火力發(fā)電廠灰場(chǎng)閉庫(kù)方案討論

費(fèi)全昌

(電力規(guī)劃設(shè)計(jì)總院，北京 100120)

1 我國(guó)粉煤灰的年產(chǎn)量

我國(guó)一次能源領(lǐng)域具有“缺油、少氣、多煤”的特點(diǎn), 決定了我國(guó)電力供應(yīng)主要以火力發(fā)電為主。截止2011年底，全國(guó)發(fā)電裝機(jī)總?cè)萘繛?05576萬(wàn)kW，其中火電裝機(jī)容量76546萬(wàn)kW，占全國(guó)發(fā)電裝機(jī)總?cè)萘康?2.5%?；鹆Πl(fā)電需消耗大量的煤炭，在煤炭的生產(chǎn)、運(yùn)輸及燃燒過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生粉塵、SO2、NOx和CO2等各種污染物，而煤炭燃燒后的副產(chǎn)物-粉煤灰也會(huì)對(duì)自然環(huán)境產(chǎn)生一定的影響。

根據(jù)第一次全國(guó)污染源普查資料文集，我國(guó)現(xiàn)有電力、熱力的生產(chǎn)和供應(yīng)業(yè)類產(chǎn)生工業(yè)源固體廢棄物的企業(yè)7412個(gè)，年產(chǎn)粉煤灰34033.45萬(wàn)t，其中電力熱力企業(yè)粉煤灰產(chǎn)量約29894.69萬(wàn)t，占粉煤灰產(chǎn)生總量的87.84%。根據(jù)綜合利用率60%考慮，每年約有13613萬(wàn)t粉煤灰需貯存。因此，粉煤灰已經(jīng)成為生產(chǎn)量非常大的工業(yè)固體廢棄物污染源。

2 粉煤灰的成份

煤炭在鍋爐中燃燒后形成兩種固態(tài)殘留物——灰和渣。隨煙氣從鍋爐頂部排出，經(jīng)除塵器收集的固體顆粒為粉煤灰；顆粒較大或呈塊狀的、從爐膛底部收集出來(lái)的固態(tài)殘留物為爐渣[3]。從環(huán)境保護(hù)和灰場(chǎng)貯存的角度講的粉煤灰，一般也包括爐渣，也可稱作為灰渣。由于粉煤灰量較灰渣量大很多，本文以粉煤灰為主，對(duì)其物理化學(xué)特性進(jìn)行分析。

火力發(fā)電廠的粉煤灰一般是灰色或灰白色粉狀物，當(dāng)含水量較大時(shí)呈灰褐色，堆積密度一般在0.5～1.2g/cm3之間，顆粒粒徑在0.001mm～0.1mm之間。圖1是粉煤灰的粒徑分布圖?；鹆Πl(fā)電廠的粉煤灰化學(xué)成份與所燃燒的煤源有直接關(guān)系，其化學(xué)成分與粘土質(zhì)礦物相似。表1是某電廠粉煤灰的化學(xué)組成成份。從表1中可以看出，SiO2、Al2O3及Fe2O3的含量占85%左右。此外粉煤灰中還含有一些有害的微量元素和重金屬元素，如銅、銀、鎵、銦、鐳、鈧、鈮、釔、鑭等。表2是國(guó)內(nèi)外粉煤灰中微量元素。

3 火力發(fā)電廠粉煤灰的貯存方式

火力發(fā)電廠所生產(chǎn)的粉煤灰是很好的建筑材料，如：生產(chǎn)粉煤灰水泥、制作輕型砌塊、用來(lái)筑路和改善建筑物地基強(qiáng)度，還可以用來(lái)改良土壤。但是，由于各種條件限制，粉煤灰的綜合利用存在地區(qū)性差異和季節(jié)性波動(dòng)，每年都有大量的粉煤灰需貯存起來(lái)，貯存粉煤灰的場(chǎng)地稱作灰場(chǎng)。

圖1 粉煤灰的粒徑分布圖

表1 某電廠粉煤灰的組成成份

根據(jù)粉煤灰貯存的期限，灰場(chǎng)可分為臨時(shí)事故灰場(chǎng)或永久灰場(chǎng)。臨時(shí)事故灰場(chǎng)一般是指當(dāng)粉煤灰存在時(shí)段性或季節(jié)性不能綜合利用的情況時(shí)，用來(lái)暫時(shí)貯存火力發(fā)電廠產(chǎn)生的粉煤灰的場(chǎng)地，臨時(shí)事故灰場(chǎng)的庫(kù)容應(yīng)能貯存約1年的粉煤灰量(含灰渣及脫硫石膏等)。永久灰場(chǎng)一般是指在粉煤灰綜合利用條件不好的區(qū)域，火力發(fā)電廠產(chǎn)生的粉煤灰作為廢棄物永久堆放的場(chǎng)地?；鹆Πl(fā)電廠永久性灰場(chǎng)的總庫(kù)容一般應(yīng)可貯存20年左右的粉煤灰量(含灰渣及脫硫石膏等)。

