（水文学及水资源专业论文）火电厂干贮灰场灰水淋溶特性的试验研究.pdf

太原理i 人学硕十研究生学付论文 火电厂千贮灰场灰水淋溶特性的试验研究 摘要 随着我国电力工业的发展，电厂规模不断扩大，火电厂粉煤灰的 排放量亦急剧增长。粉煤灰是电厂排放的固体废弃物，除了少量的进 行综合利用外，大部分都要选址贮放。由于湿法贮放粉煤灰存在不少 缺点，对环境影响较大，近年来干贮灰技术得到发展。干贮灰技术耗 水量小，大大减少对水体的污染，但是，粉煤灰在长期贮放过程中， 通过雨水的淋溶入渗，仍然有可能导致地下水环境的污染。 近年来新建了很多干贮灰场，由于所建灰场的地质条件各有差别， 其渗透性也有较大差别，对地下水环境的影响程度也不同，所以针对 不同的地质条件，也要采取不同的措施以防止污染。国内外对干贮灰 场的环境影响也进行过一些研究，但是多数研究是基于某一研究区域 的，针对性比较强，不具普遍性。因此，对火电厂干贮灰场粉煤灰在 不同地质条件下的淋溶特性进行研究具有非常重要的意义。 本次研究选用太原一电厂干贮灰场的干粉煤灰为样本，以f 离子 作为研究对象，通过浸 试验和淋溶试验研究粉煤灰的浸出特性以及 粉煤灰9 r ：放在不同渗透性地层上的淋溶特性。从而提出在不同渗透性 地层上舻7 放粉煤灰所面采取的措施。 试验研究成果表明： t 太原理1 人学硕十研究生学侍论文 1 粉煤灰的浸出液浸出时间的长短对浸出液的p h 值和f 。浓度的 影响都很小；浸出液的p h 值对f 的浸出有一定的影响，碱性不利于 f 的浸出。 2 粉煤灰淋溶试验中，淋出液中f 的浓度变化规律符合对数曲线。 3 粉煤灰贮放在不同地层上时，地层渗透系数越小，淋出液中f 一 的浓度较小，地层对r 的吸附量越大。同种土样不同高度的土层对f 一 的吸附量也不同，土层中所含f 浓度随着距粉煤灰层的距离的增加而 减小。 4 ，粉煤灰贮放在渗透系数大于9 6 米日的地层上时，淋出液中f 。 浓度很大，对环境影响较大，须采取防渗措施。粉煤灰贮放在渗透系 数小于0 1 3 米日的地层上时，设置有效的排水措施即可解决问题。 粉煤灰贮放在渗透系数小于0 0 0 6 米日的地层上时，基本上不用采取 措施。 关键词：干贮灰场，粉煤灰，浸出试验，淋溶试验 太原理【人学硕f 研究生学何论文 t h ee x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho nl e a c h i n gp r o p e r t i e so ff l ya s h i nd r y d i s p o s a ls i t eo fp o w e rp l a n t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r i cp o w e ri n d u s t r yi no u rc o u n t r y , t h e s c a l eo ft h ep o w e rp l a n ti s c o n t i n u o u s l y e x t e n d e da n dt h ed i s c h a r g e c a p a c i t yo ff l ya s hs h a r p l yi n c r e a s e s t h ef l ya s hi ss o l i dw a s t ep r o d u c e d b yc o a lf i r e dp o w e rp l a n t s t h em a i no ff l ya s hw i l lb es t o r e di nd i s p o s a l s i t e ，e x c e p tt o u t i l i z e b e c a u s ew e t d i s p o s a lt e c h n i q u eh a sl o t s o f s h o r t c o m i n ga n db r i n g ss o m ee n v i r o n m e n t a lp r o b l e m s ，d r yd i s p o s a l t e c h n i q u ed e v e l o p sr a p i d l y d r yd i s p o s a lt e c h n i q u en e e d sl i t t l ew a t e ra n d t h ep o l l u t i o ni ss l a s h e d b u td u r i n gt h el o n g t e r ms t o r i n go ff l ya s h ，t h e r a i nm a yp e n e t r a t et h r o u g ht of l ya s ha n d b r i n g s o n p o l l u t i o nt ot h e g r o u n d w a t e r m a n yd r yd i s p o s a ls i t e sh a v eb e e nc o n s t r u c t