摘 要：【目的】解決火力發(fā)電廠爐渣和粉煤灰的分選問題，提高廢棄物的分選效率和純度，為其資源化利用奠定基礎(chǔ)?！痉椒ā坎捎脷饬鞣诌x與靜電分選相結(jié)合的方法，設(shè)計了優(yōu)化分選系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括旋風(fēng)分離器、氣流床分選器和滾筒式靜電分選器，通過調(diào)節(jié)關(guān)鍵參數(shù)實現(xiàn)高效分離?！窘Y(jié)果】優(yōu)化后系統(tǒng)將爐渣和粉煤灰分選純度提高至95%以上，效率提升30%。爐渣分選效率達(dá)97%，純度98%；粉煤灰分選效率達(dá)96%，純度99%。系統(tǒng)能耗降低20%，水耗減少80%。投資回收期不到7個月，10年凈收益可達(dá)3.5億元?！窘Y(jié)論】本研究開發(fā)的優(yōu)化分選系統(tǒng)顯著提高了爐渣和粉煤灰分選效率和純度，為火電廠廢棄物資源化利用提供創(chuàng)新方案。該系統(tǒng)具有良好經(jīng)濟(jì)效益，同時減少環(huán)境污染，促進(jìn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。未來可進(jìn)一步探索智能化管理和更廣泛應(yīng)用，推動火電行業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

關(guān)鍵詞：爐渣；粉煤灰；分選系統(tǒng)；氣流分選；靜電分選

中圖分類號：TH162 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1003-5168（2024）21-0083-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.21.017

Optimization and Application of Fumace Slag and Coal Fly Ash

Separation System in Power Plants

XU Shuguang

（State Energy Group Taizhou Power Generation Co.， Ltd.， Taizhou 225300， China）

Abstract： [Purposes] This study aims to address the separation issue of furnace slag and coal fly ash in thermal power plants， improve the separation efficiency and purity of these waste materials， and lay a foundation for their resource utilization. [Methods] The study employs a combination of air classification and electrostatic separation methods to design an optimized separation system. This system includes a cyclone separator， an entrained flow bed classifier， and a drum-type electrostatic separator， achieving efficient separation by adjusting key parameters. [Findings] The optimized system improved the separation purity of furnace slag and coal fly ash to over 95%， with a 30% increase in efficiency. Fumace slag separation efficiency reached 97% with 98% purity; coal fly ash separation efficiency reached 96% with 99% purity. The system reduced energy consumption by 20% and water consumption by 80%. The investment payback period is less than 7 months， with a potential net profit of 350 million yuan over 10 years. [Conclusions] The optimized separation system developed in this study significantly improved the separation efficiency and purity of boiler slag and coal fly ash， providing an innovative solution for waste resource utilization in thermal power plants. The system offers good economic benefits while reducing environmental pollution and promoting circular economy. Future research can explore intelligent management and broader applications， promoting sustainable development in the thermal power industry.

Keywords： furnace slag; coal fly ash; separation system; air classification; electrostatic separation

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)增長，電力需求也持續(xù)增多。在供給端，火力發(fā)電仍占主導(dǎo)地位。然而，火力發(fā)電過程中產(chǎn)生的爐渣和粉煤灰等固體廢棄物不僅占用大量土地資源，還可能造成環(huán)境污染。如何有效分選和利用這些廢棄物是火力發(fā)電廠面臨的重要課題。高效的分選系統(tǒng)是實現(xiàn)廢棄物資源化利用的關(guān)鍵。本研究旨在通過優(yōu)化分選系統(tǒng)，提高爐渣和粉煤灰的分選效果，為其后續(xù)利用奠定基礎(chǔ)。創(chuàng)新性地采用氣流分選與靜電分選相結(jié)合的方法，克服了單一分選技術(shù)的局限性，實現(xiàn)了分選效率和純度的雙重提升。下文將詳細(xì)探討優(yōu)化系統(tǒng)的設(shè)計原理、試驗驗證及其在工程中的應(yīng)用價值。

1 優(yōu)化分選系統(tǒng)設(shè)計

1.1 氣流分選技術(shù)原理及應(yīng)用

在電廠爐渣粉煤灰分選系統(tǒng)中，氣流分選技術(shù)的應(yīng)用主要基于旋風(fēng)分離器和氣流床分選器的組合。旋風(fēng)分離器用于初步分離大顆粒爐渣，通過切向進(jìn)料，利用離心力將大顆粒甩向器壁進(jìn)行收集。氣流床分選器則用于細(xì)顆粒的進(jìn)一步分離，通過調(diào)節(jié)氣流速度和床層振動頻率實現(xiàn)分層和分離。實際應(yīng)用中，進(jìn)料粒度控制在0～5 mm，氣流速度設(shè)定為3～5 m/s，振動頻率保持在15～20 Hz。這種組合能有效處理復(fù)雜的電廠廢棄物。為提高分選效率，本研究引入了多級分離和循環(huán)風(fēng)路設(shè)計［1］。多級分離可以逐步提高產(chǎn)品純度，而循環(huán)風(fēng)路則有助于減少能耗、提高細(xì)粉回收率。通過優(yōu)化氣流分布和分離器幾何結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)的初步分選效率已達(dá)到85%，為后續(xù)靜電分選奠定了良好基礎(chǔ)。

