内蒙古西水创业股份有限公司侯斌

引言

内蒙古西水创业股份有限公司一直跻身于全国最佳经济效益之列。年产高等级水泥200万吨，但同时废渣排放量及炉渣43000吨。随着我国经济改革开放的深入发展，国家把资源利用作为经济技术政策，确定了把粉煤灰作为全国资源综合利用突破口，把提高粉煤灰综合利用技术作为重点。如何充分利用资源，已成为公司亟待解决的首要任务，2002年公司组织有关部门科技人员，在一定时期内从事粉煤灰综合利用技术考察、调研，拟定实施方案。提高资源利用技术水平，拓宽废渣利用范围，保护生态环境，带动相关行业的经济发展。以“消化”自备电厂废渣为主，扩大周边粉煤灰用量，实现年利用量达20万吨，经济效益3000万元/年，节约粉煤灰处理费303万元的目标。　

一、项目概况和背景

综合利用粉煤灰，变废为宝，即是利在当代，功在千秋的大事，又是兴利除弊，具有经济、环境和社会综合效益的好事。1983年以来，国家把资源综合利用作为经济建设中的一项重大的技术经济政策，把粉煤灰作为资源综合利用的突破口，并制定了一些具体政策和措施，使粉煤灰利用工作得到了蓬勃发展。但随着社会进步及国民经济和电力工业的发展，粉煤灰排放量日益增多，因此做好粉煤灰综合利用工作，是当前和今后一个时期非常重要艰巨而紧迫的任务。

粉煤灰主要来源于火力发电的电力工业。内蒙古自治区是煤碳资源富集地，在近期电力工业的发展中，仍然是以燃煤的火力发电为主。由于燃煤机组的不断增加，电厂规模不断扩大，导致了粉煤灰排放量急剧增长。按目前的煤种，以全国平均计，2000年粉煤灰排放量已达到2.2亿吨，内蒙古自治区有四大电厂和20多个中小型电厂，年排放废渣(粉煤灰、炉渣)约300万吨，如此大量废渣的排放，需用大量的水资源和大面积贮灰场，每处理一吨粉煤灰冲灰用水量约0.6吨，占地约0.5平方米土地，对我们这个水资源缺乏，可耕地人均占有率很低的国家来说，做好粉煤灰的利用和处理已是当务之急。《国务院关于做好建设节约型社会近期重点工作的通知》中要求：推进以粉煤灰、煤矸石、尾矿和工业废渣及有机废水综合利用为重点的废物利用。建设节约型社会赋于了水泥工业可持续发展的机遇，发展循环经济，建设节约型社会是国家大政方针，在这样的大背景下，开发利用粉煤灰就成了大势所趋，粉煤灰建材市场也将日趋广阔，随着水泥工艺技术的不断进步，粉煤灰利用量也将随之增大，创造的价值会越来越大，届时粉煤灰会变废为宝，成为难得的水泥工业持续发展的重要资源。

