張志華，雷旭陽，王明友

固體廢棄物粉煤灰資源化利用技術(shù)

張志華，雷旭陽，王明友

（邢臺職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 邢臺 054000）

粉煤灰是燃煤電廠產(chǎn)生的固體廢棄物，其資源化利用對于資源節(jié)約和環(huán)境保護(hù)具有重要意義。闡述了粉煤灰的性質(zhì)特點(diǎn)，詳細(xì)介紹了粉煤灰在建材、農(nóng)業(yè)、環(huán)保和化工等領(lǐng)域的綜合利用現(xiàn)狀及存在問題，并對其未來發(fā)展方向提出建議，注重其高值化、精細(xì)化、產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

粉煤灰；固體廢棄物；資源化利用；精細(xì)化

粉煤灰是通過除塵設(shè)備從煙氣中捕獲的細(xì)灰，又稱飛灰，是燃煤火電廠產(chǎn)生的主要固體廢棄物。近幾年，隨著我國經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，發(fā)電需求量日益增大，粉煤灰的排放量也迅猛增加。圖1是近年來我國粉煤灰年產(chǎn)量與利用情況：我國粉煤灰產(chǎn)量穩(wěn)步增長，近幾年增長速度放緩，而粉煤灰綜合利用率逐年增加，最大達(dá)到70%[1]。由此可以，現(xiàn)有技術(shù)和方法仍無法實(shí)現(xiàn)對粉煤灰的全量消納，這將會導(dǎo)致大量粉煤灰堆積，造成環(huán)境污染和資源浪費(fèi)。

圖1 我國粉煤灰年產(chǎn)量與利用情況[1]

雖然我國已經(jīng)調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，但是我國富煤貧油少氣的能源形式?jīng)Q定了目前及今后較長時間內(nèi)，煤粉燃燒仍是燃煤電廠的主體。因此，積極開展研究粉煤灰綜合利用技術(shù)，提高粉煤灰綜合利用率，對環(huán)境效益、社會效益和經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義。

1 粉煤灰的特性

粉煤灰的物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)和礦物組成對其處理和利用具有重要影響，因此，粉煤灰綜合利用的基礎(chǔ)在于了解粉煤灰的基本特性。

粉煤灰是灰白色或者灰黑色的粉狀物質(zhì)，是球形的中空或?qū)嵭奈⒅?，粒徑大小約為2.5~300 μm，具有較大比表面積，約為2 000~5 000 cm2·g-1，密度為0.55~0.80 g·cm-3，孔隙率約為 60%~75%，這些物理特性是化學(xué)組成和礦物組成的宏觀反映，直接影響粉煤灰的性能。

粉煤灰是一種人工火山灰質(zhì)固體材料，其化學(xué)組成取決于原煤產(chǎn)地，燃煤條件和燃燒程度等，主要化學(xué)組成是SiO2，Al2O3和Fe2O3，還有少量的FeO，CaO和MgO等。我國部分地區(qū)粉煤灰中Al2O3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)可達(dá)50%，是一種潛在的非鋁土礦資源，可從這種高鋁粉煤灰中提取Al2O3，實(shí)現(xiàn)粉煤灰的高附加值利用。此外，粉煤灰中還含有鋰、鎳、鍺和鋯等有價值的微量元素[2]，可應(yīng)用在軍工、電子和航空等領(lǐng)域。

粉煤灰的礦物組成比較復(fù)雜，有結(jié)晶相和無定型相兩種，結(jié)晶相包括石英、方石英和赤鐵礦，還有少量磁鐵礦、剛玉、生石灰等[3]。玻璃體和未燃碳屬于無定型相，其中玻璃體含量約占50%~80%，主要化學(xué)成分是SiO2和Al2O3，經(jīng)過煅燒的玻璃體儲存了較高的化學(xué)內(nèi)能，影響粉煤灰的活性。粉煤灰的礦物組成與煤粉類型、煤粉形成條件和燃燒條件相關(guān)。

2 粉煤灰資源化利用技術(shù)現(xiàn)狀

近幾年，針對粉煤灰的綜合利用，研究者開展了大量研究。通常將其應(yīng)用于建材、農(nóng)業(yè)、環(huán)保和化工等諸多領(lǐng)域。

2.1 建材方面

2.1.1 用于生產(chǎn)水泥

由于粉煤灰化學(xué)成分中有活性SiO2，Al2O3和CaO，其成分與黏土相似，可用作水泥部分原料的替代品。粉煤灰用于水泥摻雜主要有三種途徑：①部分替代黏土生產(chǎn)普通水泥；②作為混合摻雜材料（粉煤灰摻雜量通常低于30%）生產(chǎn)粉煤灰水泥；③部分代替鋁質(zhì)材料生產(chǎn)水泥。由于粉煤灰中含有CaO，是一種火山灰質(zhì)類物質(zhì)，表現(xiàn)出火山特性和凝膠特性，因此，摻雜粉煤灰有利于提高水泥的保水性，其摻雜量對水泥后期強(qiáng)度也有影響，隨著粉煤灰的摻加量增加，水泥強(qiáng)度增強(qiáng)，甚至能超過硅酸鹽水泥的強(qiáng)度[4]。將粉煤灰用于生產(chǎn)水泥，不僅可降低生產(chǎn)成本，也可提高產(chǎn)量，改善水泥的性能。

