成洪濤，董江波，李邦憲

（1.山西西山華通水泥有限公司，山西 太原 030205；2.合肥水泥研究設(shè)計(jì)院有限公司，安徽 合肥 230051）

0 前言

大宗粉煤灰的資源化綜合利用，從目前來看，主要是用于生產(chǎn)水泥等建材產(chǎn)品和用于商品混凝土的摻合料。通過市場(chǎng)調(diào)研，我們了解到將粉煤灰原灰進(jìn)行分選+球磨機(jī)粉磨，或同時(shí)添加合適的激發(fā)劑，對(duì)其進(jìn)行提質(zhì)，可以生產(chǎn)出不同細(xì)度和活性的粉煤灰產(chǎn)品。通過這種方式，可以大大提升粉煤灰在水泥及商品砼中的用量。

1 粉煤灰處置現(xiàn)狀

山西興能發(fā)電公司是煤電聯(lián)營(yíng)、熱電聯(lián)產(chǎn)的大型坑口火力發(fā)電廠，位于山西省太原市西部山區(qū)的古交市。據(jù)統(tǒng)計(jì)，該電廠每年排放粉煤灰量226萬t、排放爐渣量約40萬t、排放脫硫石膏量36萬t。目前，每年僅有60萬t粉煤灰和8萬t脫硫石膏由我公司用于水泥生產(chǎn)。其余粉煤灰被加水濕潤(rùn)后，通過皮帶運(yùn)輸?shù)缴焦?，與爐渣、脫硫石膏一并填埋。按照環(huán)保要求，在填埋時(shí)采用粉煤灰加黃土覆蓋的方式進(jìn)行。這樣層層填埋、層層壓實(shí)，并在其上層種上綠色植物。由于粉煤灰排量巨大，已經(jīng)將該電廠附近的山谷填滿。其中一期粉煤灰填埋場(chǎng)已經(jīng)基本填平，形成約14.72 ha（221畝）的空曠場(chǎng)地。以填埋的方式來處置粉煤灰，不僅對(duì)當(dāng)?shù)丨h(huán)境造成一定程度的污染，同時(shí)也是粉煤灰資源的浪費(fèi)。

另外，興能發(fā)電公司還承擔(dān)著古交市和太原市5000萬m2區(qū)域冬季供暖任務(wù)。進(jìn)入采暖期后，三期六臺(tái)機(jī)組基本滿負(fù)荷運(yùn)行。日排灰、渣量合計(jì)約10781（t其中粉煤灰9164t）。由于北方地區(qū)電廠固廢用于建材產(chǎn)品和商品混凝土與熱電聯(lián)產(chǎn)電廠的運(yùn)行存在反季現(xiàn)象。因此，在冬季對(duì)電廠排出的大量粉煤灰、爐渣、脫硫石膏的處置難度更大，環(huán)保壓力更嚴(yán)峻。為此，公司計(jì)劃尋找一條粉煤灰資源化利用的有效途徑，將粉煤灰資源化利用和污染防治緊密結(jié)合起來，以解決制約該電廠正常生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)所帶來的灰、渣處置難題。

為此，我公司派出技術(shù)人員到全國(guó)各地進(jìn)行了大量的調(diào)查研究。尋找粉煤灰資源化利用的可靠途徑，以期找到新的思路和解決辦法。

2 市場(chǎng)調(diào)研及商品砼對(duì)粉煤灰性能的要求

2.1 國(guó)內(nèi)南方市場(chǎng)及企業(yè)的調(diào)研

南方地區(qū)，由于水泥企業(yè)眾多，建筑市場(chǎng)活躍，而熱電企業(yè)又相對(duì)較少，電廠產(chǎn)出的粉煤灰作為生產(chǎn)水泥的活性混合材，被水泥企業(yè)完全利用。就連爐渣及脫硫石膏也被處置的干干凈凈。通過走訪，我們了解到一些企業(yè)利用粉煤灰和其它物料一起粉磨，生產(chǎn)一種比表面積700 m2/kg以上的超細(xì)粉產(chǎn)品，但是這種超細(xì)粉產(chǎn)品在市場(chǎng)上并沒有太多的需求，企業(yè)的生產(chǎn)規(guī)模一般都較小，生產(chǎn)工藝也不穩(wěn)定。有時(shí)，產(chǎn)品的細(xì)度也不易達(dá)到700m2/kg，就算能粉磨到該細(xì)度，其臺(tái)產(chǎn)也較低，系統(tǒng)的電耗成本較高。文獻(xiàn)[1]通過小磨實(shí)驗(yàn)研究，取得了將粉煤灰原灰比表面積從350m2/kg磨細(xì)至不同細(xì)度的細(xì)灰的粉磨電耗數(shù)據(jù)，見表1。