e dr e c e n ty e a r s h o w e v e r , t h e yh a v ea f f e c t e dt h el o c a lg r o u n d w a t e rt od i f f e r e n te x t e n tb e c a u s et h e l e a c h i n gp r o p e r t i e sa td i f f e r e n ts i t e sa r eq u i t ed i f f e r e n tf o rt h ed i f f e r e n t g e o l o g i c a lc o n d i t i o n s ，t h e r e f o r ed i f f e r e n tm e a s u r e ss h o u l db et a k e nt o p r e v e n tt h ep o s s i b l ew a t e rp o l l u t i o nb a s e do nt h ed i f f e r e n tg e o l o g i c a l c o n d i t i o n s t h ee n v i r o n m e n te f f e c to fd r yd i s p o s a ls i t e sh a sb e e ne x p l o r e d 太原理i ：人学硕十研究生学位论文 b o t ha th o m ea n da b r o a d ；h o w e v e r , m o s to ft h er e s e a r c h e sa r ej u s ta i m e d a tac e r t a i na r e aa n da r en o to f u n i v e r s a l i t y s oi ti sr a t h e rs i g n i f i c a n tt o r e s e a r c ht h el e a c h i n gp r o p e r t i e so ff l ya s hf r o md r yd i s p o s a ls i t e su n d e r d i f f e r e n tg e o l o g i c a lc o n d i t i o n si ng e n e r a l f l ya s hs a m p l e sw e r ec o l l e c t e df r o mt h ed r yd i s p o s a ls i t eo f t h ef i r s t t h e r m a lp o w e rp l a n to ft a i y u a n t h ep a p e rr e s e a r c h e dt h el e a c h i n g p r o p e r t i e so ff l ya s ht h r o u g h li x i v i a t i o nt e s ta n dl e a c h i n gt e s to ff 。t h u s m e a s u r e so nh o wt os t o r et h ef l ya s ho nt h es t r a t aw i t hd i f f e r e n tl e a c h i n g c a p a c i t i e sa r ea d v a n c e d t h er e s e a r c hf i n d i n g sa r ea sf o l l o w s 1 t h el i x i v i a t i o nt i m eo ff l ya s hh a sl i t t l ee f f e c to nt h ep ha n dt h e c o n c e n t r a t i o no ff 一t h ep hh a sa ne f f e c to nl i x i v i a t i o no ff 。a n da l k a l i n i t y i sa d v e r s et o1 i x i v i a t i o no f f 一 2 t h ev a r i a t i o nr u l eo ft h ec o n c e n t r a t i o no ff i nt h el e a c h a t ea c c o r d s w i t ht h el o g a r i t h m i cc u r v e 3 w h e nf l ya s hi ss t o r e do nd i f f e r e n ts t r a t a ，t h es m a l l e rt h e p e r m e a b i l i t yc o e f f i c i e n ti s ，t h es m a l l e rt h ef c o n c e n t r a t i o ni nt h el e a c h a t e i sa n dt h eg r e a t e rt h ef 。