石灰混磨后悬浮煅烧出的样品进行定量x 衍射分析，发现样品 中7 5 左右的成分属于具有水硬性的矿物，其中大部分是a - 2 c a o s i 0 2 和 争2 c a o s i 0 2 ，其余是早强型的硫铝酸钙，另外不足2 5 的是没有水硬活性的矿物 摘要 成分。从样品的矿物组成看，它接近于硫铝酸盐系列的水泥，而又与现有工业产品的 成分含量有差别，因此，根据其特点可以定义为“高硅硫铝酸盐水泥熟料”。 对于高硅硫铝酸盐水泥熟料，通过净浆强度试验和砂浆强度试验，发现其具有早 期强度偏低但后期强度发展潜力大的特点，在掺加上3 0 的硅酸盐水泥熟料后，强 度可以达到3 2 5 强度等级的硅酸盐水泥的国家标准。因此这就为高硅硫铝酸盐水泥 熟料的实际应用指明了途径：对前期强度性能要求不是很高的一般性工程可以直接使 用高硅硫铝酸盐水泥；而对前期和后期强度性能要求都较高的工程则可以将高硅硫铝 酸盐水泥与硅酸盐水泥混合使用，其效果甚至比单独使用硅酸盐水泥更好。 本文还对高硅硫铝酸盐水泥熟料的水化机理进行了研究，建立了初步的水化化 学。其水化过程中主要的水化产物是高硫型水化硫铝酸钙( a f t ) 和水化硅酸钙 ( c a o s i 0 2 一h 2 0 ) ，这两者也是其强度的主要来源。 本文还通过理论模型的建立，阐述了高硅硫铝酸盐水泥熟料的形成机理，建立了 在超快速升温煅烧条件下的矿物形成化学，从而为燃煤电厂锅炉联产水泥技术奠定了 初步的理论基础。物料颗粒在1 3 0 0 c 悬浮燃烧时的升温速率可高达1 0 5 1 0 6 c s ，因 此，可以说物料颗粒几乎瞬间就达到了环境温度，从而使物料颗粒的燃烧、灰化和固 相反应过程也几乎是同时发生。在煤的燃烧和灰化过程中，原煤中的矿物质主要是粘 土矿物完成脱水和分解，形成氧化物形式的s i 0 2 、a h 0 3 、f e 2 0 3 ；同时，大部分的有 机硫和无机硫都氧化形成s 0 2 ，然后s 0 2 进一步与c a o 进行气固反应，形成c a s 0 4 。 继而，由于新生态的s i 0 2 、a 1 2 0 3 、f e 2 0 3 和c a s o 。等物质都具有很高的活性，它们 与c a o 之间的固相反应得以迅速进行。本文通过相图分析、热力学分析、固硫机理 分析和动力学分析等多种手段，最终确定了煤与c a o 的混合物料悬浮燃烧条件下的 主要固相反应，固相反应的结果是形成以2 c a o s i 0 2 、3 c a o 3 a 1 2 0 3 c a s 0 4 和 2 c a 。a 1 2 0 3 s i 0 2 为主要组分的高硅硫铝酸盐水泥熟料。 本文还对煤粉锅炉直接联产高硅硫铝酸盐水泥熟料这一技术进行了初步的效益 分析和评估。通过这项技术，不仅可以实现煤粉炉固体废弃物的零排放，同时也能取 得较高的炉内脱硫效率，还能减少电力生产和水泥工业所排放的c 0 2 总量，从而可 以大大降低工业生产给生态环境造成的压力。通过这项技术，把两个一次能源消耗大 户合而为一。可以降低工业生产的能耗，为人类节省资源和能源。这一技术不仅能够 带来众多的社会效益，也能给技术的使用方即燃煤电厂和水泥厂带来不菲的经济效 益，对此本文进行了估计计算。 在煤粉锅炉里直接联产水泥熟料，实现燃煤电力工业和水泥工业的融合，具有重 大的经济价值和社会意义，非常值得进行深入研究和推广应用。但目前本文的研究还 仅局限于实验条件下，要真正转化为成熟的技术，需要在实际电厂的煤粉炉中进行扩 大性试验，期间可能会遇到各种问题，还有许多工作待做。 关键词：灰渣利用煤粉炉水泥烧成联产同相反应 a b s t r a c t a b s t r a c t c o a li st h em o s ti m p o r t a n te n e r g ys o u r c ei nc h i n a t od a t e ，o v e r7 0 p e r c e n to f e n e r g y c o n s u m p t i o ns t i l l s t e m sf r o mc o a lc o m b u s t i o n t h e r e f o r e ，l a r g ea m o u n t so fs o l i dw a s t e s a r eg e n e r a t e df r o mt h e r m a lp o w e rp l a n t se v e r yy e a r i n2 0 0 1 ，f o ri n s t a n c e ，t h en e w l y g e n e r a t e da s h e sa m o u n t e dt o 1 6 0m i l l i o nt o n s ，a l t h o u g hr e s e a r c h e r sh a v es t u d i e dt h e c o m p r e h e n s i v eu t i l i z a t i o no fa s h e sf o rd e c a d e sa n dh a v ef o u n dm a n yw a y st ou s et h e s e s o l i dw a s t e s ，i ti sa p r o b l e m t h a tt h e r ea r es t i l lal o to fa s h e sl e f tw h i c hc a n n o tb eu s e da n d m u s