電廠爐渣粉煤灰分選系統優化與應用

摘 要：【目的】解決火力發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。【方法】采用氣流分選與靜電分選相結合的方法，設計了優化分選系統。該系統包括旋風分離器、氣流床分選器和滾筒式靜電分選器，通過調節關鍵參數實現高效分離。【結果】優化后系統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97%，純度98%；粉煤灰分選效率達96%，純度99%。系統能耗降低20%，水耗減少80%。投資回收期不到7個月，10年凈收益可達3.5億元。【結論】本研究開發的優化分選系統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新方案。該系統具有良好經濟效益，同時減少環境污染，促進循環經濟發展。未來可進一步探索智能化管理和更廣泛應用，推動火電行業可持續發展。

關鍵詞：爐渣；粉煤灰；分選系統；氣流分選；靜電分選

中圖分類號：TH162 文獻標志碼：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

隨著我國經濟增長，電力需求也持續增多。在供給端，火力發電仍占主導地位。然而，火力發電過程中產生的爐渣和粉煤灰等固體廢棄物不僅占用大量土地資源，還可能造成環境污染。如何有效分選和利用這些廢棄物是火力發電廠面臨的重要課題。高效的分選系統是實現廢棄物資源化利用的關鍵。本研究旨在通過優化分選系統，提高爐渣和粉煤灰的分選效果，為其后續利用奠定基礎。創新性地采用氣流分選與靜電分選相結合的方法，克服了單一分選技術的局限性，實現了分選效率和純度的雙重提升。下文將詳細探討優化系統的設計原理、試驗驗證及其在工程中的應用價值。

1 優化分選系統設計

1.1 氣流分選技術原理及應用

在電廠爐渣粉煤灰分選系統中，氣流分選技術的應用主要基于旋風分離器和氣流床分選器的組合。旋風分離器用于初步分離大顆粒爐渣，通過切向進料，利用離心力將大顆粒甩向器壁進行收集。氣流床分選器則用于細顆粒的進一步分離，通過調節氣流速度和床層振動頻率實現分層和分離。實際應用中，進料粒度控制在0～5 mm，氣流速度設定為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風路設計［1］。多級分離可以逐步提高產品純度，而循環風路則有助于減少能耗、提高細粉回收率。通過優化氣流分布和分離器幾何結構，系統的初步分選效率已達到85%，為后續靜電分選奠定了良好基礎。

1.2 靜電分選技術原理及應用

靜電分選技術在電廠爐渣粉煤灰分選系統中主要用于分離未燃盡碳粒與礦物質，采用滾筒式靜電分選器實現。該設備包括給料裝置、高壓靜電發生器和接收裝置。實際應用中，操作電壓設定在30～50 kV，滾筒轉速控制在100～150 r/min。為提高分選效果，采用了多電極配置和電場強度梯度設計，當電場強度達到3 kV/cm時，分選效果最佳。為應對粉煤灰成分和濕度的變化，本研究引入了自適應控制系統，根據在線監測數據實時調節電壓和滾筒轉速［2］。此外，通過優化電極形狀和排列，減少了電暈放電，提高了分選穩定性。為解決細粉再懸浮問題，在分選區域設置了局部負壓系統。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和利用價值。

1.3 氣流分選與靜電分選的協同優化

為進一步提高分選系統的整體性能，采用氣流分選與靜電分選的協同優化策略。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行精細分離。研究開發了一套自適應控制系統，根據進料特性實時調節氣流速度和靜電場強度。通過優化兩種技術的銜接參數，例如，氣流分選出口粒度分布與靜電分選進料要求的匹配，系統整體分選效率提升至95%。此外，通過引入在線監測設備，實現了分選過程的實時調整，大大提高了系統的適應性和穩定性。協同優化后的系統性能得到了顯著提升（見表1），整體分選效率和產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同優化的成效，可為電廠爐渣粉煤灰的高效分選和資源化利用提供強有力的技術支持。

2 試驗方法與結果分析

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）送入旋風分離器進行初步分離，分離出大于2 mm的顆粒。其次，剩余物料進入氣流床分選器，通過調節氣流速度（3～5 m/s）和振動頻率（15～20 Hz）進行進一步分離。最后，細顆粒物料進入靜電分選器，在30～50 kV電壓下進行精細分選。整個過程由PLC控制系統實時監控和調節。試驗中采用了不同的工藝參數組合，以優化分選效果。為評估系統性能，設置了多個采樣點，包括原料入口、各分選單元出口和最終產品出口。試驗過程中，每隔30 min進行一次取樣，每次試驗持續4 h，以確保數據的可靠性和代表性［3］。經過連續72 h的長周期運行測試，以評估系統的穩定性和可靠性。

2.2 分選效率和純度評估

樣品經烘干、篩分后進行成分分析。分選效率通過入料和產品中目標組分的質量比計算，純度則通過產品中目標組分的質量百分比確定。試驗結果顯示，優化后的系統在不同工況下均表現出色。在最佳工藝參數下，爐渣的分選效率達到97%，純度為98%；粉煤灰的分選效率為96%，純度達到99%。為評估系統的適應性，進行了不同原料特性（如灰分、水分、粒度分布）下的分選試驗。結果表明，系統對原料特性的變化具有良好的適應能力，在較寬的參數范圍內都能保持穩定的分選效果。此外，通過在線監測和自動控制系統，實現了對分選過程的實時調整，進一步提高了分選的穩定性和效率。長期運行測試結果顯示，系統在連續72 h的操作中，性能無明顯下降，體現出優秀的工業應用潛力。不同工況下的分選性能見表2。

