劉新杰 ，王 昊 ，劉麗麗

（1.北京大學(xué)工學(xué)院，北京100871；2.煤炭開采水資源保護(hù)與利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

中國是一個貧油少氣而相對富煤的能源生產(chǎn)國和消費(fèi)國，中國煤炭行業(yè)在政府去產(chǎn)能政策的引導(dǎo)下產(chǎn)量連續(xù)4 a下降，2016年中國的煤炭產(chǎn)量約為33.56億t，仍是世界上最大的煤炭生產(chǎn)國，煤炭總量占世界煤炭總量的1/2左右。中國2011—2016年的能源結(jié)構(gòu)見圖1。

中國相對富煤的國情決定了中國能源以煤炭為主體能源，石油、天然氣、水電、風(fēng)電和核電為輔的能源現(xiàn)狀［1］。2016年原煤的生產(chǎn)總量達(dá) 24億 t/a（以標(biāo)準(zhǔn)煤計，下同）之多，2016年以前長期占據(jù)能源生產(chǎn)總量的70%以上，但其所占能源比例從2012年起正在逐漸下降，至2016年所占比例首次低于70%，約為69.6%。中國原油年產(chǎn)量在3億t（以標(biāo)準(zhǔn)煤計，下同）附近徘徊，近6 a一直占據(jù)能源比例的8.5%。

圖1 中國的能源結(jié)構(gòu)組成（中華人民共和國國家統(tǒng)計局）

天然氣年產(chǎn)量為1.3億～1.8億t（以標(biāo)準(zhǔn)煤計，下同），產(chǎn)量和能源占比均有上升趨勢，比例由4.1%增至5.3%，具有良好的發(fā)展前景。近些年來中國新能源水電、風(fēng)電、核電發(fā)展迅猛，能源占比由2011年的9.6%上升至2016年的16.9%，發(fā)展前景極好。中國未來能源中煤炭、石油、天然氣、一次電力及其他能源將各自占據(jù)重要位置。目前，世界能源主要以石油為主，天然氣和煤炭次之。針對中國具體國情，未來20 a中國主體能源仍以煤炭為主，與此同時天然氣、水電、風(fēng)電和核電將迎來快速發(fā)展時期。

1 中國粉煤灰現(xiàn)狀及產(chǎn)量預(yù)測

粉煤灰是從煤燃燒后的煙道中收獲的細(xì)灰，是燃煤電廠排放的主要固體廢棄物［2-3］。目前，中國發(fā)電主要以火電為主，火電發(fā)電量一直占據(jù)中國電力生產(chǎn)總量的78%以上，其次是水電約占17%，剩余核電比例不足5%。在中國僅用于發(fā)電的煤炭量已達(dá)18億t/a（2014年），城市集中供熱鍋爐2.2億t/a，火電每消耗1 t煤，平均排放0.3 t的粉煤灰。隨著國家去產(chǎn)能政策影響和煤電去產(chǎn)能變革，中國煤炭及粉煤灰產(chǎn)量發(fā)展趨勢發(fā)生了新的變化，如圖2所示。

圖2 中國煤炭和粉煤灰產(chǎn)量發(fā)展趨勢

由圖2可見，中國煤炭資源由于基數(shù)大、比例高，仍是中國的主體能源。但隨著中國能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化和新能源的開發(fā)，預(yù)計中國煤炭產(chǎn)量未來可控制在25億～40億t/a。與此同時，電廠的粉煤灰排放量于2014年已達(dá)峰值且不再增加，預(yù)計未來20 a粉煤灰年排放量可維持在5億～7億t/a，仍是中國排量較大的工業(yè)廢渣之一。大量的粉煤灰若不加處理堆積，會產(chǎn)生飛塵，污染大氣；若排入水系會造成河流淤塞，而其中的有毒化學(xué)物質(zhì)還會對人體和生物造成危害，給中國的國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)及生態(tài)環(huán)境帶來巨大的壓力。

2 中國粉煤灰區(qū)域分布問題

目前，中國粉煤灰年產(chǎn)量已超過5億t，利用率則高達(dá)70%，與世界先進(jìn)國家水平持平。中國粉煤灰存在產(chǎn)量大、地區(qū)分布利用嚴(yán)重不均衡和堆存粉煤灰缺乏科學(xué)處置的問題。粉煤灰產(chǎn)生地區(qū)往往位于產(chǎn)煤大省和自治區(qū)，如內(nèi)蒙古、山西、陜西、貴州、山東、新疆、河南、安徽、甘肅和河北等地，僅內(nèi)蒙古和山西兩處煤炭產(chǎn)量就占中國煤炭產(chǎn)量的1/2之多。這些主要的產(chǎn)煤區(qū)粉煤灰產(chǎn)生量大，因技術(shù)水平和經(jīng)濟(jì)性問題造成了粉煤灰利用率相對較低。目前，未被綜合利用的粉煤灰基本都集中在這些地區(qū)。在東南沿海等發(fā)達(dá)地區(qū)和一些大城市，粉煤灰總體量不大，已經(jīng)被完全資源化利用，甚至出現(xiàn)供不應(yīng)求的情況。江蘇、浙江一些省份基本實(shí)現(xiàn)了粉煤灰產(chǎn)生和利用的平衡。