根據(jù)灰場(chǎng)所處地理位置的不同，灰場(chǎng)又可以分為平原灰場(chǎng)、灘涂灰場(chǎng)和山谷灰場(chǎng)。根據(jù)輸灰和布灰方式不同，灰場(chǎng)又可以分為干灰場(chǎng)和水灰場(chǎng)。

表2 國(guó)內(nèi)外粉煤灰中微量元素含量(mg/kg)

4 灰場(chǎng)滿庫(kù)后的問題

隨著環(huán)保意識(shí)不斷提高，火力發(fā)電廠灰場(chǎng)的設(shè)計(jì)理念也發(fā)生了很大變化。上世紀(jì)80年代前，我國(guó)火力發(fā)電廠多采用水灰場(chǎng)，此后，逐漸開始采用干灰場(chǎng)，目前新建的火力發(fā)電廠基本上全部采用干灰場(chǎng)方案。對(duì)灰場(chǎng)防滲方面的要求，也是隨著《一般工業(yè)固體廢物貯存、處置場(chǎng)污染控制標(biāo)準(zhǔn)》(GB18599-2001)的發(fā)布才強(qiáng)制執(zhí)行的。因此，我國(guó)現(xiàn)有的灰場(chǎng)大體可以分為以下三種類型：①水灰場(chǎng)，無(wú)防滲措施；②干灰場(chǎng)，無(wú)防滲措施；③干灰場(chǎng)，有防滲措施。截止目前，全國(guó)范圍內(nèi)已有一些灰場(chǎng)陸續(xù)達(dá)到設(shè)計(jì)貯灰年限而退役，隨著時(shí)間推移，退役的灰場(chǎng)會(huì)逐步增多，因此，灰場(chǎng)的閉庫(kù)工程設(shè)計(jì)方面的需求也會(huì)越來(lái)越多。據(jù)了解，目前國(guó)內(nèi)還沒有完善的灰場(chǎng)閉庫(kù)設(shè)計(jì)思路和方案。

4.1 灰場(chǎng)滿庫(kù)后的安全問題

灰場(chǎng)滿庫(kù)以后的安全問題主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：①管理安全。由于灰場(chǎng)滿庫(kù)以后，逐步退出運(yùn)行，管理人員相應(yīng)減少，而由外部人畜進(jìn)入灰場(chǎng)而引發(fā)事故的可能性增大，故應(yīng)采取相應(yīng)的措施，在可能發(fā)生危險(xiǎn)的地方設(shè)置隔離措施，并設(shè)立警示標(biāo)志。②灰場(chǎng)壩體的安全。當(dāng)灰場(chǎng)達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高時(shí)，此時(shí)灰壩的安全系數(shù)最低，特別是采用灰渣分級(jí)加高筑壩的灰場(chǎng)，壩體碾壓往往不達(dá)標(biāo)，因此，應(yīng)對(duì)壩體整體穩(wěn)定性進(jìn)行復(fù)核，必要時(shí)應(yīng)進(jìn)行加固以確?；覉?chǎng)安全。壩體護(hù)面和坡腳排水應(yīng)加強(qiáng)維護(hù)，避免長(zhǎng)期沖刷造成局部坍塌。③排水系統(tǒng)的安全性。一般山谷灰場(chǎng)均設(shè)有排水系統(tǒng)，用來(lái)將溝谷上游和灰場(chǎng)內(nèi)雨灰水排至下游。排水系統(tǒng)一般采用豎井或斜槽+臥管系統(tǒng)?；覉?chǎng)退役后，在未來(lái)很長(zhǎng)時(shí)間段內(nèi)將長(zhǎng)期存在，排水系統(tǒng)存在破壞失效的可能性，可能會(huì)對(duì)壩體安全形成嚴(yán)重威脅。因此，灰場(chǎng)閉庫(kù)前應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的安全評(píng)估。

