全球纵览 Fly Ash International 2020 No.3

日本是粉煤灰综合利用率最高的国家之一。

日本政府在 1968年颁发的《大气污染防止法》第

2条中，把燃煤废渣规定为飞灰和块状煤渣，可以消

费者有效利用的义务。1991 年 4 月开始实施的《再

生利用法》以及在其基础上修改扩充并于 2001年颁

布的《资源有功利用促进法》中，把燃煤废渣规定为

特定副产物，规定业主有义务进行技术开发、设备改

良，以便进一步提高制定副产物作为资源的循环利

用率，加强了对提高燃煤废渣利用率的法律约束。

1993 年出台的《环境基本法》，对燃煤废渣中的

汞、有机磷化合物、铅等可能对土地、水源、空气形成

污染的物质含量规定了严格的检测基准。2000年 6

月开始实施的《循环型社会形成推进基本法》和 2005

年 4 月 1 日开始实施的《废弃物处理法》中规定。非

法排放燃煤废渣的企业，应依法受到处罚和有清洗

被污染现场使其恢复原状的义务。

另外，日本政府在《能源供给构造改革促进财政

投资的税收制度》中关于粉煤灰的再生处理设备投

资给予减税和退税的优惠。日本开发银行对一般产

业引进使用环保型煤炭利用设备（包括粉煤灰处理

设备）的融资，给予高融资率（40%）和低利率（1.9%）

的特别优惠。对从事粉煤灰利用途径和相关技术的

科学研究及技术开发活动，给予相当于研究经费 6%

的减税待遇。

日本也经历过大量使用复合肥的年代，不过没

几年就缓过神来，这么搞本来就不大的地方以后可

能无地可种了。硫酸钾、氯化钾施入土壤，钾离子被

吸收后，氯离子和硫酸根离子留在土壤中必然酸化

土壤。国内目前也正在经历这个阶段，土壤恶化，肥

料越投越多产出却无法同比上升。

日本研究人员利用粉煤灰生产出难溶缓效性高

的复合化肥。所用的主要原料有粉煤灰、碎渣、磷酸

混液、氯化物、尿素和醛系物。生产过程是将粉煤灰

和/或磷渣、磷酸液混合成浆料，添加氯化物如氯化钾

或氯化铵及其他所需肥料成分混合搅拌，再添加醛

系物如异丁醛或乙醛和尿素混合，进行缩合反应，干

燥破碎或干燥造粒。制得的复合化肥，由于生成的

磷酸盐、硅磷酸盐凝胶的物理作用，具有难溶缓效

性，并由于磷酸盐、硅磷酸盐与尿素的复合作用，有

助于化学稳定性，还能进一步提高难溶缓效性。试

制表明，利用粉煤灰制得的难溶缓效性高的复合肥

可抑制大量水分存在条件下氯化钾的溶出，提高肥

料吸水率，减轻肥料流出。

日本利用粉煤灰生产难溶缓效性高的复合化肥

28

全球纵览粉煤灰国际 2020第三期

燃煤发电站产生的粉煤灰是一个令人头疼的环

境问题，巨大的垃圾填埋场和灰坝会造成地下水和

空气污染。一些废品可以重新用于聚合物混凝土

中，例如用于结构的预制热固化元件。

然而，关键的耐久性问题是抗极端碱侵蚀能力

低。约翰内斯堡大学的研究人员发现，高温热处理

(HTHT)可以将粉煤灰高聚物混凝土中的这种有害机

理降低一半。

"在之前的研究中，我们发现粉煤灰高聚物混凝

土在极端碱性条件下会变得脆弱，基于这一研究，建

议这种材料不应用于暴露在高碱性介质中的结构

中，如一些化工仓储设施等。”Abdolhossein Naghiza‐

deh博士说："我们的新研究结果表明，将聚合物混凝

土暴露在评估温度下，最好是 200摄氏度，可以显著

提高其抗碱能力。

极端碱性介质

在《Case Studies in Construction Materials》杂志

上发表的研究报告中，将粉煤灰高聚物砂浆块在

100、200、400 或 600 摄氏度的高温下加热固化 6 小

时。然后将其浸泡在水中、中碱性介质或极端碱性

介质中；并在 80摄氏度下储存 14天或 28天，这取决

于性能测量结果。

长时间加热固化 28天，与其他研究中采用相同

固化制度的结果进行比较。这种长期固化适合于研

究目的，但不建议在实际施工中使用。（中碱培养基

为 1M NaOH溶液。极端碱性介质为 3m 的 NaOH溶

液)。

“200℃下加热固化的硬化块，浸入极碱介质(即

“200/3m”块)中，在碱侵袭时保持约 50％的残余强度

为 22.6MPa。”Naghizadeh 说：“在其他温度下热固化

的砌块在10.3至14.6兆帕的残余强度保持得更低。”

“浸泡在极碱介质中的 200/3M砌块仅显示出有

限的细裂纹，其他砌块则显示出严重的裂纹，表明膨

胀率低。在200/3m块中，硅和铝的浸出率最低。”

“X射线衍射显示，在 200/3m块的粘结剂相中形

成了结晶矿物--白云石和硅铁矿和硅铁矿。对 200/

3m粘结剂的扫描电镜图像显示，200/3m粘结剂中存

在凝胶状物质，具有碱侵蚀的特征。”他说：“热固化

明显降低了侵蚀强度，但无法阻止侵蚀。”

“200 度的高温热处理（HTHT）通过抑制硬化后

的高分子混凝土基体内未反应的粉煤灰颗粒的溶解

而产生这种效果。然而，高温热处理也使这些砌块

的抗压强度降低了26.7%。”