我們平常都說“真的懶死了”，事實(shí)上，科學(xué)研究證明“懶”是真的會死的。著名醫(yī)學(xué)雜志《柳葉刀》的統(tǒng)計數(shù)字顯示，全世界一年估計至少有530萬人死于不運(yùn)動，這個數(shù)字甚至超過了死于吸煙的人數(shù)（500萬）。不運(yùn)動是大部分慢性病最危險的因子之一，僅僅排在高血壓、煙酒和高血脂之后。

2.1.2 用于摻雜混凝土

混凝土由水泥、水和砂石粒料混合組成，而粉煤灰具有較好的體積穩(wěn)定性和耐久性，使其在混凝土生產(chǎn)過程中可作為優(yōu)質(zhì)活性摻雜料，代替部分水泥，減少水泥消耗量，降低生產(chǎn)成本。此外，在制備混凝土摻雜適量粉煤灰可改善混凝土某些性能，如提高粉煤灰耐腐蝕性、降低其水化熱和抗碳化能力等，這表現(xiàn)為粉煤灰的取代效應(yīng)[5]。通常粉煤灰在混凝土的摻雜量為15%~35%，因此，在其利用過程中，需根據(jù)產(chǎn)品需求，合理調(diào)控粉煤灰摻雜量。

2.2 農(nóng)業(yè)方面

粉煤灰應(yīng)用于農(nóng)業(yè)方面投資少，用量大，主要的利用技術(shù)為改良土壤和制備化肥[6]，但粉煤灰農(nóng)業(yè)應(yīng)用應(yīng)符合《農(nóng)用粉煤灰中污染物控制標(biāo)準(zhǔn)》（GB 8173—1987）文件要求[7]。

利用粉煤灰高比表面積、疏松多孔、對水氣熱肥能進(jìn)行傳導(dǎo)和保存等特點(diǎn)，修復(fù)和改善土壤結(jié)構(gòu)[8]，Adriano等[9]研究表明土壤中加入適量粉煤灰能有效較低土壤容重。翟建平等[10]將粉煤灰用于土壤改良實(shí)驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)粉煤灰能提高土壤孔隙率，在灰量為15~30 t·ha-2范圍內(nèi)，農(nóng)作物增產(chǎn)效果與粉煤灰量成正比。因此，在土壤中添加適量的粉煤灰可改善土壤結(jié)構(gòu)，增加土壤孔隙率，提高通透性。粉煤灰也可調(diào)節(jié)土壤環(huán)境，適用于過酸或過堿土壤的改良，楊海儒等[11]發(fā)現(xiàn)添加適量酸性粉煤灰可降低土壤比重和pH值，改善土壤環(huán)境，李九玉等[12]發(fā)現(xiàn)土壤中添加適量堿性粉煤灰可增加紅土壤的pH值。

粉煤灰中含有利于植物生長的必須營養(yǎng)元素和微量元素，如N、P、K、Ca、Mg、Zn和Cu等，適量摻雜到土壤中可影響其化學(xué)性質(zhì)，提高土壤的營養(yǎng)水平，促進(jìn)作物生長[13]。粉煤灰礦物組成中含有磁鐵礦，用其生產(chǎn)粉煤灰磁性復(fù)合化肥，可作為農(nóng)作物專用肥料。相比傳統(tǒng)肥料，利用粉煤灰生產(chǎn)的復(fù)合肥，增產(chǎn)效果明顯，投入少，價格低廉。

粉煤灰用于改良土壤，易造成化學(xué)元素富集，重金屬含量高，放射性等問題，基于環(huán)境效益長遠(yuǎn)考慮，應(yīng)適量添加粉煤灰用于土壤修復(fù)和改良。

2.3 環(huán)保方面

粉煤灰是疏松多孔材料，比表面積大，富含SiO2和Al2O3等活性基團(tuán)，吸附活性高，因此，可將粉煤灰用于廢水處理，吸附方式包括物理吸附和化學(xué)吸附。物理吸附取決于粉煤灰的比表面積和多孔性，其特點(diǎn)是無選擇性。化學(xué)吸附是粉煤灰表面Al-O-Al，Si-O-Si與吸附質(zhì)通過化學(xué)鍵結(jié)合，具有較強(qiáng)選擇性。李曉穎等[14]用改性粉煤灰處理印染廢水，色度去除率可達(dá)89.2%；彭榮華等[15]將改性粉煤灰用于吸附處理含重金屬離子廢水，重金屬離子去除率達(dá)到97.5%以上；安曉雯等[16]將粉煤灰處理含油廢水，油去除率可達(dá)82.2%，添加適量生石灰油去除率達(dá)到90%。因此，粉煤灰作為良好的吸附材料，將其用于處理印染廢水和含磷廢水等，價格低廉，操作簡單，可達(dá)到“以廢治廢”的效果。