tb ep u ti n t o l a n d f i l l s ，w h i c hr e q u i r el a r g e a r e ao fl a n da n d m a yp o l l u t e t h e s u r r o u n d i n g s t h ed i f f i c u l t yi st h a tt h ea m o u n t o fa s h e sg e n e r a t e di nt h e r m a lp o w e r p l a n t s i st o ol a r g et ob e c o m p l e t e l y u t i l i z e d ，i nc h i n a ，f o re x a m p l e ，t h ea s h e st h a tc a nb eu t i l i z e d a r el e s st h a n6 0 p e r c e n t r o t a r yk i l n s ，w h o s ed i s a d v a n t a g ei s t h el o wh e a t i n gr a t eo fl a wm a t e r i a l s ，a r e g e n e r a l l yu s e di nc e m e n tc l i n k e rc a l c i n a t i o n t h ed e v e l o p m e n td i r e c t i o no f c e m e n tc l i n k e r c a l c i n a t i o n si st oc a l c i n ea ta b o u t1 3 0 0 w i t hr a wm a t e r i a l si ns u s p e n d e do rf l u i d i z e d s t a t e i nt h i sw a y , r a wm a t e r i a l sc a l lf i n i s hh e a t i n g ，d e c o m p o s i n ga n dc a l c i n i n gn e a r l ya t t h es a n 3 et i m e f o rt h e h a t i n gr a t e o fp a r t i c l e si s v e r yh i g h i t i sw e l lk n o w nt l l a t s u s p e n d e d - b e da n df l u i d i z e d b e dc o m b u s t i o na r ew i d e l ya p p l i e di nt h eb o i l e r so fp o w e r p l a n t s h e n c e ，i nt h i s d i s s e r t a t i o nt h ei d e ai s p u tf o r w a r dt o c a l c i n ec e m e n tc l i n k e ri n p c c 。( p u l v e r i z e dc o a lc o m b u s t i o n ) b o i l e r s ，s ot h a te l e c t r i cp o w e ra n dc e m e n tc a nb e p r o d u c e dt o g e t h e r t ot e s t i f yt h ea b o v ei d e a , as e r i a lo f g r o p i n ge x p e r i m e n t sw e r ed o n eo nat w o - s t a g e p o l y p h a s er e a c t i o ns e t u p ，w h i e hw a sd e s i g n e da n dp u tu pb ym y s e l f i nt h ee x p e r i m e n t s ， t h ee x p e r i m e n t a ls e t u pw o r k e da t1 3 0 0 a n dt h em a t e r i a lp a r t i c l e sc o u l ds t a ya th i g h t e m p e r a t u r ef o ra b o u t7 s t h r o u g ht h ee x p e r i m e n t s ，i ti sf o u n dt h a ts o m e c e m e n t m i n e r a l s ， s u c ha sd i e a l c i u ms i l i c a t e ( 2 c a o s i 0 2 ) a n dc a l c i u ms u l f o a l u m i n a t e ( 3 c a o - 3 a 1 2 0 3 c a s 0 4 ) ， e t c ，c a l lg e n e r a t ew h e nc o a la n dl i m ea r eg r i n d e dt o g e t h e ra n db u r n ti ns u s p e n d e ds t a t e t h eb e s t r a n g