a d s o r p t i o na m o u n to ft h es t r a t ai s e v e nt h ef 。 a d s o r p t i o na m o u n to ft h es a m ek i n do fs t r a t aw i t hd i f f e r e n tt h i c k n e s si s d i f f e r e n ta n dt h ef 。c o n c e n t r a t i o ni nt h es t r a t ad e c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s e o ft h ed i s t a n c et ot h ef l ya s hl a y e r i v 太原理工犬学硕士研究生学位论文 4 w h e nf l ya s hi ss t o r e di nt h es t r a t aw i t hap e r m e a b i l i t yc o e f f i c i e n t g r e a t e rt h a n9 6m d a y , t h ef c o n c e n t r a t i o no ft h el e a c h a t ei sg r e a ta n d h a sag r e a t e ri m p a c to nt h ee n v i r o n m e n t ，s oi m p e r v i o u sm e a s u r e sm u s tb e t a k e n w h e nf l ya s hi ss t o r e di nt h es t r a t aw i t hap e r m e a b i l i t yc o e f f i c i e n t l e s st h a n0 13m d a y , t h es e t t i n gu po fa ne f f e c t i v ed r a i n a g ec a ns o l v et h e p r o b l e m s w h e nf l ya s hi s s t o r e di nt h es t r a t aw i t hap e r m e a b i l i t y c o e f f i c i e n tl e s st h a n0 0 0 6m d a y , t h e r ei sn on e e dt ot a k em e a s u r e s b a s i c a l l y k e yw o r d s ：d r yd i s p o s a ls i t e ，f l ya s h ，l i x i v i a t i o nt e s t ，l e a c h i n gt e s t v 声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外。本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：羔歪塑 日期：坐2 查 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定。其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) o 日期：型 导师签名：彳立加i r l ,日期：导师签名：! 匕! ：日期： 如帕7 r 太原理j 人学硕十研究生学位论文 1 1 研究目的和意义 第一章绪论 电力工业是国民经济的基础产业，在经济建设中具有十分重要的地位和作用， 而我国的电力仍以燃煤的火力发电为主。随着电力工业的发展，电厂规模不断扩 大，火电厂粉煤灰的排放量办急剧增长。装机容量每增加i o m w ，粉煤灰的排放 量每年就会增加近万吨。掘资料统计，1 9 8 5 年火电厂排放灰渣总量为3 7 6 8 万吨， 2 0 0 0 年达1 2 0 0 0 万吨。粉煤灰排放量的急剧增长引起了很多问题。粉煤灰是电厂 排放的固体废弃物，除了少量的进行综合利用外，大部分都要选址贮放。而粉煤 灰的排放贮存又是影响火电厂选址、建设、运行、管理和投资规模的最主要因素 之一，并且在很大程度上影响着电厂周围的环境，尤其是大气、土壤和地下水环 境。因此，如何贮存火电厂的粉煤狄已经成为一个很重要的问题。 国外5 0 年代和6 0 年代通常采用洱法贮放粉煤狄，8 0 年代干法贮放的应用增 加：国内8 0 年代之前建成的电厂主要以湿法贮放为主干法贮放8 0 年代木刚刚 起步，而近几年电厂新建的贮狄场多采用干法贮放，有些老电厂新扩建后也多采 用干法贮放。长期以来，我国火力发电厂主要采用水力除灰方式，并且水力除灰 技术也很成熟，但存在不少缺点：要消 e 大量的水；扶水排放和渗漏对地下水及 环境产生不利影响：贮灰场初期工样量大，因而一次性投资规模也非常大；排至 灰场的灰渣需充分排水固结，不利于粉煤狄的综合利用等等。