最适合作为预制件使用

粉 煤 灰 胶 结 剂 表 现 出 显 著 的 耐 久 性 能 。

Naghizadeh说，其中包括高抗碱-硅酸盐反应、优异的

耐酸性和高耐火性、低碳化和有限的硫酸盐侵蚀等。

粉煤灰高分子水泥大多适用于工厂或车间生产的预

制混凝土。原因是，在环境温度下，胶凝材料水泥混

合物的强度发展一般比较缓慢。

这就使得热固化对于早期强度的提高是必要的

或必不可少的。为热固化预制普通硅酸盐水泥

粉煤灰高聚物混凝土：显著提高了抗极碱侵蚀的能力

29

全球纵览 Fly Ash International 2020 No.3

（OPC）而建立的实用方法可以适用于此。

这使得粉煤灰土工聚合物适用于预制混凝土构

件，如建筑物和桥梁的梁或梁架、铁路枕木、墙板、空

心板和混凝土管道等。对于普通的粉煤灰高聚物混

凝土，在 60至 80摄氏度的温度下加热 24小时就可以

达到足够的强度。这种固化制度（温度和时间）在水

泥工业中很常见，一些波特兰水泥混凝土也采用这

种固化制度。

虽然土工布水泥的应用逐年增加，但与 OPC 相

比，土工布水泥的应用并不广泛。在欧洲国家、中

国、澳大利亚和美国，土工布作为粘结剂主要应用于

住宅结构、桥梁、跑道的粘结剂。

新一代水泥

自 18世纪中叶以来，OPC被广泛用于生产混凝

土。它的耐久性能已经被人们所熟知，而且它的长

期行为是可以预测的。然而，在某些应用中，新一代

的水泥作为OPC的合适替代品正在出现。这些土工

聚物水泥（或土工聚物粘结剂）的性质和微观结构与

OPC完全不同。

用于胶凝剂的起始材料需要含有丰富的氧化铝

和硅酸盐含量。根据这一标准，多种工业废弃物或

副产品都符合条件，包括稻壳灰、棕榈油燃料灰和电

厂粉煤灰。然而，粉煤灰作为土工水泥有两个优点，

Naghizadeh说。

首先，粉煤灰在全球范围内有数百万吨的粉煤

灰，包括发展中国家。将粉煤灰作为建筑材料进行

再利用，有可能减少其对环境的一些影响。目前，粉

煤灰被丢弃在燃煤电厂附近的大型粉煤灰坝和垃圾

填埋场中，会产生空气和地下水污染。

粉煤灰作为高分子水泥的起始材料的第二个优

势是其化学成分。通常情况下，粉煤灰中含有足够

丰富的活性硅和铝氧化物，这使得胶凝材料的胶凝

效果更好。

这反过来，与使用其他含铝硅酸盐的废品制成

的土工水泥相比，可得到具有优异的机械、物理和耐

久性能的粘结剂。

更为复杂的混合料设计

工程师在设计建筑时，需要保证结构中使用的

混凝土在使用年限内具有预期的强度。但是，混凝

土和其他建筑材料的物理力学性能会随着时间的推

移而发生变化。这种变化会影响材料在建筑使用年

限内的性能。

一般情况下，OPC混凝土混合料包括水泥、水和

骨料。土木工程师根据这三种成分的特定比例来制

定OPC混合料的设计方案，以达到预期的结构效果。

"对于由硅酸钠和氢氧化钠激活的粉煤灰基高

分子聚合物混凝土，混合料设计比OPC要复杂得多。

"Naghizadeh 说。"涉及到更多的参数：粉煤灰、硅酸

钠、氢氧化钠、水和骨料的用量；以及氢氧化钠的浓

度；碱内玻璃的比例和质量。"