eo fa d d e dc a oi s a b o u t6 3 - 6 8 ，e x p r e s s e di nt h ef o r mo fk s t t h e e x p e r i m e n t s 惭t hc a c 0 3r e p l a c i n gc a o w e r ea l s od o n ei nt h ed i s s e r t a t i o n b u tt h er e s u l t s w e r en o te x c i t i n gb e c a u s eo ft h eh i g ha m o u n to ff r e ec a o i na l lt h e e x p e r i m e n t s ， t r i c a l c i u mc i l i c a t e ( 3 c a o s i 0 2 ) h a dn o tb e e nf o u n da l lt h r o u g h t h e ni tc a nb ec o n c l u d e d t h a tc o g e n e r a t i n gc e m e n tc l i n k e ri np c cb o i l e r si sf e a s i b l e , y e tt h ep r o d u c t m a y n o tb et h e c o m a t l o ns i l i c a t ec e m e n tc l i n k e r t h i sd i s s e r t a t i o nr o u n d l ys t u d i e dt h ee f f e c to fc a l c i n a t i o nt e m p e r a t u r e , c a l c i n a t i o n t i m e , m a t e r i a lc o h e r e n tc o n d i t i o n ，m a t e r i a lg r i n d i n gp r o c e s s ，a n dc o a lc o m p o n e n to nt h e f o r m a t i o no fc e m e n tc l i n k e rm i n e r a l sw h i l ec a l c i n i n gi ns u s p e n d e ds t a t e t of o r mc e m e n t c l i n k e rm i n e r a l s ，t h et e m p e r a t u r ea b o v e1 2 0 0 ci s e n o u g h f o rt h ec h a n g g n a n gc o a l s e l e c t e di nt h e e x p e r i m e n t s t h eb e s tr a n g e i sb e t w e e n1 2 5 0 1 3 5 0 w i t hh i g h e r t e m p e r a t u r e ，u s u a l l y ，m o r e2 c a 0 s i 0 2a n d1 e s s2 c a o 。a 1 2 0 3 s i 0 2 c a nb eg e n e r a t e d w h i l et h ec a l c i n a t i o nt i m eo fm a t e d a l sv a r i e sb e t w e e nl 7 s 也ep r o d u c tp e r f o r m a n c e a b s t r a c t c h a n g e s1 i t t l e h o w e v e r ，w h e nt h em a t e d a lc o h e r e n tc o n d i t i o ni si m p r o v e d ，t h em a t e r i a l p a r t i c l e sc a r lg e tm o r e c h a n c e so fc o l l i s i o n ，s ot h es o l i dp h a s er e a c t i o n sc a l lp r o c e e dm o r e d e e p l ya n d t h e p r o d u c tq u a l i t y c a d _ b eb e r e r i na d d i t i o n ，b yg r i n d i n gt o g e t h e r ，t h ec o a la n d c a oc a nf o r ma g g l o m e r a t i o np a r t i c l e s ，w h i c hc a np r o m o t et h e s o l i d s o l i dr e a c t i o n s c o m p a r i n gt h ee x p e r i m e n tr e s u l to f y a n z h o uc o a lw i t ht h a to fc h a n g g u a n gc o a l ，i ti s f o u n dt h a tc o a l sw i t hh i 曲s u l f u ra r em o r es