目前，虽然火电厂 的水力除灰系统多数设置了狄水闭路循环系统，使得灰水不再直接排入地表水体， 在定程度上起到节约用水的作用，但是对于水资源缺乏的地区来说用水量还是 相当可观的而月仍然避免不了对地下水体的污染。像山西这种产煤大省，建设 太原理l 。人学硕+ 研究生学位论文 了不少的电厂，电厂要运行，粉煤狄的贮厌就成了问题。山西水资源缺乏，而且 很多地区属于岩溶地区，地质条件差，岩层渗透性强，如果盲目选址堆灰，可能 就会造成地下水及地表水的污染。这就会给山西的饮水用水造成影响。 随着社会的不断进步，节约资源、保护环境越来越受到世界各国的重视，必 须改变水力除灰这种单一模式的格局，因此出现了干贮灰技术。8 0 年代后许多大 型电厂的设计都探索性地采用了干贮灰技术，其优点是基建费用低、耗水量小， 大大减少对水体的污染，有利于粉煤灰的综合利用，为粉煤厌的合理排放开辟了 一个广阔的新天地。当然，干贮灰方式对环境同样存在一定程度的影响。在贮放 过程中，干贮灰所用水量虽然大大减少了，但是南水的淋滤作用仍然可能引起渗 漏，粉煤狄中的有害物质，将会通过包气带向下入渗。由于垂向入渗系数小，渗 透速度很慢，在短期内对地下水污染不会有较大影响。但研究区长期滞存灰水， 土壤的环境容量将逐渐减小，对地下水污染可能会逐渐加重。而地下水流动性差。 一旦被污染将很难治理，尤其对于我国水资源缺乏的地区，必须引起重视。 近些年山西新建的贮灰场多为干贮狄场，这些干贮灰场的地质条件不同，其 渗透性不同，则贮次后对环境的影响也不同，这就要求采取不同的措施来防止污 染。而在污染控制这方面，有些灰场虽然采取了一些措施，但是也没有充分的依 据，没有全面的对其考虑，有些造成了浪费而有些则达不到控制污染的目的。国 内外对干贮狄场的环境影响也进行过一些研究但是多数研究是基于某一研究区 域的，针对性比较强，不具有普遍性。因此，对火电厂干贮狄场粉煤灰在不同地 质条件下的淋溶特性进行研究具有非常重要的意义。 本课题研究是山西省水利厅的科研项目“电厂干贮灰场灰水渗透特性及其控 制技术研究”的一部分。本次研究通过粉煤狄的浸出试验和淋溶试验研究粉煤灰 中污染物的溶出规律；通过粘土和粉煤灰的击实试验确定其最优含水率和最大干 密度，为狄场的碾压设计提供依据；通过渗透试验研究粉煤灰在不同压实情况下 的渗透性和各种土样在一定压实度下的渗透性：模拟狄场在不同工况下，包括采 2 太原理1 人学硕r 研究生学付论文 取防渗处理措施下和没有防渗措施下，粉煤次的渗透情况，研究灰场在不同渗透 系数的地层条件下的淋溶特性，通过对比分析在不同渗透系数的地层条件下粉煤 灰淋溶水对地下水环境的影响为干贮厌场建设的可行性和地下水资源的保护提 供依据。同时，提出一些渗水控制措施，对于不同的狄场环境和地质条件下，可 以相应的采取不同的措施，以便更好的控制水污染，确保在工业发展的同时，不 会带柬新的问题。 1 2 国内外研究现状 国外对粉煤厌的研究丌展较早。6 0 年代，国外学者对粉煤灰的物理特性、化 学组成、相组成、活性等研究取得了很多有价值的研究，这为今后粉煤灰的污染 研究奠定了理论基础。在7 0 年代之后，许多国家发电厂都加快转向以煤炭为主 要燃料的进程，随之而来的是大量扶渣的排放，粉煤灰的污染逐渐受到人们的重 视和关注。总之，国外尤其是一些以燃煤为主的国家特别重视粉煤灰中有害物质 对环境影响方面的研究。我国从8 0 年代未也丌始了粉煤灰对环境影响的研究，起 步较晚。 1 2 1 物理化学性质研究 d a v i s o n ( 1 9 7 4 ) ，g l a d n e y ( 1 9 7 6 ) 等在研究天空中不同粒级飞狄中的微量元素分 布时，发现有些元素如p b ，s e ，c d ，n i ，z n ，c r 等的含量随粒度减小而增加【2 】o 粉煤灰具有相当小的颗粒，因而它的比表卸积较大，在煤的燃烧过程很容易将煤 中的微量元素吸附转移到粉煤中( g e h r s 等1 9 8 1 1 3 1 ，h a n s e na n df i s h e r1 9 8 0 14 1 ， h o l c o m b e 等1 9 8 5 1 5 】) ，这就引起一些有害的微量元素在粉煤灰中富集。微量元素 常富集于飞灰表面且随粒度碱小含量增加。 s 、b 、c d 、h g 、m o 、s b 、s e 、v 、 z n 等元素常富集于飞灰表面，而b a 、c ( ，、c r 、m n 、n i 、p b 等元素常分布在表面 和下伏基质之f 日j 。富集在燃煤产物表商的元素，其可溶性与元素在表面的浓度和 3 太原理i 。人学硕十研究生学仲论文 其存在的化学形式有关，它们优先进入溶液：富集在基质中的元素，其可溶性与 基质的溶解速度、晶格离子向表面扩散的速率有关【6 1 。z i e l i n s k i ( 1 9 9 7 ) 等对美国西 部2 1 0 0 多种原煤试样进行分析，结果显示有1 8 左右煤种的有机物u 含量非常 高。他们认为，如果来源于这部分煤的粉煤灰中u 有非常大的渗滤性，这将严重 影响地下水的品质7 1 。 