3 粉煤灰基本性能分析

粉煤灰主要成分為 SiO2、Al2O3、CaO、SO3、Fe2O3、TiO2、MgO、K2O、P2O5、Na2O， 通常根據(jù) Al2O3、CaO 含量多少也劃分高鋁、低鋁和高鈣、低鈣粉煤灰，但其主要成分為 SiO2、Al2O3、CaO。 圖3為采用 FactSage 7.1軟件對CaO-Al2O3-SiO2系相圖做的計算分析。

圖3 CaO-Al2O3-SiO2系相圖

由圖3可知，粉煤灰的反應(yīng)溫度區(qū)間［T（min）～T（max）］為 1 184.29～2 571.99 ℃，由于 SiO2、Al2O3、CaO物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)和溫度的不同，其主要生成物也略有差異。相比較而言，粉煤灰反應(yīng)溫度活性區(qū)間（1 184～1 800 ℃），按活躍度排序?yàn)椋? 400～1 500℃）＞（1 300～1 400 ℃）＞（1 200～1 300 ℃）。 不同高溫區(qū)間下可能存在的物質(zhì)形態(tài)如表1所示。

為此，要研究粉煤灰高溫下的性能，應(yīng)主要考慮1 200～1 500℃的溫度區(qū)間。

表1 不同高溫區(qū)間下可能存在的物質(zhì)形態(tài)

4 粉煤灰產(chǎn)業(yè)發(fā)展多元化、高值化、產(chǎn)業(yè)化

中國人均資源相對匱乏，自從20世紀(jì)80年代以來，國家和一些地方政府出臺了一系列有關(guān)粉煤灰分選資源綜合利用的政策法規(guī)，極大地推動了粉煤灰綜合利用事業(yè)的蓬勃發(fā)展。經(jīng)過開發(fā)，粉煤灰在建材工業(yè)、筑路工程、化學(xué)工業(yè)、農(nóng)業(yè)利用、環(huán)境保護(hù)和綠色灰機(jī)等領(lǐng)域得到多元化應(yīng)用［4-10］，如圖4所示。

圖4 粉煤灰利用多元化

李克強(qiáng)總理指出，2016—2020年是中國產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、轉(zhuǎn)型升級的關(guān)鍵期和機(jī)遇期。正值粉煤灰總量已達(dá)峰值后產(chǎn)量逐漸穩(wěn)定的情況下，粉煤灰資源屬性日趨明顯，表現(xiàn)為部分地區(qū)粉煤灰短缺現(xiàn)象，迫使粉煤灰利用也朝著高值化、產(chǎn)業(yè)化方向發(fā)展。利用粉煤灰礦物組成、粒徑分布和高溫下的理化性能，開展“廢棄物→資源化再利用→新產(chǎn)品”的循環(huán)路徑模式，開發(fā)較多輕綠色煤基產(chǎn)品，如陶瓷、巖棉、巖板等。

北京市“固體廢棄物資源化技術(shù)與管理”重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室王習(xí)東課題組以粉煤灰為主要原料，添加適當(dāng)?shù)酿ね梁吞砑觿迫沼煤托l(wèi)生陶瓷，與普通陶瓷制品相比更加節(jié)約成本。同時開發(fā)了具有防火、保溫、易于切割等優(yōu)良特性的巖棉，已經(jīng)在山西朔州工廠工業(yè)化生產(chǎn)銷售。研發(fā)的粉煤灰?guī)r棉仿木地板在山西-朔州北大研發(fā)中心與內(nèi)蒙古包頭建立了中試示范生產(chǎn)線，具有防水、阻燃、耐磨、耐候、抗壓、抗折等綜合優(yōu)勢，可替代天然木材天然石材、復(fù)合板材。

5 結(jié)論

粉煤灰是一種特殊的工業(yè)廢棄物，既是污染環(huán)境的工業(yè)副產(chǎn)品，又是能夠加以利用的資源，具有多重屬性。充分研究其特性，提升利用價值，變廢為寶，具有重大的意義。隨著國家去產(chǎn)能政策實(shí)施和煤炭清潔利用的推進(jìn)，粉煤灰的資源屬性更加突出明顯，在建材、化工、筑路、農(nóng)業(yè)、環(huán)境和綠色灰基等領(lǐng)域的發(fā)展將更加多元化，資源化利用愈加高值化和產(chǎn)業(yè)化。

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