粉煤灰坝的粉煤灰

Stephen Ekolu教授说，在南非，使用粉煤灰作为

土工水泥的研究非常有限。Ekolu 是该研究的共同

作者，也是约翰内斯堡大学土木工程与建筑环境学

院前院长。

"现有的粉煤灰高聚物混凝土研究使用的是直

接从发电站提供的粉煤灰。关于利用垃圾填埋场和

灰坝中的粉煤灰（技术上称为 "底灰"）生产土工水

泥，还需要进一步研究。

"目前最大的研究问题是材料质量、混合料设计

以及开发出允许在环境条件下固化的技术，而不是

目前在高温下固化的做法。一旦这三个科学问题得

到解决，粉煤灰乃至大多数其他形式的胶凝材料水

泥就可以更好地作为OPC的替代品在全球范围内推

广。"Ekolu说。

不是混凝土扩展剂

目前，少量的粉煤灰被用作普通的水泥稀释剂。

在南非，这一用量占每年生产的 3,600 万吨水泥的

10%。粉煤灰与熟料混合生产波佐兰酸波特兰水泥

30

全球纵览粉煤灰国际 2020第三期

（PPC）。

虽然粉煤灰作为常用的 OPC 外加剂，但粉煤灰

基高聚物混凝土（FA-GC）并没有与OPC基混凝土结

合。

原因在于 OPC 的水化过程与 FA-GC 的胶凝反

应完全不同。而且，OPC 基混凝土和土工聚物混凝

土所需要的养护条件也各不相同。

与OPC的生产方式不同

OPC生产中的主要阶段是煅烧和研磨过程。与

OPC 不同的是，土工聚物生产不需要这些阶段。以

粉煤灰为基础的胶凝材料粘结剂由两部分组成。粉

煤灰和一种碱活化剂。通常情况下，粉煤灰按发电

站生产的方式使用，不需要进一步处理。

碱活化剂溶液，如硅酸钠、氢氧化钠等碱活化剂

溶液在行业内也被大量生产。如洗涤剂、纺织品生

产等，这些都有多种用途。

"绿色 "混凝土

"在不同的环境条件下，土工布水泥的长期耐久

性需要进一步研究。同时，全球建筑行业缺乏对土

工聚合物生产的技术知识。为了采用土工聚物粘结

剂，工程师、技术人员和建筑工人需要接受培训，以

设计和生产出具有所需性能的土工聚物混凝土混合

料设计。"Naghizadeh说。

"毫无疑问，由于波特兰水泥对环境的巨大影

响，未来需要限制波特兰水泥的生产。这其中包括

约 5％至 8％的全球人为二氧化碳排放到大气中，造

成了气候变化。"Ekolu说。

包括约翰内斯堡大学的研究在内的多项研究表

明，粉煤灰胶凝材料可以表现出与波特兰水泥的优

异或类似的性能。这使得它在某些应用中成为替代

波特兰水泥的合适选择。

此外，粉煤灰在全球范围内，特别是在发展中国

家，从潜在的问题废品再利用的角度来看，粉煤灰的

可利用性为生产比普通波特兰水泥更经济的 "绿色 "