袁春林，张会明，段玖祥等8 1 ( 1 9 9 8 ) 通过全国1 0 0 多家火力发电厂的3 6 5 个粉煤灰样品化学分析资料，系统地统计了我国粉煤灰中的主要化学成分，并分 别计算了不同电厂粉煤灰化学成分的平均值，首次获得了我国火电厂粉煤灰各种 平均化学成分。王起超，邵庆春，康淑莲等9 】( 1 9 9 6 ) 研究了炉底飞灰和底灰中 1 5 种微量元素的含量和分布，探讨了煤炭燃烧后，微量元素在灰渣中的集散规律 及其影响因素。分析表明飞灰和底灰中微量元素含量与煤中微量元素含量呈线性 关系，微量元素含量不仅与煤有关，还受锅炉燃烧方式、炉温等人为因素影响。 齐立强，原永涛，纪元勋( 2 0 0 3 ) 在对国内几家电厂电除尘器收集的燃煤飞灰 进行混配、筛分及全灰化等处理后，采用常量法对分电场、分粒径狄样的化学成 分进行了分析。结果发现：飞狄中s i 0 2 ，a 1 2 0 3 ，t f e o ，c a o 和m g o 等化学成 分的含量随电场及飞灰的粒度呈一定规律分布，a 1 2 0 3 含量则随着粒度的减小而 逐渐增加，c a o 和m g o 的含量随粒度变细也有增加的趋势。并针对造成这种分 布规律的机理进行了初步的分析。竹蕾，卢升高，何黎平】( 2 0 0 4 ) 应用x 射线 衍射( x r d ) 、扫描电子显微镜( s e m ) 、粒度分析和压力膜对浙江省8 个火电厂粉煤 灰的矿物学、形态、颗粒组成和持水性进行了研究。结果表明，粉煤狄的矿物组 成以莫来石、石英、赤铁矿、磁铁矿为主，颗粒形态呈多孔玻璃质结构，内有粒 径为1 0 - 1 0 0pm 的微珠。粉煤狄的密度为1 9 3 - 22 9g c m 3 ，颗粒组成以粗粉粒为 主，占6 3 - - 7 2 。粉煤灰的阳例持水量、凋萎系数和有效水含量分别是6 6 - 8 7 ， 5 1 0 和5 4 2 。 此外，与粉煤扶同属煤系的煤、固体废弃物煤矸石及其它固体废弃物的研究 4 太原理l ：人学硕十研究生学位论文 为粉煤灰污染研究有定的指导作用。d a l w a yj s w a i n e ( 2 0 0 0 ) 对煤及其燃烧产物 中的微量元素的存在形式及迁移情况进行了研究”2 1 。 1 2 2 浸出特性研究 粉煤灰颗粒中元素的化学性质及化学活性是影响其浸出特性的主要因素，对 其进行深入研究，对贮放环境的影响评价具有重要的意义。 王运泉，任德贻，尹会双等( 】9 9 6 ) 用不同p h 值溶液对炉前原煤、灰化 灰、底灰、飞灰进行了对比淋滤试验，发现溶液的p h 值、淋滤时间、特别是元 素的性质及其赋存状态对元素的淋滤难易程度有重要影响。朱法华，张景荣，荣 鸿敏等( j 9 9 6 ) 取各电厂有代表性的干灰，通过淋溶释放模型，发现我国火电 厂粉煤厌全部为碱性灰；粉煤灰淋溶液中重金属的含量一般较低，绝大多数低于 生活饮水卫生标准，而s o 。2 。、f 、硬度、p h 值、c r 6 + 等项目经常超标，是粉煤灰 淋出液中的主要污染因子；污染物质的释放能力及速度与淋溶介质和污染物质的 赋存形式均有关。陆晓华，a l ia ，刘汉珍等l j5 j ( 1 9 9 6 ) 分别用模拟酸雨浸提和 t e s s i e r 形态分离法，对燃煤电厂排放颗粒物中重金属形态进行了研究，结果表明， 吸附一解析、p h 值、氧化还原条件和固一液界面离子交换等多种因素决定着颗粒物 中重会属的溶出。蔡红，温彦锋，魏迎奇等i6 】对国家电力公司控股的2 1 7 个火电 厂函调结果，粉煤灰灰水的污染因子主要有：p h 、f 一、p b 2 + 、c d 2 + 、c r 6 + 、s o 。2 、 总硬度等。傅嘉媛董榕i ”】( 2 0 0 4 ) 通过系统模拟实验研究了粉煤灰中主要有害 元素在灰场下常运行条件下的浸出与迁移舰律。结果表明，这种废水中的主要污 染物是f 和c d ，废水的p h 值严重超杯。 郭建新( 2 0 0 5 ) 通过浸出试验，对山西太原二电厂，神头电厂等5 个火电 厂粉煤灰进行浸出特性的测定，发现粉煤狄浸出液的p h 值与粉煤灰中的c a o 和 s 0 3 含量有关：浸出液p h 值的高低对粉煤狄微量元素的浸出速度和浸出浓度均有 较大影响；粉煤狄的粒度对浸j “液浓度也有影响。由于燃煤锅炉飞灰中含有多种 太原理i ：人学硕十研究生学位论文 有害重金属元素，如砷、硒等，在自然界雨水，尤其是酸阿的浸润作用下，有害 重会属元素会释放出来，污染环境和水源。李敬，刘铁雷【9 1 ( 2 0 0 5 ) 研究了c a o 对飞灰重金属元素浸出特性的影响。结果发现，飞灰中添加c a o ，增强了浸出液 体中重金属痕量元素a s 、s e 和c r 等与飞灰不溶部分的c a 发生置换作用，有效 地降低了飞灰浸出液体中重会属痕量元素a s 、s e 和c r 的含量。p r e d r a gsp o l i c ， m a r i n a r i l i c ，a l e k s a n d a r r p o p o v i c ( 2 0 0 5 ) 1 2 0 l 在研究中，以n i k o l a t e s l a 热电厂的 褐煤粉煤灰样作为研究对象，通过烧结方法来减少粉煤灰中元素的浸出浓度。试 验采用酸碱中和法测定浸出液的性质。