1.2 靜電分選技術(shù)原理及應(yīng)用

靜電分選技術(shù)在電廠爐渣粉煤灰分選系統(tǒng)中主要用于分離未燃盡碳粒與礦物質(zhì)，采用滾筒式靜電分選器實現(xiàn)。該設(shè)備包括給料裝置、高壓靜電發(fā)生器和接收裝置。實際應(yīng)用中，操作電壓設(shè)定在30～50 kV，滾筒轉(zhuǎn)速控制在100～150 r/min。為提高分選效果，采用了多電極配置和電場強(qiáng)度梯度設(shè)計，當(dāng)電場強(qiáng)度達(dá)到3 kV/cm時，分選效果最佳。為應(yīng)對粉煤灰成分和濕度的變化，本研究引入了自適應(yīng)控制系統(tǒng)，根據(jù)在線監(jiān)測數(shù)據(jù)實時調(diào)節(jié)電壓和滾筒轉(zhuǎn)速［2］。此外，通過優(yōu)化電極形狀和排列，減少了電暈放電，提高了分選穩(wěn)定性。為解決細(xì)粉再懸浮問題，在分選區(qū)域設(shè)置了局部負(fù)壓系統(tǒng)。這些措施使靜電分選純度提高到90%以上，顯著提升了粉煤灰的品質(zhì)和利用價值。

1.3 氣流分選與靜電分選的協(xié)同優(yōu)化

為進(jìn)一步提高分選系統(tǒng)的整體性能，采用氣流分選與靜電分選的協(xié)同優(yōu)化策略。首先通過氣流分選去除大顆粒爐渣和部分粉煤灰，其次利用靜電分選器對剩余物料進(jìn)行精細(xì)分離。研究開發(fā)了一套自適應(yīng)控制系統(tǒng)，根據(jù)進(jìn)料特性實時調(diào)節(jié)氣流速度和靜電場強(qiáng)度。通過優(yōu)化兩種技術(shù)的銜接參數(shù)，例如，氣流分選出口粒度分布與靜電分選進(jìn)料要求的匹配，系統(tǒng)整體分選效率提升至95%。此外，通過引入在線監(jiān)測設(shè)備，實現(xiàn)了分選過程的實時調(diào)整，大大提高了系統(tǒng)的適應(yīng)性和穩(wěn)定性。協(xié)同優(yōu)化后的系統(tǒng)性能得到了顯著提升（見表1），整體分選效率和產(chǎn)品純度有了明顯改善。這充分說明了氣流分選與靜電分選協(xié)同優(yōu)化的成效，可為電廠爐渣粉煤灰的高效分選和資源化利用提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持。

2 試驗方法與結(jié)果分析

2.1 試驗裝置和流程

本研究采用集成氣流分選和靜電分選的試驗裝置。氣流分選單元包括旋風(fēng)分離器和氣流床分選器，靜電分選單元采用滾筒式靜電分選器。試驗流程如下：首先，將爐渣粉煤灰混合樣品（粒度0～5 mm）送入旋風(fēng)分離器進(jìn)行初步分離，分離出大于2 mm的顆粒。其次，剩余物料進(jìn)入氣流床分選器，通過調(diào)節(jié)氣流速度（3～5 m/s）和振動頻率（15～20 Hz）進(jìn)行進(jìn)一步分離。最后，細(xì)顆粒物料進(jìn)入靜電分選器，在30～50 kV電壓下進(jìn)行精細(xì)分選。整個過程由PLC控制系統(tǒng)實時監(jiān)控和調(diào)節(jié)。試驗中采用了不同的工藝參數(shù)組合，以優(yōu)化分選效果。為評估系統(tǒng)性能，設(shè)置了多個采樣點，包括原料入口、各分選單元出口和最終產(chǎn)品出口。試驗過程中，每隔30 min進(jìn)行一次取樣，每次試驗持續(xù)4 h，以確保數(shù)據(jù)的可靠性和代表性［3］。經(jīng)過連續(xù)72 h的長周期運(yùn)行測試，以評估系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