1、国内粉煤灰利用技术状况

我国粉煤灰综合利用工作，一直受到国家的高度重视。早在50年代已开始在建筑工程中用作混凝土、砂浆的掺合料，在建材工业中用来生产砖，在道路工程中作路面基层材料等，尤其在水电建设大坝工程中使用最多；但总利用量较少；60年代开始粉煤灰利用重点转向墙体材料，研制生产粉煤灰密实砌块、墙板、粉煤灰烧结陶粒和粉煤灰粘土烧结砖等；70年代国家为建材工业中利用粉煤灰投资5.7亿元，总设计用灰量为1065万吨，设计生产线261条。但由于种种原因，到1982年仅利用粉煤灰445.6万吨，全国粉煤灰利用率仅14%。实际投资不少，而粉煤灰利用率增长缓慢。针对这些问题，国家主管部门经研究后指出：电厂灰渣综合利用，应当积极提倡，要因地制宜，广开门路，采用多种途经，讲究经济实效。随着我国经济改革开放政策的深入发展，国家把资源综合利用作为经济建设中的一项重大经济技术政策。1985年9月，国务院批转的国家经贸委《关于开展资源综合利用若干问题的暂行规定》中，对资源综合利用(包括粉煤灰在内)提出了一系列鼓励措施和优惠政策。确定了把粉煤灰作为全国资源综合利用突破口，在粉煤灰的处理和利用指导思想上不断深化，从“以储为主”改为“储用结合，积极利用”，再进一步明确为“以用为主”，使粉煤灰综合利用得到蓬勃发展，摆脱了综合利用率在20%徘徊的局面，“九五”期间粉煤灰利用率达到41.7%。受国家的长期重视和坚持不懈地组织推动，全国粉煤灰综合利用技术不断提高和创新，各种项目不下百种，综合分析大体分为三类技术：推广应用技术、需完善的技术和重点开发研究的课题。主要涉及的领域有：建材及制品、建设工程、农业及物质提取等。目前江南一代粉煤灰利用多以生产空心砌块和粉煤灰水泥为主；河北、东北也分别建设粉煤灰空心砌块生产线，亦有少量用于农业改良土壤或生产农肥。为巩固技术成果，提高粉煤灰用量，国家计委办公厅印发了《中国粉煤灰综合利用技术政策及其实施要点》，指出：“粉煤灰综合利用技术政策总的原则是：认真贯彻‘突出重点，因地制宜’和‘巩固、完善、推广、提高’的方针，把大批量用灰技术作为重点，把提高粉煤灰综合利用经济效益、社会效益有机的结合作为主攻方向；巩固已有的技术成果，逐步完善比较成熟的利用技术，大力推扩成熟的粉煤灰综合利用技术，积极采用国际先进技术和装备，不断提高我国的粉煤灰利用技术水平，赶上和超过国际先进水平”。此项工程投入使用运行稳定可靠，计量准确，尤其是粉煤灰直接与出磨生料混合，减少了生料磨机的负荷，降低了电耗，被证明是水泥企业原料用粉煤灰较好的工艺途径。

粉煤灰的技术要求：粉煤灰是热电厂的排放场，其堆放不仅占用大量土地，而且污染环境，但若用于建材，会取得较好经济效益。由于燃烧和回收工艺的不同，粉煤灰的品质也有很大差别。

在水泥混凝土路面工程中要求使用干粉煤灰，要求达到Ⅱ级以上粉煤灰的技术要求，并先采用磨细粉煤灰。可用于混凝土路面的粉煤灰技术要求及我省几大电厂所产粉煤灰的技术试验数据如表1。

表1混凝土路面用粉煤灰的技术要求及试验结果

粉煤灰需水量比/%含水量/%Loss/%SO3/%细度1/%(45um筛)

石门电厂产940.186.140.492.1

株洲电厂产1000.114.510.4419.9

湘潭电厂产1000.104.880.1113.1

要求指标≤105≤1≤8≤3≤20

Ⅲ级灰各项技术指标不能满足路面混凝土的要求，只能用于基层。

2.粉煤灰的掺量

国内外的理论研究表明，硅酸盐水泥中可释放出的Ca(OH)2及其石膏最多只能使28%的粉煤灰得到水化反应，从而提高强度。在长常高速公路益常段路面施工中，强制规定每1m3水泥混凝土至少使用360kg水泥。当1m3水泥凝土使用360kg525#普通硅酸盐水泥、水灰比0.41、砂率37%时，初步确定掺入粉煤灰20kg、25kg、30kg、35kg、40kg、45kg、50kg、55kg进行试配，得出结果是掺入45kg粉煤灰的混凝土综合性能最佳。此时粉煤灰掺量为水泥用量的12.5%。推荐使用粉煤灰掺量为水泥用量的8%-20%。