分析结果表明在不同温度下烧结的粉煤灰 样的浸出液浓度比原粉煤灰样的浸出液浓度低的多。 1 2 3 对环境影响的研究 在粉煤灰长期堆放的过程中，通过扶水及雨水的淋溶尤其是酸陌的淋溶作用， 粉煤灰中的有害物质，将会溶出入渗，这样就可能造成对土壤和地下水环境的污 染。近年束国内外对贮灰场狄水的水质及环境影响都有一定的研究，发现电厂灰 水对地下水的影响主要取决于以下几个因素，即灰水水质及水量、灰场环境、水 文地质条件及自然环境对污染物的净化能力一即土壤对污染物的吸附、截留和转 化。 粉煤狄贮放方式的不同，对地下水环境的影响有着一定差别。目前，国内外 常用的贮扶方式主要有水力贮狄和干法贮狄。一般来说，水力贮狄对地下水污染 的比例较大：而干法贮灰在堆灰时，用水较少，主要是内水的淋滤作用可能造成 地下水的污染，象降雨较少的北方地区，如果地质条件不是很差则污染的可能性 就很小。干法贮灰在节约用水和对环境污染方面都比水力贮厌具有优势，当然， 干贮灰方式同样对环境也存在一定的影响。 】2 3 1 己运行多年的狄场对地下水的影响 6 太原理1 ：人芋硕卜”究士学何论文 国外对燃煤电厂水力贮狄场的观测凋查发现，灰场天然地质条件较好的，灰 渣浸出液对地下水水质的影响较小：但地质条件较差的，如不设专门的隔渗层则 可能造成污染。湿法贮灰场中常保持有一定的水头，因此造成地下水污染的可 能性较大。国内调查也发现一些地质条件差的灰场，因运行期间渗漏严重，不得 不投入大量资余加以治理。 g r o e n e w o l d 等| 2 2 1 ( 1 9 8 5 ) 通过对粉煤狄回填区域的露天煤矿的矿床、弃土区域 以及未回填区域地下水长达5 年的对比观测，得出在粉煤灰回填区域地下水中， 一些有害物质己超过了美国环境保护署饮用水标准，甚至原矿床和弃土区域的地 下水中硫酸根也超过了饮用水标准的几倍，不过随着时j 日j 的延长，地下水中有害 物质的含量降低明显，且与地下水的p h 值变化趋势是相同的。 n g u l e q ，b ( g a n c i ) g u n a l ，a e r l e r 在2 0 0 1 年以s e y i t o m e r 电厂为例对灰场 周围的土壤和水作了影响分析，说明c d ，p b ，z n ，c u 主要来自厌场的粉煤灰， c r 、c o 尽管浓度较高但对水和土壤不构成污染，p b ，c u 对土壤有中等程度的污 染。 土耳其的y a t a g a n 热电厂的粉煤块场是一个i l 谷型狄场建立在变质岩层上。 然而，当灰堆满后，水位竟达到了可溶岩层，水通过粉煤灰和可溶岩渗漏。对次 坝中及周围采集的水样进行化学分析，分析表明在同种样品中c a 2 + ，c d 2 + ，p b 2 + ， s b 2 + 和s o 。2 一的浓度超过土耳其饮用水的标准。采用同位素分析来决定水的起 源，分析指出污染就发生在贮狄场附近i “】。 浑江发电公司通天沟贮狄场地质状况复杂，通过地表声波测试，狄库库尾岩 溶集中发育，灰场建成后出现渗漏，局部溶洞充填粉煤灰，次库渗漏需进行处理。 首先采取帷幕灌浆技术，后发现仍有渗漏问题。因为研究证实区域岩溶发育，狄 库的岩溶形成渗漏通道，而且有一定的坡度：水泥浆液在有一定流速的地下水中 易沿通道流失，很快增大水灰比，在溶洞中不能形成有防渗效果的水泥帷幕1 2 s l 。 贮扶场对地f 水环境的污染，具有地区广、范围大、时问长等特点，地下水 7 太原理1 人学硕十研究土学位论文 一旦受了污染则很难治理恢复，因此 工作，在灰场运行前要进行预测评价 受污染。 要认真做好燃煤电厂排灰场的选址和防渗 从而相应的采取一定措施以确保地下水不 1 2 3 2 对在建灰场和拟建灰场的试验研究和模拟预测 】9 8 9 年许高潮从环境保护角度分析，水力除灰对其影响的主要污染因素是灰 场灰水对周围地下水的污染【2 6 】。陈德放2 7 1 ( 2 0 0 1 ) 以某发电厂灰场为试验场地， 对灰场废水对土壤及浅层地下水的影响情况进行研究，初步摸清灰场的粉煤灰对 土壤和浅层地下水均有影响，其对浅层地下水影响的大小，主要取决于排灰场土 壤的类型及污染物的种类和浓度。土壤对各种污染物均有吸附能力，模拟试验结 果表明土壤对砷、氟、六价铬的吸附能力远小于汞和铅。2 0 0 2 年，朱莉娜，王瑞 久等应用环境同位素理论，根据燃煤火电厂狄场灰水中的氢、氧、硫同位素与天 然地下水中的氢、氧、硫同位素存在的差异，建立了鉴别天然地下水和灰水的方 法，并研究了灰场灰水对周围地下水的影响程度、范围和主要途径| 2 8 】。 李定龙博士f 2 9 】( 2 0 0 0 ) 在对淮南市窑河灰场环境水文地质调研基础上，对拟 建窑河沣狄场及该区浅层地下水环境质量现状进行了模糊数学评价，以f _ 作为模 拟因子，对其5 a 后的污染范围和程度进行了预测评价。结果表明，拟建新狄场运 行后对周围地下水环境将会产生一定程度的影响，而且从长远看，这种影响不可 忽视。黄爽，蔡树英，杨会忠( 2 0 0 1 ) 以某电厂粉煤扶场为例，通过模拟现有灰 场在运行期间对地下水水位水质影响的基础上，研究了治理平原型狄场对周围地 下水环境影响的三种措施：防渗墙、排水管和抽水井。