混凝土提供了机会。

自美国环境保护署（EPA）2015年发布关于燃煤

残留物（CCR）的“最终”处置法规以来，美国的煤灰

市场一直处于活跃状态。尽管EPA正在考虑进一步

的监管改革，但 CCR法规所涵盖的发电机组的所有

者和运营商现在正在努力解决关闭方案以及遵守期

限的问题。

从总体上看，由于 2010年至 2019年第一季度之

间关闭了 546台燃煤发电机组，美国的煤炭消费量已

降至 1970 年代末以来的最低水平。能源信息署

（EIA）的最新数据显示，这一趋势将持续到 2025年，

尽管步伐有所放缓（见图1）。

在此背景下，我们来看看美国粉煤灰材料市场

的三个方面。首先，我们关注CCR法规对所有者/经

营者的合规性影响。接下来，我们将研究现有的粉

煤灰库存和市场趋势。最后，我们将讨论扩展到

CCR需求及其来源。我们的观点是根据目前电厂粉

煤灰处理装置内的材料库存以及监管驱动因素如何

影响这些材料的可用方式来决定的。

粉煤灰材料与监管环境

要对美国煤灰市场的未来做出有根据的预测，

需要了解美国环保署 2015年CCR法规的监管影响。

美国粉煤灰储存量、市场现状与未来发展趋势

31

全球纵览 Fly Ash International 2020 No.3

在这里，我们将提供一个总结来确定阶段。

关于CCR法规，运营商/所有者面临的监管挑战

有两个方面：因填埋场关闭而产生的粉煤灰管理和

环境合规义务。

目前，与CCR法规发生冲突的所有者/经营者至

少面临两个主要挑战，以维持共用废物处理设施（现

有的填埋场和地面蓄水库）的畅通：

•位置限制

•地下水保护标准超标

关于位置限制，有五个条件会在特定时间范围

内推动合规计划。废物处理设施不能为：

1.位于最上层含水层5英尺范围内

2.位于湿地内

3.位于断层区

4.位于活动地震带内

5.位于不稳定地区

根据这些标准，第 2条到第 5条限制要求废物处

理设施在 2019年 4月 17日之前关闭。第 1条的生效

日期为2020年10月31日，停止运行并关机。

值得注意的是，还有待实施的法规，以及白宫管

理和预算审查办公室（White House Office of Man‐

agement and Budget review），将延长 2020 年 10 月的

最后期限。

总而言之，我们估计，由于靠近最上层含水层而

需要关闭的机组所含材料超过 2亿立方码。请注意，

这些数字是基于“处于风险中”的废物处理设施，而

不是已经关闭的。

接下来，我们看一下年度地下水监测要求和地

下水保护标准（GWPS）。每年，要求监测 CCR 设施

地下水问题的业主/运营商发布一份地下水监测报告

和采取的纠正措施。确定某站点是否存在问题是一

个复杂的过程。如果鉴定出任何统计学上显着水平

的污染物，并且当GWPS超过规定的标准时，EPA将

需要采取行动。通常监测 15种分析物，锂、钴和砷是

测量过量的最常见元素。大多数地点与两个或三个

分析物有超标。其中一个地点报告9种分析物超标。

该分析基于现场地下水监测井，这意味着不一

定存在任何现场地下水迁移。然而，如果废物处理

设施与 15个分析物中任何一个监测井的水平增加有

关，可能需要在 2020年 10月 31日之前关闭。考虑到

所有因素，我们估计，由于GWPS超标而需要关闭设

施的粉煤灰将超过10亿立方码。

由于某些废物处理设施面临双重危险，因此位