2.2 分選效率和純度評估

樣品經(jīng)烘干、篩分后進(jìn)行成分分析。分選效率通過入料和產(chǎn)品中目標(biāo)組分的質(zhì)量比計算，純度則通過產(chǎn)品中目標(biāo)組分的質(zhì)量百分比確定。試驗結(jié)果顯示，優(yōu)化后的系統(tǒng)在不同工況下均表現(xiàn)出色。在最佳工藝參數(shù)下，爐渣的分選效率達(dá)到97%，純度為98%；粉煤灰的分選效率為96%，純度達(dá)到99%。為評估系統(tǒng)的適應(yīng)性，進(jìn)行了不同原料特性（如灰分、水分、粒度分布）下的分選試驗。結(jié)果表明，系統(tǒng)對原料特性的變化具有良好的適應(yīng)能力，在較寬的參數(shù)范圍內(nèi)都能保持穩(wěn)定的分選效果。此外，通過在線監(jiān)測和自動控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了對分選過程的實時調(diào)整，進(jìn)一步提高了分選的穩(wěn)定性和效率。長期運(yùn)行測試結(jié)果顯示，系統(tǒng)在連續(xù)72 h的操作中，性能無明顯下降，體現(xiàn)出優(yōu)秀的工業(yè)應(yīng)用潛力。不同工況下的分選性能見表2。

2.3 優(yōu)化系統(tǒng)與傳統(tǒng)方法的對比

為評估優(yōu)化系統(tǒng)的性能，將其與傳統(tǒng)的機(jī)械篩分法和水力分選法進(jìn)行了對比。試驗采用相同的原料，在相同的處理量下進(jìn)行。結(jié)果顯示，優(yōu)化系統(tǒng)在分選效率、產(chǎn)品純度和資源利用率等方面均優(yōu)于傳統(tǒng)方法。特別是在細(xì)粒級物料的分選上，優(yōu)化系統(tǒng)表現(xiàn)出顯著優(yōu)勢。優(yōu)化系統(tǒng)的能耗降低了20%，水資源消耗減少了80%。值得注意的是，優(yōu)化系統(tǒng)在處理高灰分、高水分的復(fù)雜原料時，仍能保持穩(wěn)定的分選效果，體現(xiàn)出較強(qiáng)的適應(yīng)性。經(jīng)濟(jì)性分析顯示，盡管優(yōu)化系統(tǒng)的初始投資較高，但由于其高效率和低運(yùn)營成本，投資回收期僅為2年。環(huán)境影響評估結(jié)果表明，優(yōu)化系統(tǒng)顯著減少了粉塵排放和廢水產(chǎn)生，符合日益嚴(yán)格的環(huán)保要求。優(yōu)化系統(tǒng)具有占地面積小、自動化程度高等優(yōu)點，更適合現(xiàn)代化電廠的需求。優(yōu)化系統(tǒng)與傳統(tǒng)方法性能對比見表3。

3 優(yōu)化分選系統(tǒng)的工程應(yīng)用

3.1 系統(tǒng)集成與工藝流程

優(yōu)化分選系統(tǒng)的工程應(yīng)用涉及復(fù)雜的系統(tǒng)集成和工藝流程設(shè)計。該系統(tǒng)主要由原料預(yù)處理、氣流分選、靜電分選和產(chǎn)品收集等4個單元組成。原料預(yù)處理單元包括破碎、篩分和干燥設(shè)備，確保

入料粒度和含水率符合要求。氣流分選單元采用多級旋風(fēng)分離器和氣流床分選器，實現(xiàn)粗細(xì)顆粒的初步分離。靜電分選單元使用高壓靜電發(fā)生器和滾筒式分選器，進(jìn)行精細(xì)分選［4］。產(chǎn)品收集單元包括氣力輸送系統(tǒng)和儲存設(shè)施。整個系統(tǒng)通過中央控制室實現(xiàn)自動化操作，采用PLC和SCADA系統(tǒng)進(jìn)行實時監(jiān)控和調(diào)節(jié)。工藝流程設(shè)計重點考慮了物料平衡和能量平衡，確保各單元之間的銜接效率。實際應(yīng)用中，系統(tǒng)處理能力達(dá)到50 t/h，運(yùn)行穩(wěn)定性超過98%，年運(yùn)行時間可達(dá)7 500 h。

3.2 經(jīng)濟(jì)效益分析

優(yōu)化分選系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益分析基于某300 MW燃煤電廠的實際應(yīng)用數(shù)據(jù)。該電廠年產(chǎn)爐渣和粉煤灰約30萬t，采用優(yōu)化分選系統(tǒng)后，產(chǎn)品利用率從原來的70%提升到95%。高品質(zhì)粉煤灰售價從200元/t提高到350元/t，爐渣綜合利用價值從50元/t提升到150元/t。系統(tǒng)初始投資為2 000萬元，年運(yùn)行成本包括電費、人工和維護(hù)費用約500萬元。經(jīng)計算，年凈收益增加約3 750萬元，投資回收期不到7個月。長期來看，10年累計凈收益可達(dá)3.5億元。此外，通過提高資源利用率，每年可節(jié)省約6萬m2的灰場占地，相當(dāng)于節(jié)約土地成本900萬元。經(jīng)濟(jì)效益分析結(jié)果見表4。該系統(tǒng)不僅為電廠創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟(jì)效益，還通過提高資源利用率降低了環(huán)境治理成本，實現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)境效益的雙贏。