表1 粉煤灰原灰磨細(xì)至不同細(xì)度時(shí)的粉磨電耗指標(biāo)

2.2 國(guó)內(nèi)北方市場(chǎng)及企業(yè)的調(diào)研

北方地區(qū)，我們考察了兩家企業(yè)：其一，陜西堯柏蒲城產(chǎn)業(yè)園新材公司年產(chǎn)120萬t礦物外加劑項(xiàng)目：用三臺(tái)Φ3.5m×15m球磨機(jī)閉路系統(tǒng)，利用粉煤灰原灰生產(chǎn)礦物外加劑產(chǎn)品。今年4月建成投產(chǎn)，并有首車礦物外加劑產(chǎn)品銷售出廠。蒲城循環(huán)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)園固廢資源利用項(xiàng)目，一期包含年產(chǎn)120萬t礦物外加劑生產(chǎn)線和年產(chǎn)40萬t新型裝飾材料噴涂石膏生產(chǎn)線，可消納華電蒲城公司現(xiàn)有全部粉煤灰和脫硫石膏等固廢225萬t。另外，二期還要建成一條年產(chǎn)3.6億塊新型墻材生產(chǎn)線，可消納蒲城清潔能源公司現(xiàn)有氣化渣等固廢106萬t。一、二期項(xiàng)目建成投產(chǎn)后，每年可處理工業(yè)固廢資源約331萬t。

其二、陜西正元集團(tuán)公司在秦嶺電廠和麟游電廠附近，與合肥院合作，先后共投產(chǎn)4臺(tái)套Φ3.2m×16m球磨機(jī)閉路系統(tǒng)生產(chǎn)超細(xì)灰，達(dá)到年產(chǎn)120萬t超細(xì)粉煤灰綜合利用能力。其中，正元實(shí)業(yè)秦電環(huán)保公司，年產(chǎn)60萬t超細(xì)粉煤灰綜合利用項(xiàng)目于2020年7月竣工投產(chǎn)。該項(xiàng)目的竣工投產(chǎn)，將徹底解決華能秦電公司粉煤灰、灰渣的處置難題；能大幅減少灰渣拉運(yùn)、存儲(chǔ)、堆放過程帶來對(duì)環(huán)境的“二次污染”及土地資源浪費(fèi)。目前，正元實(shí)業(yè)公司已與渭河發(fā)電、秦嶺發(fā)電、麟北發(fā)電、商洛發(fā)電、延安發(fā)電等多個(gè)電廠開展合作，形成了西北地區(qū)規(guī)模第一的產(chǎn)、供、銷、儲(chǔ)、運(yùn)完整的產(chǎn)業(yè)鏈。

正元實(shí)業(yè)秦電環(huán)保公司生產(chǎn)的“KM超細(xì)粉”，是一種新型節(jié)能環(huán)保的砼摻合料。以粉煤灰原灰為主要原料，加入適量激發(fā)劑，用球磨機(jī)粉磨至理想細(xì)度而成。其使用性能突出：能提高混凝土各齡期強(qiáng)度、抗凍、抗?jié)B性能；水化熱指數(shù)大幅度降低，開裂風(fēng)險(xiǎn)幾乎為零。其與摻入普通Ⅱ級(jí)粉煤灰相比，和易性明顯改善，與各種外加劑的相容性明顯提高，抗硫酸鹽腐蝕、抗氯離子滲透性能明顯改善，碳化程度明顯減小。其經(jīng)濟(jì)效益顯著：超細(xì)粉產(chǎn)品摻入各等級(jí)混凝土，能取代水泥25%～50%。對(duì)大體積混凝土而言，可顯著降低混凝土單方成本。

以上兩個(gè)公司的成功案例，都是通過球磨機(jī)粉磨工藝，細(xì)磨粉煤灰對(duì)其提質(zhì)改性，且處理量都較大，值得我公司學(xué)習(xí)和借鑒。

2.3 粉煤灰摻合料在商品混凝土中的作用及性能要求

粉煤灰是電廠煤粉爐煙道氣體中收集的粉末，其主要成分為：SiO2和Al2O3，還含有少量Fe2O3、CaO。根據(jù)用途分為拌制砂漿和混凝土用粉煤灰、水泥活性混合材料用粉煤灰兩類。在混凝土中摻加粉煤灰后可以使混凝土的性能得到以下幾個(gè)方面的改善：