4.2 灰場(chǎng)滿庫(kù)后的環(huán)保問題

灰場(chǎng)滿庫(kù)后，灰體作為污染源將長(zhǎng)期存在，灰場(chǎng)滿庫(kù)后的粉煤灰污染主要表現(xiàn)在以下方面：①空氣污染。灰場(chǎng)滿庫(kù)后如不及時(shí)進(jìn)行覆蓋，裸露的灰面在有風(fēng)的情況下很容易引起粉煤灰擴(kuò)散，形成二次揚(yáng)塵空氣污染。當(dāng)風(fēng)力達(dá)到四級(jí)時(shí)，粉煤灰的沉降范圍可達(dá)10 萬(wàn)～ 15萬(wàn)平方公里。②地下水污染?；覉?chǎng)滿庫(kù)后，灰體作為污染源將長(zhǎng)期存在，所以對(duì)灰場(chǎng)附近的地下水的污染可能性將長(zhǎng)期存在。以元寶山電廠灰場(chǎng)為例，經(jīng)化驗(yàn)檢測(cè)，灰場(chǎng)周圍的地下水水質(zhì)明顯變差，部分檢測(cè)項(xiàng)目超過(guò)《生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)》： 硼超標(biāo)270%，鉬超標(biāo)103%，硝酸鹽超標(biāo)74%，氟化物超標(biāo)180%。

我國(guó)火力發(fā)電廠早期多采用水力灰場(chǎng)，且沒有設(shè)置防滲措施。粉煤灰通過(guò)輸灰管道輸送至水灰場(chǎng)后，隨灰水輸送沉淀，依靠自重固結(jié)，沒有碾壓壓實(shí)過(guò)程。因此，水灰場(chǎng)中粉煤灰含水量高、壓實(shí)系數(shù)小、滲透性大。運(yùn)行期間，水灰場(chǎng)內(nèi)長(zhǎng)期存在大量的自由水體，且灰場(chǎng)本身沒有進(jìn)行防滲設(shè)計(jì)，故重金屬微粒容易析出并隨灰水下滲進(jìn)入臨近的地下水水系，造成污染。隨著灰場(chǎng)滿庫(kù)后，將不再有灰水排入灰場(chǎng)，灰場(chǎng)頂面自由水體減少或消失，灰水的水頭壓力減少，污染物的傳輸動(dòng)能將逐漸減弱。但雨水的下滲還會(huì)引起間歇性水頭增加，污染物排放量相應(yīng)增大。

干灰場(chǎng)在正常運(yùn)行期間，長(zhǎng)期存在裸露的干灰面，且有運(yùn)輸、壓實(shí)機(jī)械的工作，故粉煤灰的飛灰污染相對(duì)比較嚴(yán)重。但干灰場(chǎng)正常運(yùn)行期間沒有自由水面，不形成水頭壓力，故重金屬微粒隨灰水的下滲對(duì)地下水的污染相對(duì)較小。在降雨期間，因雨水匯集下滲的情況也是存在的，尤其在南方降雨量大、降雨歷時(shí)長(zhǎng)的地區(qū)，由此也可能引起的對(duì)地下水的污染。當(dāng)干灰場(chǎng)設(shè)置了防滲措施后，可以大幅度建設(shè)灰水下滲而引起的污染。

5 基本的封閉方案

根據(jù)以上分析可以得出，灰場(chǎng)滿庫(kù)后的安全問題主要集中在壩體安全和排水系統(tǒng)安全兩個(gè)方面。因此，灰場(chǎng)的閉庫(kù)工程設(shè)計(jì)中，應(yīng)從壩體安全和排水系統(tǒng)安全兩個(gè)方面考慮。針對(duì)壩體安全，應(yīng)根據(jù)灰場(chǎng)最終堆灰容量和高度確定灰壩安全等級(jí)，并根據(jù)實(shí)際壩體材料的物理力學(xué)性能，對(duì)各種可能的荷載組合下的壩體抗滑穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算分析。當(dāng)壩體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)小于規(guī)定值時(shí)，應(yīng)考慮采取壩體加固措施。對(duì)松散灰體構(gòu)成的壩體可考慮采用強(qiáng)夯或深層攪拌方式進(jìn)行加固處理。針對(duì)排水系統(tǒng)安全，閉庫(kù)時(shí)應(yīng)對(duì)排水系統(tǒng)進(jìn)行全面的清查，修補(bǔ)破損設(shè)施。設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)水文氣象參數(shù)、最終灰壩等級(jí)和現(xiàn)有排水系統(tǒng)的排水能力，進(jìn)行調(diào)洪演算分析，確保滿庫(kù)后的灰場(chǎng)有足夠的調(diào)蓄庫(kù)容和壩體安全超高。當(dāng)排水系統(tǒng)不滿足要求或存在破壞的可能性時(shí)，應(yīng)考慮加設(shè)表面式排水措施，如側(cè)向溢洪道等。