3.粉煤灰水泥砼的配合比设计

粉煤灰水泥混凝土的配合比设计根据《粉煤灰混凝土应用技术规范》GBJ146-90规定的超量取代法进行，超量系数取1.5，由此增加的粉煤灰体积减去同体积的砂。　　

2、项目产品的主要用途、性能

2.1粉煤灰作为原料煅烧水泥熟料

利用粉煤灰的化学组成，加入适当校正材料，生产出与水泥生料相当性质的原料，年利用粉煤灰6万吨。利用风积沙4万吨，具有双重环保性，一则可保护环境卫生，二则减少沙尘，对美化生态环境和居民生活环境，都具有重要的现实意义.而且可以节约大量的粘土矿产资源.日产2500吨新型干法窑生产线利用粉煤灰配料煅烧熟料，年可节约粘土资源10万吨，每吨粘土开采费用按12元计，年节约资金120万元.自备电厂粉煤灰完全利用后，尚有0.7万吨处理余量，可为周边电厂减轻排污负担。

高速公路水泥混凝土路面滑模摊铺施工对水泥混凝土的路用性能有特殊的要求，混合料既要具有良好的工作性能，又要提高抗折强度。掺入粉煤灰，是提高水泥混凝土性能的有效技术手段。

2.1.1粉煤灰对水泥砼性能的改善

粉煤灰的掺入，使胶凝材料的总量增加，砼工作性能大幅度改善，更适合路面滑模摊铺：①粉煤灰水泥混凝土的振动粘度系数减小，有利于振捣密实；②静态坍落度变小，有利于防止塌边；③胶凝材料的总量增加使摊铺成型的路面光滑平整；④和易性的改善，减小了摊铺机前进的阻力，减轻了摊铺机的工作负荷。

这些性能的改善是由于粉煤灰有较大的比表面积和球状微珠对流变学性能的影响所致。在对未掺入粉煤灰的水泥混凝土摊铺时，为了振动密实，必须提高混凝土的坍落度，这样的混凝土容易塌边。如果为了防止塌边，必须降低混凝土坍落度，这样又必须加大振捣棒的振动频率，同时机器前进的阻力增大，加大了机器的工作负荷。加粉煤灰后，这一矛盾得到了协调统一。

2.1.2.提高抗折强度

水泥混凝土使用粉煤灰，能提高抗折强度，尤其是使后期强度大幅度提高。高速公路使用水泥用量12.5%的Ⅱ级粉煤灰，12个月的抗折强度超过了7.5MPa。试验结果见表2。

表2粉煤灰混凝土抗折强度随龄期的增长

Ⅱ级粉煤灰掺量(kg)抗折强度(Mpa)

7d28d90d360d后

05.966.326.406.55

355.606.656.907.35

455.516.927.307.65

555.406.957.457.98

注：在此试验中，坍落度3～5cm，碎石粒径5～30mm，砂细度模数2.8，砂率37.5%，每1m3混凝土525#水泥用量360kg，掺入高效减水剂和引气剂。

从表2知，粉煤灰混凝土的28d、90d、360d后的抗折强度比普通混凝土分别提高了5%-10%、8%-16%和12%-22%。粉煤灰的掺量越大，龄期越长，强度提高越大。

2.1.3.改善抗磨性

水泥混凝土路面的抗磨性与强度成线性正比关系。随着路面抗折强度的提高，抗磨性也随之提高。通过对28d龄期的试件进行抗磨性试验，粉煤灰掺量为水泥用量12.5%粉煤灰混凝土比普通水泥砼的抗磨性提高23%(表3)。

表3粉煤灰混凝土抗磨性对比试验

Ⅱ级粉煤灰掺量/kg磨耗量/(kg·m-2)试验方法试验值技术要求

1.200≤3.6T0527-94450.923

2.1.4.降低泌水率

由于机械配套的限制，国内滑模摊铺路面多采用自卸车运输混合料，在运输过程中较严重的泌水将会导致混合料工作性能降低，并产生卸料困难，降低工作效率，提高劳动强度。掺入粉煤灰可降低混凝土的泌水率，有利于混凝土的运输。长常高速公路益常段施工中砼运距最远达25km，没有因为运输过程中的混合料泌水影响施工。长常公路三个路面施工承包人均反应益常段路面砼比没有掺入粉煤灰的长益段容易卸料。