（1）可以提高混凝土的后期強(qiáng)度；

（2）在混凝土的用水量不變的情況下，可以起到顯著改善混凝土拌合物和易性的效應(yīng)，增加流動(dòng)性和粘聚性，還可降低水化熱。

（3）在保持混凝土拌合物原有的和易性不變，則可減少用水量，起到減水的效果，從而提高混凝土的密實(shí)度和強(qiáng)度，增強(qiáng)耐久性。

粉煤灰在砼中發(fā)揮的主要作用有三種：形態(tài)效應(yīng)、活性效應(yīng)、微集料效應(yīng)，見表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》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 1596—2017）中，對(duì)粉煤灰性能等級(jí)作了規(guī)范要求，見表3。

表3 粉煤灰的等級(jí)要求（GB/T1596—2017） %

3 我公司的粉煤灰原灰的性能數(shù)據(jù)及提質(zhì)方法

我公司電廠排放的粉煤灰原灰的細(xì)度偏粗，但活性指標(biāo)較高，需水量達(dá)標(biāo)。具體檢測(cè)數(shù)據(jù)見表4，進(jìn)一步的檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，粉煤灰中的微珠含量不高，大部分是大顆粒狀的海綿狀玻璃體，顆粒分布極不均勻。

表4 山西興能電廠粉煤灰檢測(cè)數(shù)據(jù) %

文獻(xiàn)[2]的研究表明，將粉煤灰原灰進(jìn)行粉磨，破壞原有粉煤灰的形貌結(jié)構(gòu)，增加了玻璃微珠顆粒的數(shù)量，使其成為粒度比較均勻的微細(xì)顆粒。且由于比表面積提高，還能發(fā)揮其超細(xì)微粉的性能，能顯著提高其活性指數(shù)。在活性提高后，有利于粉煤灰在水泥中的摻入量，增加粉煤灰的利用率。文獻(xiàn)[2]通過研磨實(shí)驗(yàn)來提高粉煤灰的活性及增加的摻入量數(shù)據(jù)見表5。

表5 粉煤灰原灰磨細(xì)對(duì)活性提高的數(shù)據(jù)

基于在商品砼中，對(duì)摻合料的粉煤灰有“形態(tài)效應(yīng)、活性效應(yīng)、微集料效應(yīng)”的要求；且由于商品砼的品種不同，對(duì)摻入的粉煤灰的細(xì)度有不同的要求；還有基于不同商品砼的價(jià)格成本考慮；目前，市場(chǎng)上需求的粉煤灰產(chǎn)品主要有以下幾種：二級(jí)灰、一級(jí)灰、磨細(xì)灰及超細(xì)灰等品種。

4 我公司粉煤灰提質(zhì)工程方案及內(nèi)容

通過對(duì)國(guó)內(nèi)一些成功案例的考察，且與國(guó)內(nèi)一些知名科研院所的專家研討后一致認(rèn)為：粉煤灰的機(jī)械力與化學(xué)復(fù)合活化技術(shù),可以大幅度地提高其活性。所以，通過對(duì)粉煤灰原灰進(jìn)行“分選+適當(dāng)?shù)姆勰ァ?，開發(fā)出滿足市場(chǎng)需求的二級(jí)灰、一級(jí)灰、磨細(xì)灰及超細(xì)灰等品種。這是大宗粉煤灰的資源化處置利用的的好方法。

對(duì)粉煤灰進(jìn)行“分選+粉磨”的工藝成熟，技術(shù)裝備可靠，綜合利用粉煤灰量大，符合市場(chǎng)需求。

4.1 高效分選+球磨機(jī)粉磨工藝技術(shù)方案的確定

我公司的粉煤灰提質(zhì)工程采取“空氣分選+球磨機(jī)粉磨”相結(jié)合的工藝方案。該方案設(shè)置四套“分選+球磨機(jī)粉磨”的系統(tǒng)，年處理原灰量可達(dá)到350萬t。主要設(shè)備，球磨機(jī)采用Φ3.5m×15m，分選設(shè)備采用N3500型新型高效選粉機(jī)，閉路粉磨工藝。擬生產(chǎn)的主要產(chǎn)品品種及指標(biāo)見表6。