2.3 優化系統與傳統方法的對比

為評估優化系統的性能，將其與傳統的機械篩分法和水力分選法進行了對比。試驗采用相同的原料，在相同的處理量下進行。結果顯示，優化系統在分選效率、產品純度和資源利用率等方面均優于傳統方法。特別是在細粒級物料的分選上，優化系統表現出顯著優勢。優化系統的能耗降低了20%，水資源消耗減少了80%。值得注意的是，優化系統在處理高灰分、高水分的復雜原料時，仍能保持穩定的分選效果，體現出較強的適應性。經濟性分析顯示，盡管優化系統的初始投資較高，但由于其高效率和低運營成本，投資回收期僅為2年。環境影響評估結果表明，優化系統顯著減少了粉塵排放和廢水產生，符合日益嚴格的環保要求。優化系統具有占地面積小、自動化程度高等優點，更適合現代化電廠的需求。優化系統與傳統方法性能對比見表3。

3 優化分選系統的工程應用

3.1 系統集成與工藝流程

優化分選系統的工程應用涉及復雜的系統集成和工藝流程設計。該系統主要由原料預處理、氣流分選、靜電分選和產品收集等4個單元組成。原料預處理單元包括破碎、篩分和干燥設備，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分離器和氣流床分選器，實現粗細顆粒的初步分離。靜電分選單元使用高壓靜電發生器和滾筒式分選器，進行精細分選［4］。產品收集單元包括氣力輸送系統和儲存設施。整個系統通過中央控制室實現自動化操作，采用PLC和SCADA系統進行實時監控和調節。工藝流程設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。實際應用中，系統處理能力達到50 t/h，運行穩定性超過98%，年運行時間可達7 500 h。

3.2 經濟效益分析

優化分選系統的經濟效益分析基于某300 MW燃煤電廠的實際應用數據。該電廠年產爐渣和粉煤灰約30萬t，采用優化分選系統后，產品利用率從原來的70%提升到95%。高品質粉煤灰售價從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。系統初始投資為2 000萬元，年運行成本包括電費、人工和維護費用約500萬元。經計算，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3.5億元。此外，通過提高資源利用率，每年可節省約6萬m2的灰場占地，相當于節約土地成本900萬元。經濟效益分析結果見表4。該系統不僅為電廠創造了可觀的經濟效益，還通過提高資源利用率降低了環境治理成本，實現了經濟效益與環境效益的雙贏。

3.3 環境效益評估

優化分選系統的環境效益主要體現在資源循環利用、減少環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，相當于節省3萬m3的灰場面積。其次，系統采用干法分選工藝，與傳統濕法相比，年節水量達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，粉塵排放濃度控制在10 mg/m3以下，遠低于國家30 mg/m3的排放標準。由于提高了資源利用效率，間接減少了原材料開采和運輸過程中的碳排放，經測算，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 建材領域應用

爐渣和粉煤灰在建材領域主要用于生產水泥、混凝土和磚塊等。在水泥生產中，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滲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，提高后期強度。爐渣則主要用于制作輕質骨料，生產輕質混凝土和保溫材料。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、吸音效果佳等優點。

4.2 道路工程應用

爐渣和粉煤灰在道路工程中的應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，可有效提高路基強度和穩定性。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，可形成高強度、低收縮的穩定材料。實踐證明，采用粉煤灰-石灰-碎石混合料作為基層，其7 d無側限抗壓強度可達3.5～4.5 MPa，遠高于傳統材料。在瀝青混合料中添加粉煤灰，可改善瀝青的高溫穩定性和抗水損害能力。

4.3 土壤改良應用

爐渣和粉煤灰在土壤改良中的應用主要基于其物理和化學特性。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。爐渣則因其多孔結構和良好的保水性，適用于改善砂質土壤的物理性質。試驗證明，在砂質土壤中添加20%～30%的細爐渣，可將土壤的持水量提高40%～50%，能有效改善土壤結構。

5 結語

本研究通過優化電廠爐渣粉煤灰分選系統，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合的方法，克服了傳統分選技術的局限性，為火力發電廠廢棄物的高效分選提供了新的技術路徑。優化后的分選系統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濟和環境效益。未來研究可進一步探索分選系統的自動化控制和智能化管理，以及分選產物在更廣泛領域的應用可能性，為火力發電行業的可持續發展貢獻力量。

參考文獻：

［1］楊毅，高敏軒，陳元，等.電廠粉煤灰、爐渣和污泥復合陶粒對低濃度Pb～（2+）的吸附特性［J］.環境科學研究，2024，37（2）：407-414.

［2］陳忠清，丁佩思，呂越，等.爐渣-粉煤灰地聚合物固化銅污染土［J］.有色金屬工程，2023，13（9）：161-169.

［3］謝明志，莊寶利，陳雙慶.粉煤灰與銅爐渣對混凝土抗侵蝕性能的影響研究［J］.公路工程，2022，47（5）：143-149，175.

［4］程凱.重介分選精煤灰分自動控制系統的研究與應用［D］.太原：太原理工大學，2022.

［5］徐勝.回坡底選煤廠煤泥分選系統提質優化研究及應用［D］.徐州：中國礦業大學，2021.