置限制和GWPS之间的数值不可叠加。两个都是造

成关闭风险的因素。一旦启动关闭并进行公开通

知，关闭项目将按照时间表进行，时间表取决于国家

监管部门的批准、废物处理设施是否将就地关闭或

通过拆除、电厂的持续运行以及关闭项目的规模和

复杂性等因素。

估算粉煤灰储量

美国粉煤灰排放量已有多少？美国燃煤发电量

资料来源：环境影响评估

图1 退役和退役燃煤机组夏季总净容量（2010-2025年）

32

全球纵览粉煤灰国际 2020第三期

较 10年前的峰值有所下降，2019年 4月，美国可再生

能源发电量首次超过燃煤发电。虽然从长远来看，

这一下降趋势对煤炭总库存来说是个坏消息，但

2017年CCR用量达到了7,180万吨，创历史新高。

现在，让我们详细了解一下 CCR 监管和遗留煤

灰填埋场和地表蓄水的数量和总体积的估算。

关于监管的美国CCR市场，可用数据包括：

•111名业主和运营商

•大约300个站点

•超过700个CCR废物处理设施

宾夕法尼亚州拥有超过 2.5 亿立方码粉煤灰的

州，排名第一，其次是肯塔基州和西弗吉尼亚州。关

于遗留材料，有机会进行一些认真的调查工作，以估

计现场或场外产生的、处理过的以及以前没有进行

过的材料的数量。美国仍在使用的最古老的发电厂

已有 70多年的历史了。根据美国能源情报署（EIA）

的数据，截至 2016 年 12 月，超过 88％的发电量来自

于 1950年至 1990年之间建的电厂。毫无疑问，这些

遗留下来的电厂（其中一些已经不复存在）存在煤灰

堆积。

目前，遗留的储灰池的所有者没有义务遵守

CCR法规。

粉煤灰需求与来源的关系

在水泥和混凝土中使用粉煤灰和底灰作为替代

材料，是处理废弃物的高价值替代，有助于减少从采

石场提取原材料，减少与制造业相关的温室气体排

放。粉煤灰的储灰位置与综合利用制造商的相对位

置，是开启可持续使用粉煤灰新机遇的关键。

美国运输部保留了批准的货源和地点供应商名

单。供应来源和地点由各州提供支持，以向部门项

目供应粉煤灰。应 SEFA 集团的要求，FirmoGraphs

最近开始跟踪和更新经批准的粉煤灰供应商和工

厂。在一个大范围内，各组织正在调查煤灰源与客

户的距离，以及这些地点通过公路、驳船和铁路的可

达性。这些是决定运输成本、运费、劳动力和工资的

关键因素。值得注意的是，全面挖掘被认为是最昂

贵的那种选择，通常可通过永久性地解除债务来抵

消。这些因素推动了战略思维的经济学，并提供了

抵消与CCR挑战相关的成本的潜力。

结论

在像美国粉煤灰市场这样的市场中，了解内在

风险和未来趋势至关重要。在可持续发展的基础

上，影响因素有联邦和州的法规发展、现场环境义

务、围绕现场操作和减缓废物处理设施的决策、粉煤

灰存量的变化以及综合利用机会。FirmoGraphs 每

天跟踪和更新这些变化，创建结构化和可靠的数据

集，并在现代和灵活的商业智能软件中提供。

意大利公用事业公司Enel可能会以比预期更快

的速度关闭其在全球剩余的燃煤电厂，这主要是因

为燃料的经济状况恶化导致数十亿美元的资产减

记，并为用燃气电厂和可再生能源替代产能提供了

更充分的理由。

该公司仍然是欧洲公用事业中最大的燃煤电厂

所有者之一，并在 5月被挪威 1万亿美元的主权财富

基金列入观察名单，原因是该公司违反了新的环境

意大利电力公司Enel将加速燃煤电厂淘汰计划