u i t a b l et of o r mc e m e n t l i k ep r o d u c t t h r o u g h a l lt h ee x p e r i m e n t s ，t h ep r a c t i c eb a s eh a sb e e nf o u n d e df o rl a r g e r - s c a l ee x p e r i m e n t sa n d p r o d u c t i o n o nr e a lp c cb o i l e r s n l e s a m p l e c a l c i n e d a f t e r g r i n d i n gc h a n g g u a n g c o a la n dc a ot o g e t h e r ，w a s q u a n t i t a t i v e l ym e a s u r e db yx r a yd i f f r a c t i o n ( x r o ) a n a l y s i s t l l er e s u l ts h o w s t h a ti nt h e s a m p l ea b o u t7 5p e r c e n ta r eh y d r a u l i cm i n e r a l s ，m o s to f w h i c ha r eo f t - 2 c a o s i 0 2a n d 肛2 c a o s i 0 2 ，t h el e ri s3 c a o 3 a 1 2 0 3 c a s 0 4 ，a n dt h a tt h eo t h e r2 5p e r c e n t ，m a i n l y 2 c a o a 1 2 0 3 s i 0 2 ，h a v en oa c t i v i t y t l l i s k i n do fc o m p o n e n ti sc l o s et ot h a to f s u l f o a l u m i n a t ec e m e n t ，w h i c h ，h o w e v e r ，h a sd i f f e r e n tc o n t e n t so ft h ea b o v em i n e r a l s t h e r e f o r e ，t h es a m p l ec a l lb ed e f i n e da s “s u l f o a l u m i n a t ec e m e n tc l i n k e r w i t l lh i 曲c o n t e n t o f s i l i c a t e ( s c c h s ) ” 1 1 1 es c c h sh a sr e l a t i v e l yl o ws t r e n g t hi nt h ee a r l yp e r i o d ，b u tt h es t r e n g t hc a r l d e v e l o dw i t hl a r g ep o t e n t i a li nt h el a t e rp e r i o d ，v ( h e n3 0p e r c e n to fp o r t l a n dc e m e n t c l i n k e ri sa d d e dt ot h es c c h s ，t h es t r e n g t hc a l ls a r i s f yt h en a t i o n a ls t a n d a r do f 3 2 5g r a d e p o r t l a n dc e m e n t t h u s 。f o rl o w d e m a n du t i l i z a t i o nt h es c c h sc a nb eu s e ds i n g l y ，a n df o r h i g h - d e m a n d o n e a d d i n gs o m e p o r t l a n dc e m e n ti sag o o dw a y 朋1 eh y d r a t i o nm e c h a n i s mo ft h es c c h sw a sa l s os t u d i e di nt h i sd i s s e r t a t i o n t h e m a i nh y d r a t i o np r o d u c t sa r e3 c a o a 1 2 0 3 3 c a s 0 4 3 2 h 2 0 ( a f t ) a n dc a o - s i 0 2 - h 2 0 ， w h i c h a r e j u s t t h es o u r c eo f c e m e n t s t r e n g t h b vf o u n d i n gt h e o r e t i c a lm o d e l ，t h ef o r m a t i o nm e c h a n i s mo ft h es c c h s w a sm a d e c l e a ro nt h ec o n d i t i o no fv e r yh i 曲h e a t i n gr a t e h e n c e ，t h ep r e l i m i n a r