2.1.5.降低水泥水化速度

掺入粉煤灰可降低水泥水化速度，混合料凝结时间延长，有利于高温季节施工，并有利于远距离运输。

2.2粉煤灰作为混合材

作为混合材用于水泥生产。当用户需求粉煤灰水泥可按我国水泥标准GB1344-1999规定，为其生产粉煤灰硅酸盐水泥，粉煤灰掺量按质量百分比掺入30%，在产品没有市场的情况下，可作为混合材用于水泥生产，其掺量在5%以上。主要目的是节约资源、保护环境，提高企业经济效益，年利用粉煤灰约30000吨(不计粉煤灰水泥生产掺量)。用粉煤灰、矿渣做混合材，不但能降低混凝土水化热。若以超细粉加入，还能大大提高水泥强度，降低熟料配比。

2.3作为掺合料生产混凝土

西水创业股份有限公司2003年7月在包头建设100万吨水泥粉磨站，预计2004年5月投入生产，同时拟建75万立方米混凝土搅拌站。根据粉煤灰物化指标和性能，可作为掺合材料加入混凝土，以提高混凝土的28d抗拉、抗弯强度和抗渗性、耐磨性、抗冲击性等。国内外经验数据，粉煤灰掺量在30%以上，按混凝土立米重折算，75万立方米混凝土可利用粉煤灰60000吨(最低掺量)；粉磨站利用粉煤灰60000吨。　　

2.3.1粉煤灰在混凝土中的适用环境和作用

1、水胶比：当采用适合的材料与良好的*作，以水泥用量为300-350kg/m3,水灰比0.45-0.55范围，可以制备出28天抗压强度为35-40MP(即目前最常用的C30级)，在大多数环境条件下呈现足够低的渗透性和良好耐久性的混凝土。如果胶凝材料再少、W/C再大，则会出现孔隙率大、抗渗性不良等问题。

2、温度：掺有大量粉煤灰的混凝土，不仅温度收缩因温升降低可以明显减小，而且由于粉煤灰的初期水化缓慢，可以使低水胶比混凝土开始硬化时的实际水灰比增大，使水泥以及膨胀剂具有良好的水化环境。同时，与纯水泥混凝土一样，掺粉煤灰的混凝土由于水泥的水化随本体温度的升高而加快，因此强度发展也要加快，大掺量粉煤灰混凝土的强度发展在低水胶比的条件下，很快通过最初的缓慢凝结与硬化期，强度的发展迅速加快。试验表明：与实际结构物浇筑的硅酸盐水泥混凝土相比，掺30%粉煤灰后，不仅温升可以降低近10度，使温度收缩和开裂的危险减小，同时由于温升的作用，其抗压强度在3天前早已超过了硅酸盐水泥混凝土。

3、湿度：与普通水泥混凝土不同，掺粉煤灰混凝土，尤其是大掺量粉煤灰混凝土的水灰比足够大，即混凝土体内有充足的水分供水泥与粉煤灰水化，所以对这种混凝土的养护，需要有别于普通混凝土：不要湿养护，尤其不要早期浇水或浸水，否则会使表层混凝土的水灰比增大，对强度和抗渗透、耐磨耗等性能带来十分不利的影响。大掺量粉煤灰混凝土需要在浇捣后及时覆盖，避免其因水化较缓慢，向外界蒸发水分的时间较长、蒸发量也大，造成表面疏松、强度和抗渗透性下降。

4、稠度：粉煤灰混凝土，尤其是大掺量粉煤灰混凝土的外观十分粘稠，使其在运输和浇筑过程不易离析，对改善均匀性有明显好处。由于粉煤灰的滚珠效应，掺粉煤灰混凝土有较大的有效振捣半径，易于振捣密实。

通过以上分析得出：较低的水胶比、较高的温度，以及及时地覆盖而不是湿养护，是粉煤灰在混凝土中的适用环境。要获得这样的环境，必须采用大掺量粉煤灰混凝土。大掺量粉煤灰混凝土的抗裂性能优异无可怀疑，但现行规范的掺量限制不利于发挥粉煤灰的作用。