根據(jù)以上分析可以得出，不論是水灰場(chǎng)還是干灰場(chǎng)，滿庫(kù)后的主要環(huán)境問題均表現(xiàn)為空氣污染和地下水污染。因此，灰場(chǎng)的閉庫(kù)工程設(shè)計(jì)中，應(yīng)從防止空氣污染和地下水污染兩個(gè)方面采取相應(yīng)的措施。針對(duì)無(wú)防滲措施的水灰場(chǎng)和干灰場(chǎng)，應(yīng)在灰體表面采用帶防滲措施的覆蓋層,如圖3(1)和(2)所示意的覆蓋層型式；針對(duì)已設(shè)置了防滲層的干灰場(chǎng)，可采用無(wú)防滲覆蓋層，如圖3(3)所示意的覆蓋層型式。 灰面覆蓋層應(yīng)設(shè)置一定的坡度和相應(yīng)的排水系統(tǒng)，避免表面積水?；颐娓采w層應(yīng)并進(jìn)行必要的表面綠化，綠化應(yīng)采用根系較淺的草本植物，以避免植物根系隊(duì)防滲層造成破壞。

6 封閉后的檢測(cè)檢查

灰場(chǎng)閉庫(kù)后，應(yīng)對(duì)地下水水質(zhì)進(jìn)行定期檢測(cè)。一般可利用灰場(chǎng)已設(shè)置的觀測(cè)井，當(dāng)灰場(chǎng)沒有設(shè)置觀測(cè)井時(shí)，應(yīng)補(bǔ)設(shè)。觀測(cè)井分別布置在灰場(chǎng)區(qū)域地下水上下游，且井?dāng)?shù)不少于3口。

閉庫(kù)后的灰場(chǎng)應(yīng)有專人監(jiān)管，每年汛期前應(yīng)進(jìn)行防排洪設(shè)施檢查，發(fā)現(xiàn)隱患應(yīng)及時(shí)消除。

圖3 不同的覆蓋層

7 結(jié)論

火力發(fā)電廠生產(chǎn)的粉煤灰產(chǎn)量大，顆粒細(xì)，并含有多種重金屬微量元素。當(dāng)不能完全綜合利用時(shí)，多余的粉煤灰需在灰場(chǎng)貯存。本文通過(guò)分析得出，貯存于灰場(chǎng)的粉煤灰對(duì)環(huán)境的污染主要通過(guò)空氣污染和地下水污染兩個(gè)途徑。從環(huán)保角度，我國(guó)現(xiàn)有灰場(chǎng)大體上可分為水灰場(chǎng)無(wú)防滲、干灰場(chǎng)無(wú)防滲和干灰場(chǎng)有防滲等三種類型，針對(duì)不同類型的灰場(chǎng)本文提出了不同的覆蓋層設(shè)計(jì)方案，在實(shí)施閉庫(kù)工程前應(yīng)對(duì)灰場(chǎng)的灰壩和排水系統(tǒng)等進(jìn)行安全評(píng)估，閉庫(kù)后的灰場(chǎng)還應(yīng)設(shè)置必要的檢測(cè)設(shè)施，并加強(qiáng)灰場(chǎng)閉庫(kù)后的管理、維護(hù)和定期檢測(cè)。

[1]中國(guó)電力企業(yè)聯(lián)合會(huì).2012年全國(guó)電力工業(yè)統(tǒng)計(jì)快報(bào)[J].北京：中國(guó)電力企業(yè)管理，2012，(2).

[2]第一次全國(guó)污染源普查資料文集[C].北京：中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，2011.

[3]楊紅彩，鄭水林.粉煤灰的性質(zhì)及綜合利用現(xiàn)狀及展望[J].中國(guó)非金屬礦工業(yè)導(dǎo)刊，2003，34(4).

[4]武洋，等.粉煤灰、脫硫石膏綜合利用專題報(bào)告[R].石家莊：河北省電力設(shè)計(jì)院，2008.

[5]王福元，吳正嚴(yán).粉煤灰利用手冊(cè)[M].北京：中國(guó)電力出版社，1997.

[6]GB 506600－2011，大中型火力發(fā)電廠設(shè)計(jì)規(guī)范[S].