3.3 環(huán)境效益評估

優(yōu)化分選系統(tǒng)的環(huán)境效益主要體現(xiàn)在資源循環(huán)利用、減少環(huán)境污染和降低碳排放等方面。首先，通過提高爐渣和粉煤灰的利用率，每年可減少約9萬t固體廢棄物的堆存，相當(dāng)于節(jié)省3萬m3的灰場面積。其次，系統(tǒng)采用干法分選工藝，與傳統(tǒng)濕法相比，年節(jié)水量達(dá)15萬t，避免了廢水處理問題。最后，在大氣污染控制方面，通過密閉式輸送和除塵系統(tǒng)，粉塵排放濃度控制在10 mg/m3以下，遠(yuǎn)低于國家30 mg/m3的排放標(biāo)準(zhǔn)。由于提高了資源利用效率，間接減少了原材料開采和運(yùn)輸過程中的碳排放，經(jīng)測算，每年可減少約2萬t的CO?排放。

4 爐渣和粉煤灰的資源化利用

4.1 建材領(lǐng)域應(yīng)用

爐渣和粉煤灰在建材領(lǐng)域主要用于生產(chǎn)水泥、混凝土和磚塊等。在水泥生產(chǎn)中，粉煤灰可作為混合材料，部分替代熟料，不僅能降低了生產(chǎn)成本，還能改善水泥性能。研究表明，添加20%～30%的粉煤灰可顯著提高水泥的抗?jié)B性和抗硫酸鹽腐蝕能力。在混凝土制備中，粉煤灰作為摻合料，可改善混凝土的工作性、抗裂性和耐久性［5］。實踐證明，摻入15%～25%的粉煤灰可減少混凝土的水化熱，降低收縮率，提高后期強(qiáng)度。爐渣則主要用于制作輕質(zhì)骨料，生產(chǎn)輕質(zhì)混凝土和保溫材料。此外，將爐渣和粉煤灰混合制作的蒸壓磚，具有重量輕、保溫性好、吸音效果佳等優(yōu)點。

4.2 道路工程應(yīng)用

爐渣和粉煤灰在道路工程中的應(yīng)用主要集中在路基填料、基層材料和瀝青混合料等方面。作為路基填料，爐渣具有自硬性和良好的壓實性能，可有效提高路基強(qiáng)度和穩(wěn)定性。研究表明，采用爐渣作為路基填料，可將路基承載比（CBR值）提高20%～30%。在道路基層施工中，粉煤灰與石灰、水泥等材料混合，可形成高強(qiáng)度、低收縮的穩(wěn)定材料。實踐證明，采用粉煤灰-石灰-碎石混合料作為基層，其7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度可達(dá)3.5～4.5 MPa，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)材料。在瀝青混合料中添加粉煤灰，可改善瀝青的高溫穩(wěn)定性和抗水損害能力。

4.3 土壤改良應(yīng)用

爐渣和粉煤灰在土壤改良中的應(yīng)用主要基于其物理和化學(xué)特性。粉煤灰具有較高的pH值和豐富的微量元素，適合用于酸性土壤的改良。研究表明，在pH值低于5.5的酸性土壤中添加10%～15%的粉煤灰，可將土壤pH值提高0.5～1.0個單位，同時增加了土壤中的鈣、鎂、鉀等有益元素。爐渣則因其多孔結(jié)構(gòu)和良好的保水性，適用于改善砂質(zhì)土壤的物理性質(zhì)。試驗證明，在砂質(zhì)土壤中添加20%～30%的細(xì)爐渣，可將土壤的持水量提高40%～50%，能有效改善土壤結(jié)構(gòu)。

5 結(jié)語

本研究通過優(yōu)化電廠爐渣粉煤灰分選系統(tǒng)，有效提高了分選效率和純度。采用氣流分選與靜電分選相結(jié)合的方法，克服了傳統(tǒng)分選技術(shù)的局限性，為火力發(fā)電廠廢棄物的高效分選提供了新的技術(shù)路徑。優(yōu)化后的分選系統(tǒng)不僅能夠滿足爐渣和粉煤灰資源化利用的需求，還能為電廠帶來顯著的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。未來研究可進(jìn)一步探索分選系統(tǒng)的自動化控制和智能化管理，以及分選產(chǎn)物在更廣泛領(lǐng)域的應(yīng)用可能性，為火力發(fā)電行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展貢獻(xiàn)力量。

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