2.4项目产品的主要用途、性能

以粉煤灰作为原料、混合材和掺合料生产的熟料、水泥、混凝土等产品，可等同相应基准产品使用。熟料用于生产国标中各等级硅酸盐水泥；水泥用于各类建筑工程；非常适用于大体积混凝土、水工混凝土、海港工程等，按规定应用。粉煤灰混凝土可用于大体积浇筑工程、抗渗结构工程、地下和水下等工程。此项工程投入使用运行稳定可靠，计量准确，尤其是粉煤灰直接与出磨生料混合，减少了生料磨机的负荷，降低了电耗，被证明是水泥企业原料用粉煤灰较好的工艺途径

水泥产品具有水化热低、抗硫酸盐和软水侵蚀、抗冻等性能。

粉煤灰混凝土具有抗渗透、抗海水、抗硫酸盐侵蚀等性能。

3、企业从事该产品生产的条件、产业基础

西水创业股份有限公司是一个具有三十多年历史的水泥生产企业，对水泥生产有着丰富的经验和先进技术水平，现有生产线不但可全部消化自备电厂排放的灰渣(3.4万吨)，而且还有近4万吨的利用余量。乌海市火电厂年排灰量60多万吨，严重影响着环境建设，急需采用多种利用方法和技术加以解决，故该项目的建设其原料来源充足，具备生产条件。混凝土搅拌站建成后，年利用灰量在20万吨以上。可大大缓解乌海地区环境污染。

4、工艺的合理性和成熟性

公司有三条Φ4Χ50.54M立波尔窑水泥生产线、一条Φ4Χ60M新型干法窑水泥熟料生产线和在建的包头100万吨粉磨站及拟建75万M3水混凝土搅拌站，符合“粉煤灰综合利用工程”的工艺设计要求。公司有成熟的水泥生产工艺和为粉磨技术工艺，并有严格的质量管理体系，现已完成粉煤灰入磨工艺线和入窑前期试验工作，商品混凝土搅拌站已完成《可行性研究报告》编制工作，待包头100万吨粉磨站建成后，即可实施商品混凝土搅拌站工程。粉煤灰综合利用工程全部投入生产。

三、投资的必要性和预期经济效益、社会效益

1投资的必要性

随着电力工业的发展，世界各地粉煤灰排放量逐年增加，粉煤灰是一种空心球型颗粒，容重较小，同其他粉状物料一样，易二次飞扬，对厂区及周边环境带来严重污染。1985年我国火力电厂排灰渣总量为3768万吨，到1995年增加到9936万吨，平均每年增加560万吨，2002年火电厂排灰总量已达2.2亿吨，俄罗斯、美国火电厂的排灰量也都在1亿吨以上，英国、波兰、法国、澳大利亚、日本等国的火电厂排灰量在1000-3000万吨。就我国处置粉煤灰费用而言(只算冲灰用水和贮灰场建设费用)，每年投入31.5亿元，占用土地50多万亩，耗资巨大，占地之多，一则影响国民经济发展，二则破坏耕地和生态环境。各国已将粉煤灰利用提高到国务日程。内蒙古自治区是我国火电发展大省，多年来，自治区政府一直重视电厂废渣综合利用技术开发，并出台了关于废渣综合利用的优惠政策。由于受地区观念和多种因素影响，粉煤灰利用量不尽人意。日前自治区火电厂排灰总量350万吨，虽处置灰渣占用良田较少，但水资源浪费较大，植被破坏严重，并影响着生态环境建设。乌海地区每年火电厂排灰量约60万吨，灰渣利用率不足1/5，与发展较快的省份相比还有一定距离。基于自治区水资源缺乏，资源日趋减少，生态环境建设紧迫，对粉煤灰利用技术投入资金，是完全必要的，是落实国家“十五”规划的一项重要工作，是造福于后人的伟大事业。利用粉煤灰作为生产原料，再加上水泥混合材用粉煤灰，粉煤灰用量可超过30%，还可以享受国家关于利用工业废料的优惠政策。