yt h e o r yb a s eh a s a l s ob e e nf o u n d e di nt h i sd i s s e r t a t i o n a sm a t e d a lp a r t i c l e sb u r n i n gi ns u s p e n d e ds t a t ea t 1 3 0 0 t h eh e a t i n gr a t eo f t h ep a r t i c l e sc a na m o u n tt o1 0 1 0 0 c s ，s ot h ep a r t i c l e sm a y g e t t ot h ee n v i r o n m e n t a lt e m p e r a t u r ei n s t a n t l y a c c o r d i n g l y ，t h ep r o c e s s e so f b u r n i n g , a s h f o r m a t i o n a n ds o l i dp h a s er e a c t i o n sa l m o s tt a k ep l a c ea tt l l es a t n et i m e w h i l et h ec o a l b u r n i n g , t h em i n e r a ls u b s t a n c e s ，m a i n l yc l a y m i n e r a l s ，l o s e w a t e ra n d d e c o m p o s e ； c o n s e q u e n t l y ，t h es i 0 2 ，a 1 2 0 3 ，f e 2 0 3 a r ef o r m e d s i m u l t a n e o u s l y , m o s to ft h eo r g a n i ca n d i n o r g a n i cs u l f u ra r eo x i d i z e di n t os 0 2 ，a n dt h e n t h es 0 2r e a c t sw i t hc a ot of o r mc a s 0 4 q u i c k l y w - h e r e a f t e r , b e c a u s et h en e w f o r m e ds i 0 5 ，a 1 2 0 3 , f e 2 0 3a n dc a s 0 4a r eo f g r e a t a c t i v i t y , t h es o l i d s o l i dr e a c t i o n sc a nt a k ep l a c ea th i g l ls p e e d t h em a i nr e a c t i o n sw e r e f i n a l l ys p e c i f i e db y m e a n s o f p h a s ed i a g r a ma n a l y s i s ，t h e r m o d y n a m i ca n a l y s i s ，s u l f u rf i x e d m e c h a n i s ma n a l y s i sa n dd y n a m i ca n a l y s i s t h er e s u l t sa r ej u s tt of o r mt h es c c h s w h i c h i sm a i n l y c o m p o s e do f 2 c a o s i 0 2 ，3 c a o 3 a 1 2 0 3 c a s 0 4 和2 c a o a 1 2 0 3 s i o z t h ee c o n o m i ca n a l y s i sw a sd o n eo nt h et e c h n o l o g yo f c o g e n e r a t i n gc e m e n tc l i n k e ri n p c c b o i l e r s t h r o u g ht h i st e c h n o l o g y , n o to n l yc a n z e r os o l i dw a s t e g e n e r a t i o nb e r e a l i z e d i np c cb o i l e r s ，b u tt h ee m i s s i o no fs 0 2a n dc o sc a nb er e d u c e df r o me l e c t r i c i t ya n d c e m e n tp r o d u c t i o n m o r e o v e r , e n e r g yc o s tc a na l s ob eg r e a t l yr e d u c e df o rt h es o c i e t yb y a b s t ra c t t h ew a yo f c o m b i n i n gt h et w oi n d u s t r ys e c t i o n s b e s i d e so f s om a n y s o c i e t yb e n e f i t s ，t h i s t e c h n o l o g yc a na l s ob r