33

全球纵览 Fly Ash International 2020 No.3

准则，该准则要求公司拥有不到 10,000 兆瓦的煤炭

产能。

但是，Enel全球发电负责人Antonio Cammisecra

在一次采访中表示，该公司预计到今年年底将达到

这一要求，因此这可能会加速 Enel于 2030年从煤炭

中退出的计划。

Cammisecra说：“我们的完成速度将比一年前更

快。毫无疑问，到 2025年，埃内尔将在意大利乃至全

球大部分地区淘汰煤炭。”

现在，Enel 希望提前数年关闭其在智利的最后

一座燃煤电厂，此后，在拉丁美洲仅剩一个位于哥伦

比亚的小型发电机组。10 月，该公司出售了其在俄

罗斯的最后一座燃煤电厂。

其余的煤炭库存总计约 11,000MW，位于欧洲：

其中在意大利，该公司刚刚获准关闭其布林迪西工

厂的 660MW机组，而其在西班牙的其余五个工厂中

的两个也拥有退役计划。

Cammisecra 说：“必须做到。而且我们做得越

快，对每个人都越好。”

对于意大利五家燃煤厂中至少有四家仍在意大

利的情况，Enel希望将其转换为燃烧天然气的装置。

即使天然气的排放量不到煤炭的一半，Enel 预计这

些电厂在转换后的使用量将大大减少，这意味着即

使清理电厂投资组合的压力越来越大，该公司仍将

继续排放碳。

Enel 希望在 2017 年至 2030 年之间将其每千瓦

时发电的直接温室气体排放量减少 70%，并在 2050

年之前将这一数字降至零。到目前为止，该公司已

将其排放强度降低了约 28%，至到 2019年底，二氧化

碳排放量为296克二氧化碳/千瓦时。

Cammisecra 说，Enel 尚未决定如何精确抵消其

剩余燃气发电的排放，但是这很可能包括补偿措施，

例如重新造林而不是碳捕集技术。与此同时，用煤

气发电厂代替燃煤仍是“我们认为可以支付的费

用”，这些发电厂将主要作为可再生能源的后备电

源。

但是，尽管 Enel 能够以足够快的速度建设风能

和太阳能公园，以补偿智利和西班牙的煤炭生产损

失，但意大利的规划程序却花费了太长时间。Cam‐

misecra说：“我们不得不在一段时间内通过天然气。

但是，可替代能力的大部分将来自我们已经在开发

的风能和太阳能。”

在西班牙，Enel通过子公司Endesa运营，可再生

能源的迅速发展意味着该公司可以走更清洁的道

路。充足的太阳能资源和土地供应，加上更快的政

策要求，意味着“通过天然气过渡”是不必要的。

Enel的燃煤电厂投资组合中确实存在的一件事

是，它们正日益成为其资产负债表上的负担。在

2019年，该公司几乎记录了超过 40亿欧元的煤炭减

记，减损导致 Endesa 宣布将在未来两年内关闭所有

燃煤站。

Cammisecra说，现在，冠状病毒引起的需求下降

使煤炭在许多国家中退出，并给了Enel“最后的推动

力”以关闭智利的工厂。但是，即使没有大流行，经

济状况也依然不佳，无法证明更长久地燃烧煤炭是

合理的。

Cammisecra表示：“我们现在基本上没有在燃烧

煤炭……这不是暂时性的因素。风能和太阳能发电

量的增加，廉价天然气以及欧洲排放市场趋紧的情

况都在蚕食着煤炭发电的利润。我认为这种情况将

继续存在。所以最好现在关闭这些燃煤电厂。”

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