2预期经济效益

随着水泥工业的不断发展壮大，水泥品种日益增加，同时，市场竞争也越来越激烈。面对当前形势，成本优势将是企业的核心竞争力。于是，寻求廉价原材料，降低生产电耗，成了降低生产成本的主要途径。但是，原材料的不同性能，对水泥粉磨影响差别极大，所以，原材料的选用要综合考虑，谋求最大效益。项目达产厂，粉煤灰作为混合材料生产普通硅酸盐水泥，掺入量按产品质量5%计，年产水泥(普通、复合)116万吨，粉煤灰用量5.8万吨，水泥年均售价260元/吨，成本测算198元/吨，每吨水泥创利62.1元。年创效益360万元；利用粉煤灰代替粘土生产水泥熟料，吨熟料粉煤灰掺入量3%，水泥熟料年产量150万吨，年掺入粉煤总量4.5万吨，熟料售价180元/吨，年创效益870万元，节约粘土资源11.5万吨，粘土生产费用11.6元/吨，年节约资金133.4万元，利用粉煤灰生产熟料综合效益为943.4万元；利用粉煤灰等量取代部分水泥生产预拌混凝土，以75万立方米混凝土产量计，粉煤灰掺入量为75kg/m(以42.5普通硅酸盐水泥保守配比计)，年利用粉煤灰5.6万吨，普通硅酸盐水泥260元/吨，年创效益1462万元。粉煤灰利用在生产经济效益的同时，可创出巨大社会效益，一可减少环境污染，二可节约处置费和水资源，每吨粉煤灰处置费需15元(输送、场地、填埋等)占地0.5平方米，用水0.6吨，另外还可减少火电厂大笔排污费。按年利用粉煤灰16万吨计算，节约粉煤灰处置费240万元，节约水费16万元，节约土地154亩，并可净化环境，保护植被，利于生态建设和发展循环经济。全线75km粉煤灰水泥砼路面使用了2.25万t粉煤灰，为电厂节约存放粉煤灰的资金300万元，减少使用水泥1.08万t，节约工程成本228万元。每1km路面节约工程成本3.04万元，直接获得经济效益7.04万元。在水泥砼中适当地掺入粉煤灰后，改善了砼的工作性能，降低了泌水率和水泥水化速度，使之更适合滑模摊铺施工，提高了路面的抗折强度和抗磨性，提高了高速公路工程质量，保护环境，取得了可观的社会效益和经济效益。虽然存在干缩性大、早期强度低等缺陷，但通过合理的技术措施和加强施工管理，这些问题完全可以解决，并不妨碍粉煤灰的使用。粉煤灰水泥砼在高速公路水泥路面工程中值得推广。

3、社会效益

取得的社会效益主经体现为对环境的贡献：全线75km粉煤灰水泥砼路面使用了2.25万t粉煤灰，减少热电厂用于存放粉煤灰的土地1094亩，保护了土地资源。少用525#水泥1.08万t，减少了生产水泥时CO2的排放量1.08万t，减少了对大气的直接污染。路面平整度、强度、外观等工程质量的提高获得了社会的赞誉，还为公路营运时保障畅通打下了基础。

四、结论

我国粉煤灰的综合利用工作，长期以来一直受到国家高度重视，随着西部开发急进的步伐，国家把资源综合利用已作为经济建设的重要议事日程，国家经贸委、计委、建材协会、科技部等部委在“十五”规划中强调，“要广开渠道、切实抓好节约能源和资源的综合利用工作，重点实施效益好、环保效益大的资源综合利用技术，大力推广成熟的粉煤灰综合利用技术，使粉煤灰综合利用进入一个新阶段”。该项目符合国家资源综合利用政策，技术成熟、可靠、投资少、见效快，有巨大的潜在经济效益和社会效益，并有广阔的推广前景，是切实可行的资源综合利用项目。