表6 磨細(xì)粉煤灰品種及產(chǎn)能

4.2 分選+球磨粉磨系統(tǒng)主要工藝方案簡(jiǎn)述

粉煤灰提質(zhì)工程方案即粉煤灰細(xì)磨系統(tǒng)，采用前置選粉機(jī)的生產(chǎn)工藝。首先，將計(jì)量后的原灰輸送至磨尾提升機(jī)，與出磨粉煤灰一起經(jīng)提升機(jī)喂入N3500型高效選粉機(jī)內(nèi)進(jìn)行分選。合格細(xì)粉隨氣流進(jìn)入一臺(tái)處理能力230000m3/h的袋收塵器內(nèi)收集，收集下的細(xì)粉即為成品；經(jīng)輸送斜槽、螺旋泵輸送至大型細(xì)灰儲(chǔ)存庫中；粗粉則由空氣輸送斜槽送回球磨機(jī)內(nèi)繼續(xù)粉磨，粉磨后的物料再經(jīng)磨尾提升機(jī)送入選粉機(jī)再分選。該系統(tǒng)的特點(diǎn)在于，可以同時(shí)生產(chǎn)四個(gè)品種的粉煤灰及超細(xì)灰，能滿足市場(chǎng)的各種需求。尤其能做到在保證產(chǎn)品細(xì)度的情況下，對(duì)原灰中的玻璃微珠母珠的打散，和對(duì)大顆粒狀的海綿狀玻璃體粉磨，且不破壞微珠的微觀結(jié)構(gòu)，確保粉煤灰在商品砼中發(fā)揮顆粒形態(tài)效應(yīng)。

本系統(tǒng)的磨機(jī)除塵采用獨(dú)立的通風(fēng)除塵系統(tǒng)，廢氣經(jīng)除塵器凈化后通過排風(fēng)機(jī)排入大氣，排出氣體的含塵濃度(標(biāo)況下)小于10 mg/m3，符合國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)《水泥工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB4915—2013）。其工藝流程簡(jiǎn)圖見圖1，其中，球磨機(jī)規(guī)格：Φ3.5m×15m，4臺(tái)，能力：50～100t/h 功率：2000kW，10kV；分級(jí)機(jī)型號(hào)：N3500，4臺(tái)，處理風(fēng)量：210000 m3/h，功率：160kW。

圖1 球磨閉路粉磨+空氣分選工藝生產(chǎn)流程圖

5 大宗粉煤灰的應(yīng)用市場(chǎng)分析

5.1 在水泥生產(chǎn)中的應(yīng)用市場(chǎng)分析

根據(jù)前述的工程方案，粉煤灰提質(zhì)工程實(shí)施后生產(chǎn)的分選、磨細(xì)灰（超細(xì)灰）粉煤灰產(chǎn)品廣泛地應(yīng)用于太原市和周邊區(qū)域的水泥廠（包括粉磨站）、商品混凝土攪拌站和干混砂漿站。

目前太原市境內(nèi)的水泥生產(chǎn)企業(yè)有14家，其中帶水泥熟料生產(chǎn)線的企業(yè)6家，水泥粉磨站企業(yè)8家。太原、晉中區(qū)域是我省內(nèi)最大的水泥消費(fèi)市場(chǎng)，近年來進(jìn)入該市場(chǎng)的水泥產(chǎn)品遠(yuǎn)不止上述14家，以我公司100km半徑范圍內(nèi)水泥生產(chǎn)企業(yè)統(tǒng)計(jì)，約有26家水泥企業(yè)合計(jì)水泥總產(chǎn)能2690萬t；以現(xiàn)有產(chǎn)銷情況看，目前年產(chǎn)銷售在1300～1400萬t；水泥產(chǎn)品品種主要有 P·C32.5R(2017年)、P·O42.5、P·S42.5、P·C42.5；水泥生產(chǎn)配入的混合材主要以礦渣、礦渣微粉和粉煤灰為主，熟料煅燒原料中也摻配約10%的粉煤灰。以年產(chǎn)1350萬t水泥測(cè)算，混合材年消耗量約為470萬t，熟料煅燒原料中粉煤灰使用量約110萬t。由于太原市周邊僅有太鋼（集團(tuán)）與美錦鋼鐵產(chǎn)出高爐礦渣，總產(chǎn)量也僅300萬t左右。而且近年來大量外運(yùn)至陽泉、忻州、呂梁、晉中的水泥及商品砼企業(yè)。因此，市場(chǎng)供應(yīng)日趨緊缺，保守估計(jì)以同等質(zhì)量的分選、磨細(xì)和超細(xì)粉煤灰來替代礦渣和礦渣微粉，粉煤灰用于水泥生產(chǎn)的需求量在380萬t。