所有这些研究揭示了粉煤 狄场对改区土壤及地下水的影响，对电厂环境保护及对污染物的综合防治具有十 分重要的意义f 如1 。 8 0 年代术干贮狄技术在国内得到发展，近年束新建的灰场多数都采用干贮灰 技术，为使具有环保、经济意义的干法贮灰得到推广，国内也丌展了关于干贮狄 8 太原理1 人学硕十研究生学何论文 场的试验研究。 从1 9 8 6 年丌始，原水电部在高井电厂进行了两年较大规模的工业性干贮灰科 学试验工作，取得了大量宝贵的技术资料，为干贮灰的实施奠定了一定的基础】。 1 9 9 3 年，水利部水质试验研究中心通过现场和室内模拟狄场人工降雨实验，对火 电厂的干灰调湿碾压贮灰场的排水水质及其对地表水的影响进行了研究。1 3 2 。有 个别试验表明，压实不久的干贮粉煤灰的抗冲蚀性能较差，其冲蚀系数比易冲蚀 土高两倍以上。所以干法贮灰由于降雨和其他一些原因容易造成灰的流失，而污 染附近的地表水，须设置有效的截流和水回收处理措施做到防排结合。2 0 0 4 年， 赵谦，蔡红在盘山发电厂对干贮狄现场进行了碾压试验时，优化了碾压参数、进 行了各季节的复核试验、研究了各种特殊气候对碾压施工的影响及碾压后粉煤灰 的承载力，确定了干贮灰碾压的运行参数。为干贮狄场的碾压提供了依据 3 3 】。 但是，在干贮灰场的研究方面还存在一些问题。由于灰场灰水对环境的污染 程度不仅与粉煤灰本身的物理化学性质有关，还与地质条件有密切的关系。国内 所作的研究多数是基于某一研究区域的，针对性比较强，不具有普遍性。不同的 贮灰场所贮放的粉煤灰性质不同，所在区域的地质条件也有很大的差别，而那些 针对于某一区域的研究成果就不一定能直接为新建的灰场提供有力的依据。 所以，在建设灰场时，要针对不同的地质条件，做到充分的预测评价，采取 相应的措施，以防患于未然。 1 3 研究内容与方法 本课题将采集太原一电厂的干粉煤狄，在对其进行物理测定的基础上，进行 室内模拟试验，包括浸出试验和淋溶试验。然后对试验数掘进行分析，研究粉煤 狄的浸出规律：通过淋溶试验研究污染物的迁移规律，并分析对地下水的影响。 主要内容如下： ( 1 ) 根掘贮扶场地质环境条件的不同，取四种不同的土样测其渗透系数柬模 9 太原理i 。人学硕十研究生学位论文 拟不同的地层。并测定各种土样的物理性质指标。 ( 2 ) 通过击实试验确定粉煤灰和粘土的最优含水率和最大干密度。并通过渗 透试验测定粉煤灰和粘土压实后的渗透性。 ( 3 ) 通过浸出试验测定粉煤灰浸出不同时间氟离子的浸出浓度，研究粉煤灰 中氟的浸出特性。 ( 4 ) 通过淋溶试验研究贮灰场在不同地层条件下粉煤灰淋溶液的垂直迁移规 律及对地下水环境的影响。根据模拟试验结果，提出灰场工程建设、运行以及水 源地保护的合理化建议。 1 4 研究的技术路线 收集资料；准备试验器具：确定取样位置、方法并估计取样的数量；采集样 品：测定样品的一些物理性质进行必要的基础实验确定模拟试验所需要的数据； 模拟试验；数据处理及分析。 ( 一) 采集土样和粉煤灰样 ( 二) 测定土样和粉煤灰样的物理性质指标。 ( 三) 击实试验 测定粘土和粉煤灰的最优化含水率和最大干密度。 ( 四) 渗透试验 分别采用定水头和变水头试验，测定土样和粉煤狄样的渗透性。 ( 五) 浸出实验 依据中国浸出毒性实验方法，结合本次研究课题的需要，制定浸出试验方法。 测定土样和粉煤灰样中f 的含量。 ( 六) 淋溶试验 模拟三种工况：纯扶试验；灰土试验( 不加防渗层) ；灰土试验 ( 加防渗层) 1 0 太原理| 人中硕十宄t 学付论文 ( 七) 数据处理与分析，结论。 太原理。人学硕十研究生学伟论文 第二章粉煤灰的物质组成及基本性质3 5 3 煤炭在锅炉中燃烧后有两种固态残留物灰和渣。随烟气从锅炉尾部排出 的，主要经除尘器收集下来的固体颗粒即为粉煤灰，简称灰或飞灰；颗粒较大或 呈块状的，从炉膛底部收集出来的称为炉底渣，简称渣或大渣。对目前常见的燃 烧炉而言，灰约占总量的7 5 8 0 ，其余2 0 2 5 为渣。粉煤灰呈扶色粉末 状，以结构疏散的海绵状多孔玻璃质颗粒和表面光滑的球形颗粒为主，颗粒组成 介于粉砂与砂质粉土间，级配均匀。粉煤狄是一种人工火山灰质材料，其性能具 有较大的波动性。它不仅与煤种、煤源有关，同时亦取决于锅炉的类型、运行条 件、收尘及排狄方式。因此，各电厂粉煤灰的性能不同。同一电厂由于锅炉类型 及容量的差别，或同一锅炉由于运行条件不一，其性能办可能有较大的差别。 2 1 粉煤灰的产生 粉煤灰的形成大致可分成三个阶段： 第一阶段，煤粉在丌始燃烧时，其中气化温度低的挥发分，首先自矿物质与 固定碳连接的缝隙问不断逸出，使粉煤灰变成多孔性碳粒。此时的煤灰，颗粒状 态基本保持原煤粉的不规则碎屑状，但因多孔性，使其比表面积极大。 第二阶段，伴随着多孔性碳粒中的有机质完全燃烧和温度的升高。其中的矿 物质也将脱水、分解、氧化变成无机氧化物，此时的煤灰颗粒变为多孔玻璃体， 尽管其形念大体上仍维持与多孔碳粒相同，但比表面积明显地小于多孔碳粒。 第三阶段，随着燃烧的进行，多孔玻璃体逐步熔融收缩而形成颗粒，其孔隙 率不断降低，圆度不断提高，粒径不断变小，最终由多孔玻璃转变为一密度较高、 粒径较小的密实球体，颗粒比表面积下降为最小。