i n gm a n yd i r e c tp r o f i t s f o rt h e c o a l b u r n i n gp o w e rp l a n t s a n d c e m e n t p l a n t s ，w h i c h h a sb e e n p r o v e db y t h ee v a l u a t i 0 1 1i nt h i sd i s s e r t a t i o n s o ，i tc a nb ec o n c l u d e d t h a tc o g e n e r a t i n gs c c h si np c c b o i l e r so f p o w e rs t m i o n si s f e a s i b l ea n dw o r t h w h i l e y e tt h es t u d yo ft h i sd i s s e r t a t i o ni so n l yl i m i t e do np i l o ts c a l e e x p e r i m e n t sb yn o w t op u tt h i st e c h n o l o g yi n t oc o m m e r c i a lp r o d u c t i o n , t h e r ei ss t i l l m u c hw o r kt od o ，a n di td e s e r v e sm o r ea t t e n t i o na n d d e e p e rs t u d y k e y w o r d s ：a s h u t i l i z a t i o n ；p u l v e r i z e dc o a lc o m b u s t i o np c c ) b o i l e r ；c e m e n tc a l c i n a t i o n s c o g e n e r a t i o n ；s o l i dp h a s e r e a c t i o n i i i 学号盥鲤避 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知， 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得逝望盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：呈3 蟛釜字日期： 研年彳月产目 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解澎姿盘茎有关保整、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关 部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权迸姿盘堂可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位 论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：壬敢巍 导师签名： 、 汽，、 v 签字日期：舴月p 日签字日期： t 帕忤二月媚 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：厶鲁，以厉 电话：f 3 7 呷3 卜“护午 通讯地址蚴囱删伽：手口驴f 第一章燃煤电厂锅炉灰渣综合利用的现状 第一章燃煤电厂锅炉灰渣综合利用的现状 1 1 灰渣利用的意义与国内外利用现状 在我国一次能源和发电能源构成中，煤炭占据主导地位，这与多数工业发达国家 的一次能源消费构成中以石油和天然气为主的特点大不相同( 见表1 1 ) 。而且在我 国己探明的一次能源储备中，煤炭也是主要能源，在距地表1 2 0 0 m 以内的保有储量 就达9 5 0 0 多亿吨，约占一次能源探明总储量的9 0 。这表明在很长的一段时间内， 我国一次能源以煤为主的格局不会发生变化，预计到2 0 1 0 年和2 0 2 0 年煤炭产量将分 别达到1 8 亿吨和2 1 亿吨，煤炭需求大幅增长不可避免。到目前为止，煤炭在我国能 源消费构成中仍占近7 0 ，预计到2 0 5 0 年亦将占6 0 左右1 1 1 ( 2 i 。 表1 - 12 0 0 2 年世界主要国家一次能源消费构成例 总消费量消费结构 m t o e石油天然气煤炭( 所占酉分比)核电水电 美国2 2 9 3 08 9 4 36 0 0 7 5 5 3 8 ( 2 4 2 )1 8 5 85 8 2 中国9 9 7 82 4 5 72 7 06 6 3 4 ( 6 6 5 )5 95 5 8 俄罗斯6 4 0 21 2 2 93 4 9 6 9 8 5 ( 1 5 4 ) 3 2 o3 7 2 日本5 0 9 42 4 2 66 9 71 0 5 3 ( 2 0 7 )7 1 32 0 5 德国3 2 9 41 2 7 27 4 3 8 4 6 ( 2 5 7 )3 7 35 9 印度3 2 5 i9 7 72 5 41 8 0 8 ( 5 5 6 )4 41 6 9 加拿大2 8 8 78 9 77 2 6 3 0 7 ( 1 0 6 )1 7 07 8 6 法国2 5 8 09 2 83 8 5 1 2 7 ( 4 9 ) 9 8 91 5 o 英国2 2 0 37 7 28 5 13 6 5 ( 1 6 6 )1 9 91 7 南非2 0 5 ，81 0 5 o2 3 64 9 1 ( 2 3 9 )2 7 01 2 意大利1 7 4 ，89 2 9 5 7 21 3 8 ( 7 9 )1 0 9 世界总计9 4 0 5 o3 5 2 2 52 2 8 2 02 3 9 7 9 ( 2 5 5 )6 1 0 65 9 2 1 注：m t o e 表示百万吨油当量 由于我国一次能源的构成，决定了发电能源以煤为主的格局。