2.3.2 廢氣處理

粉煤灰中CaO、Fe2O3和MgO等組分的水溶液，能與堿金屬發(fā)生凝硬反應(yīng)，其中高鈣基能和SO2反應(yīng)，因此，粉煤灰可作為吸附劑用于煙氣脫硫，其脫硫效果優(yōu)于純石灰脫硫劑。另外，粉煤灰可用于脫除NO、汞和氣體有機(jī)化合物等，能有效控制氣體污染物，實(shí)現(xiàn)資源化利用。

2.4 化工方面

2.4.1 提取Al2O3

以粉煤灰作為二次資源提取Al2O3，可緩解我國鋁資源緊缺問題，是目前的研究熱點(diǎn)。常用工藝包括燒結(jié)法、堿法、酸法、氣體氯化法和酸堿聯(lián)合法等[17]，燒結(jié)法工藝簡單，但能耗高，產(chǎn)渣量大，限制其規(guī)?；瘧?yīng)用；酸法提取Al2O3回收率高，但容易腐蝕設(shè)備，酸耗量多，易造成二次污染；堿法提取反應(yīng)能耗低，且介質(zhì)活性高，但堿耗量大，對設(shè)備要求較高[18]。大唐國際采用堿石灰煅燒法技術(shù)，于2010年已實(shí)現(xiàn)年產(chǎn)20萬t Al2O3提??；蒙西集團(tuán)采用石灰石燒結(jié)法提取粉煤灰中的Al2O3，2014年已實(shí)現(xiàn)年產(chǎn)40萬t Al2O3提??；神華集團(tuán)“一步酸溶法”提取粉煤灰中的Al2O3，回收率可達(dá)80%[19]。

目前，粉煤灰中提取Al2O3技術(shù)仍需降低成本、簡化工藝，控制二次污染，另外，對硅鋁元素協(xié)同回收技術(shù)缺乏研究，需繼續(xù)探究粉煤灰提鋁新技術(shù)。

2.4.2 用于生產(chǎn)微晶玻璃

微晶玻璃又稱玻璃陶瓷，是一種玻璃和晶相共存的多晶材料。由于粉煤灰中的硅鋁組成與生產(chǎn)微晶玻璃的原料組成相似，因此利用粉煤灰生產(chǎn)微晶玻璃。用粉煤灰生產(chǎn)的微晶玻璃比普通礦渣微晶玻璃機(jī)械強(qiáng)度高、化學(xué)穩(wěn)定性好、硬度高、耐磨損、膨脹系數(shù)可控[20]。目前已被工業(yè)化應(yīng)用的微晶玻璃生產(chǎn)工藝有熔融法、燒結(jié)法和壓延法等[5]。

2.4.3 合成分子篩

粉煤灰主要元素組成是Al和Si，與分子篩組成相似，可用粉煤灰合成沸石。其過程是驅(qū)液的形成，硅鋁酸根溶解與聚合和晶粒生長，傳統(tǒng)合成法有一步法、兩步法和微波輔助法等，新合成法有逐步升溫法和滲析水熱法等，其中水熱合成法應(yīng)用較為成熟和廣泛[21]。目前利用粉煤灰能合成15種沸石，如X型沸石、4A沸石和NaP1沸石等具有較高的Si/Al比，有較強(qiáng)的陽離子交換能力，可凈化氣體和水體，實(shí)現(xiàn)粉煤灰的高附加值利用[22]。

綜上分析，粉煤灰利用途徑逐步實(shí)現(xiàn)多元化、高值化和精細(xì)化發(fā)展。但在高附加值利用技術(shù)中仍面臨二次污染、時長限制和技術(shù)不成熟等諸多問題，需進(jìn)一步優(yōu)化。

3 展望

實(shí)現(xiàn)粉煤灰高值化和全量化消納，不僅能減少環(huán)境污染，也能促進(jìn)經(jīng)濟(jì)循環(huán)發(fā)展，會產(chǎn)生巨大的社會效益、經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益。未來，粉煤灰的資源化利用應(yīng)聚焦于高附加利用研究，如開展粉煤灰中硅鋁元素逐級和協(xié)同回收利用、開發(fā)粉煤灰深度利用技術(shù)。

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Analysis on the Resource Utilization Technology of Solid Waste Fly Ash

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（Xingtai Polytechnic College, Xingtai Hebei 054000, China）

Fly ash is solid waste produced by coal-fired power plants, and its resource utilization is of great significance for resource conservation and environmental protection. In this paper, the characteristics of fly ash were described; the comprehensive utilization of fly ash in the fields of building materials, agriculture, environmental protection and chemical industry was introduced in detail. Focusing on its high-value, refined and industrialized application, somesuggestions on its future development direction were put forward.

Fly ash; Solid waste; Resource utilization; Refinement

2020-05-11

張志華（1992-），女，碩士，河南新鄉(xiāng)人，2018年畢業(yè)于太原理工大學(xué)化學(xué)工程專業(yè)，研究方向：能源化工。

TQ 09

A

1004-0935（2020）09-1142-03