不同粒度和密度的灰粒具有显 1 2 太原理：人孚硕十研究生学位论文 著的化学和矿物学方面的特征差别，小颗粒一般比大颗粒更具玻璃性和化学活性。 最后形成的粉煤灰( 包括飞灰和炉底灰) 是外观相似、颗粒较细而不均匀的 复杂多变的多相物质。 2 2 粉煤灰的分类 美国自1 9 7 7 年开始在a s t mc6 1 8 中将粉煤狄分成f 类灰及c 类灰。其定 义如下： f 类粉煤灰：通常是由燃烧无烟煤或烟煤所得的，并能符合这一类技术条件 的粉煤灰。这一类粉煤厌具有火山灰性能。 c 类粉煤灰：通常是由燃烧褐煤或次烟煤所得的，并能符合这一类技术条件 的粉煤灰。这一类粉煤灰除具有火山灰性能外，同时显示某些胶凝性。某些c 类 灰的氧化钙含量高于1 0 。 我国粉煤灰目前尚无公认的分类方法，只是笼统地将氧化钙含量较高的粉煤 灰称作高钙狄，大体上相当于美国a s t m 的c 类灰；反之，则称为低钙灰，大体 上相当于美国的f 类狄。 2 3 粉煤灰的结构 粉煤扶的结构是在煤粉燃烧和排出过程中形成的，比较复杂。在显微镜下观 察，粉煤狄是结晶体、玻璃体及少量未燃碳组成的一个复合结构的混合体。混合 体中这三者的比例随煤燃烧所选用的技术及操作手法不同而不同。其中结晶体包 括石英、莫来石、磁铁矿等：玻璃体包括光滑的球体形玻璃体粒子、形状不规则 孔隙少的小颗粒、疏松多孔且形状不规则的玻璃球等：未燃碳多呈疏松多孔形式。 1 3 太原理i ：人学硕十研究生学位论文 2 , 4 粉煤灰的组成 2 4 1 粉煤灰的化学组成 粉煤狄的化学成分主要为煤中未燃烧的矿物，其性能具有较大的波动性，它 不仅与煤源、煤种有关，同时亦取决于锅炉的类型、运行条件、收尘及排灰方式。 因此，各电厂粉煤灰的化学成分及性能都有不同差别。我国3 6 个低钙狄的化学组 成列于表2 1 。由表可见，粉煤狄的主要成分为氧化硅、氧化铝及氧化铁，其总 量约占粉煤狄的8 5 左右。氧化钙含量普遍较低；氧化硫及氧化镁的含量亦较低， 都未超过有关粉煤狄的标准。烧失量的波动范围较大，平均值亦偏高；这可能与 我国锅炉容量总体上偏小、燃烧不太完全有关。 表2 - 1 粉煤友的化学组成( ) t a b l e 2 一it h e c h e m i c a lc o m p o s i t i o n o f f l ya s h ( ) 成分s i 0 2 a b 0 3 f e 2 0 j ( 切0 m g o s 0 3n a 2 0k 2 0烧失量 平均值 5 0 62 7 r 27 o2 ，81 20 3o51 38 2 波动范围 3 3 ，9 5 9 71 65 3 5 41 5 1 5 40 f 8 6 4 o 7 1 9 o 1 io 2 l ，1 o 7 2 91 2 2 3 5 粉煤灰的主要元素组成( 质量分数) 为：04 7 8 3 ，s ij 1 4 8 3 1 1 4 ，a j 6 4 0 - - - 2 2 9 1 ，f e1 9 0 - - 1 8 5 1 ，c ao3 0 , - - 2 5 1 0 ，ko2 2 - 3 1 0 ，m go 0 5 - 1 9 2 ，t i 0 4 0 1 8 0 ，so 0 3 4 7 5 ，n a0 0 5 1 4 0 ，p0 0 0 - 4 ) 9 0 ，c 10 0 0 - 4 ) 1 2 ，其他o 5 0 - , - 2 91 2 。 此外，粉煤狄作为电厂的固体废物，其内还含有一些有害微量元素，会严重 污染水体与大气，危害人体健康及动、植物生长，这些微量元素的含量与煤源和 煤种有关。灰渣中常见微量元素的含量见表2 2 。 太原理i 。人学硕十研究生学忙论文 表2 2 灰渣中常见微量元素的含量( m g k g ) 2 t a b l e 2 2t h ec o n t e n to ft h eu s u a lt r a c ee l e m e n ! i nf l ya s h ( m g k g ) 元素名称 a g 银 a s 砷 b 硼b a 钡c d 镉c o 钴c r 铬c u 铜f 氟 h g 汞 平均含量 o 24 4 51 6 11 6 0 0o 8 62 41 2 06 8 15 00 0 2 3 元素名称骱锰m o 钼m i 镍p b 铅s e 硒s r 锶t j 钛v 钒 z n 锌 平均含量 2 9 73 93 87 1o 6 08 0 02 o1 4 19 9 6 2 42 粉煤灰的矿物组成 煤粉在锅炉中燃烧时，其无机矿物经历了分解、烧结、熔融、及冷却等过程。 由于煤粉各颗粒间的化学成分并不完全一致，因此燃烧过程中形成的粉煤灰在排 出的冷却过程中，形成了不同的物相。冷却后的粉煤灰基本上可分成玻璃体及晶 体矿物两大类。冷却速度较快时，粉煤灰的玻璃体含量较大；相反，冷却速度较 慢时，玻璃体容易析晶。 q g 一石膏：h 一赤铁矿：m 一莫来石；m g 磁铁矿；q 一石英 图2 - 1 粉煤灰的x 射线衍射曲线 f i g2 1 t h ed i f f r a c t i v ec u f v eo f xr a yo nf l ya s h 图2 一l 为粉煤扶的衍射曲线。由特征行丁射峰可知，粉煤灰