长期以来，火电机 组的装机容量保持在7 5 左右，而火电的发电量保持在8 0 左右1 4 l i 5 i 。在火电机组的 燃料中，煤炭占9 5 ，油气只占5 左右，主要用于少数特殊的电站、机组点火用油、 联合循环机组及内燃机发电机组。在今后的十年内，水电、火窀的比例不会有大的变 浙江大学博士学位论文 化，而发电用煤量占煤炭总产量的比例将会逐年升高( 见表1 2 ) 。 表l - 2 中国发电用煤的预测 总装机容量燃煤机组 用煤量 占煤炭总产 年份 1 0 8 k wl o b k w 1 0 叶 量的比例 1 9 9 41 - 9 91 4 8 3 9 23 2 ，4 2 0 0 03 0 02 2 5 43 8 2 0 1 05 53 4 57 9 44 4 8 我国以煤炭为主的能源消费构成，带来的最直接的环境问题之一就是大量灰渣的 排放。由于煤炭在电力生产中的大量应用，使得火电站成了灰渣的一个重要来源。并 且，我国煤炭资源的品位差别很大，造成电站燃煤的平均灰分偏高，可高达2 8 左 右1 6 l ，因此我国电力系统的灰渣排出量特别巨大。1 9 9 5 年，我国电力系统灰渣年排放 量为9 9 3 6 万吨，居世界各国之首州：随着“九五”期间燃煤机组的增加，到2 0 0 1 年， 我国火电站灰渣排放量已超过1 6 亿吨，预计2 0 1 0 年会超过2 亿吨。表1 3 列举了世 界上一些燃煤较多的国家的灰渣排放和利用情况。 表l - 3 世界各国灰渣的捧放和综合利用情况1 8 】p l i i o l l l t l i t 2 l 产生量( 万吨)利用量( 万吨) 利用率 国家年份 ( ) 飞灰炉渣飞灰炉渣 1 9 9 28 0 6 41 0 4 93 4 1 03 7 4 中国1 9 9 91 1 5 3 52 2 7 86 3 6 11 7 8 95 9 o 2 0 0 11 4 1 2 12 2 0 07 2 5 91 7 4 25 5 1 美国2 0 0 27 7 7 52 1 7 12 7 5 89 2 4 3 7 0 加拿大2 0 0 15 5 0 1 8 01 1 02 01 7 6 日本2 0 0 17 0 01 4 06 0 01 0 08 4 0 印度 2 0 0 19 4 0 01 2 5 01 3 0 以色列2 0 0 l1 3 2 01 2 9 0 9 8 o 欧盟2 0 0 13 9 9 77 9 31 8 8 94 6 04 9 0 德国t 9 9 21 4 3 0 5 7 41 9 8 49 9 荷兰1 9 9 27 8 8 2 8 8 31 0 0 第一章燃煤电厂锅炉灰渣综合利用的现状 由于我国灰渣排放的数量过于庞大，造成灰渣的全部利用几乎难以实现，目前我 国电厂排放的灰渣的利用率尚不到6 0 ，于是造成了许多环境问题和社会问题。首 先，必须建造灰场贮灰，这不仅会消耗物力和财力，增加电站的负担，还要占用大片 土地；据统计，2 0 0 0 年全国累计已堆存灰渣2 0 多亿吨，占用土地达5 0 万亩之多【1 3 i ， 并且这些数字还在逐年增加。其次，露天堆放的灰渣容易导致大气、水体污染；根据 国内外实验研究发现粉煤灰渗水会使地下水发生不同程度的污染，比较明显的是 p h 值升高，有毒有害的铬，砷等元素增加；再加上贮灰场大多数位于江、河、湖以 及城市水源保护区域，水源的保护问题也是十分迫切的。另外，灰渣排放分干、湿两 种方式，长期以来我国电厂灰渣以湿排为主，一般每排放一吨灰渣需1 0 2 0 吨水，这 不仅造成水资源的巨大浪费，还会破坏灰渣的原有特性，致使其建材资源化程度下降。 由此可见，不论从保护耕地，节约水资源角度，还是从环境保护这一基本国策的角度 来讲，灰渣综合利用都是十分必要的。 目前，世界各国都很重视灰渣的资源化利用，西欧一些发达国家灰渣资源化率已 相当高，如荷兰利用率己达到1 0 0 ，德国这个燃煤大国的利用率也高达9 9 ：有些 国家则将灰渣列为新的资源进行重点开发，如美国将灰渣列为几种主要固体资源的第 七位，排在矿渣、石灰和石膏之前。我国由于灰渣绝对数量大，于是利用率较低，但 近几年也有较大幅度提高，平均已达5 0 左右；不过各地利用状况很不平衡，有的 地方利用率还不到1 0 ，还有的地方到1 9 9 5 年才结束向江河直接排放的历史。灰渣 的资源化利用是关系我国电力工业发展的重大问题，在我国有广阔的发展空间，因此 从研究学者到政府都应该给予足够的重视。我国提出可持续发展战略，正在大力发展 集约型的循环经济，大量灰渣的资源化利用则必将是其集中体现之一。 1 2 灰渣的分类与特性 1 2 1 燃煤电站灰渣的分类 由于煤种的不同、燃煤炉型的差异等因素可以使得电站灰渣的形态、成分和性质 参差不一，因此按照不同的分类方式，可以对电厂灰渣进行多种分类。 ( a ) 根据电厂锅炉的不同类型可以将灰渣分为粉煤灰，流化床灰渣，液态渣， 链条炉灰渣等。煤粉炉排出的飞灰即是我们通常所说的粉煤灰，其特点就是粒度很小； 由于煤粉炉是