5.2 在預(yù)拌砼中的應(yīng)用市場(chǎng)分析

經(jīng)市場(chǎng)調(diào)查，我公司周邊現(xiàn)有預(yù)拌混凝土攪拌站51家。其中，古交市8家，清徐縣6家，晉源區(qū)7家，小店區(qū)8家，萬柏林區(qū)2家，杏花嶺區(qū)4家，迎澤區(qū)3家，尖草坪區(qū)13家，交城縣5家，還不包括陽曲縣和榆次區(qū)的30余家攪拌站。據(jù)統(tǒng)計(jì)，太原市2017年預(yù)拌砼消費(fèi)量約為1600萬m3；粉煤灰使用量約為60萬t。而且隨著用于砼中的礦渣微粉供應(yīng)的緊缺，分選、磨細(xì)和超細(xì)粉煤灰的需求量還將增大，預(yù)計(jì)年需求量將達(dá)到80萬t以上。

5.3 粉煤灰（磨細(xì)灰）爐渣在預(yù)拌砂漿中的應(yīng)用市場(chǎng)分析

太原市2017年有預(yù)拌砂漿生產(chǎn)企業(yè)5家，目前在建企業(yè)4家，2017年預(yù)拌砂漿產(chǎn)量約50萬t。隨著太原市市區(qū)內(nèi)禁止建設(shè)工程現(xiàn)場(chǎng)攪拌砂漿政策的推行，預(yù)拌砂漿的市場(chǎng)需求量將大幅增加。據(jù)統(tǒng)計(jì)，太原市年需預(yù)拌砂漿約260萬t，折算到粉煤灰及爐渣（用于輕質(zhì)集料）的總需用量約30萬t。

6 粉煤灰產(chǎn)品市場(chǎng)銷售競(jìng)爭(zhēng)力分析

據(jù)估計(jì)，該項(xiàng)目(粉煤灰提質(zhì)工程）年銷售原灰26萬t，Ⅰ、Ⅱ級(jí)灰60萬t，磨細(xì)灰75萬t，磨超細(xì)灰65萬t。其銷售價(jià)格類比市場(chǎng)中的原狀粉煤灰、Ⅰ、Ⅱ級(jí)粉煤灰、礦渣微細(xì)粉的售價(jià)。同類產(chǎn)品市場(chǎng)調(diào)研價(jià)格見表7。

表7 周邊粉煤灰售價(jià)表

本項(xiàng)目原狀粉煤灰的費(fèi)用，售價(jià)為15元/t（僅相當(dāng)于運(yùn)費(fèi)）；其它產(chǎn)品的售價(jià)結(jié)合本項(xiàng)目所處地理位置和交通運(yùn)輸?shù)牧觿?shì),降價(jià)20元/t（運(yùn)費(fèi)差價(jià)）銷售，其產(chǎn)品系列正常測(cè)算價(jià)格如表8。

表8 預(yù)測(cè)粉煤灰售價(jià)表

考慮到市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)情況,在正常測(cè)算價(jià)格的基礎(chǔ)上再下調(diào)5～25元/t來確定銷售價(jià)格。即II級(jí)灰45元/t、球磨細(xì)灰75元/t、球磨超細(xì)灰120元/t來進(jìn)行經(jīng)濟(jì)效益測(cè)算分析，項(xiàng)目仍具有較強(qiáng)的盈利能力?？梢婎A(yù)期的產(chǎn)品銷售價(jià)格具有較強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力主要由產(chǎn)品質(zhì)量與售價(jià)決定。本項(xiàng)目采用先進(jìn)成熟的生產(chǎn)工藝，其產(chǎn)品質(zhì)量?jī)?yōu)于市場(chǎng)中的同類產(chǎn)品，且在售價(jià)測(cè)算中，還低于同類產(chǎn)品市場(chǎng)價(jià)5～20元/t，仍具有良好的經(jīng)濟(jì)效益，可見市場(chǎng)的風(fēng)險(xiǎn)較小。

7 結(jié)語

大宗粉煤灰的綜合利用，主要是在水泥、預(yù)拌砼、預(yù)拌砂漿、建筑工程、建材制品等方面。通過國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的調(diào)研、科學(xué)分析，參考相關(guān)企業(yè)的成功經(jīng)驗(yàn)，依托國(guó)內(nèi)知名科研院所和科技企業(yè)的技術(shù)，采取“分選+合適的粉磨”的生產(chǎn)工藝來提高粉煤灰產(chǎn)品的品質(zhì)。并且開發(fā)出多個(gè)品種的粉煤灰產(chǎn)品，來滿足水泥及商品砼生產(chǎn)的需要，為我公司的大宗粉煤灰的綜合治理找出一個(gè)切實(shí)可行的總體方案。