探究固體廢棄物粉煤灰的深加工利用

吳建明 王震 馮會巖 鄭奎虎 袁新文

摘?要：粉煤灰作為固體廢棄物循環(huán)利用的重要材料之一，已經(jīng)為更多人所關(guān)注。然而，長期以來，粉煤灰在具體應(yīng)用中存在一定的局限，并未深入社會生活領(lǐng)域。近些年，隨著生態(tài)循環(huán)發(fā)展理念的盛行，固體廢棄物粉煤灰的深加工利用已經(jīng)被重新挖掘出來。為此，本文從三個方面探討了當(dāng)前粉煤灰的利用情況，進(jìn)一步綜合評價其利用的數(shù)值，并分為四個等級。最后，給出具體的現(xiàn)實應(yīng)用情況。

關(guān)鍵詞：固體廢棄物;粉煤灰;水泥;深加工;利用途徑

隨著煤炭廣泛應(yīng)用，全球粉煤灰排放量呈現(xiàn)逐年增加的趨勢，而如何綜合利用成為亟待解決的關(guān)鍵問題。粉煤灰大量堆放，不僅嚴(yán)重威脅人類健康與周邊的環(huán)境，更浪費(fèi)了寶貴的土地資源。長期以來，粉煤灰作為固體廢棄物沒有得到充分利用，使得污染浪費(fèi)現(xiàn)象極為嚴(yán)重。隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，越來越多的實踐表明，粉煤灰是可以作為可替代資源加以循環(huán)利用的。在資源日漸匱乏的當(dāng)前，粉煤灰如何進(jìn)行深加工應(yīng)用，以實現(xiàn)變廢為寶，成為當(dāng)前研究的熱點之一。然而，現(xiàn)階段我國粉煤灰資源深化利用還存在諸多問題，比如粉煤灰利用缺乏穩(wěn)定途徑、存在二次污染、綜合利用率與利用水平較低等問題。有鑒于此，需要對粉煤灰資源進(jìn)行科學(xué)、系統(tǒng)、客觀地評價與研究，并積極促進(jìn)粉煤灰資源化循環(huán)使用，從而推動資源節(jié)約型社會的發(fā)展。

1 固體廢棄物粉煤灰的資源化利用

在資源匱乏的當(dāng)下，尋找環(huán)保、安全的資源替代高耗能、高污染的資源是解決環(huán)保問題的重要方式。其中，作為固體廢棄物污染之一的粉煤灰，曾被誤認(rèn)為有毒有害的工業(yè)廢渣。但已有研究已經(jīng)證明，它是一種新型的環(huán)保資源。經(jīng)過若干年的發(fā)展，粉煤灰資源化利用的技術(shù)方式已經(jīng)有了新突破。具體來說，固體廢棄物粉煤灰的資源化利用途徑，主要包括建筑工程農(nóng)業(yè)領(lǐng)域、環(huán)保領(lǐng)域、化工汽車領(lǐng)域等。由于涉及領(lǐng)域較多，本文主要從這些領(lǐng)域中篩選比較典型的應(yīng)用進(jìn)行描述，主要從水泥、混凝土、橡膠等領(lǐng)域進(jìn)行論述。

1.1 水泥行業(yè)中的應(yīng)用

從化學(xué)成分來看，粉煤灰主要由SiO2和Al2O3等硅鋁酸鹽材料構(gòu)成，具有黏土的特性，所以可以替代黏土配料生產(chǎn)水泥。同時，將粉煤灰利用的剩余碳投入煅燒水泥熟料的燃料中，可以大量節(jié)約燃料。將粉煤灰深入水泥的混合材料時，關(guān)鍵在于利用其火山灰性質(zhì)，因此根據(jù)摻量不同生產(chǎn)不同類型的水泥產(chǎn)品。其中，在硅酸鹽水泥熟料中，將火山灰質(zhì)材料投入進(jìn)去，通過適量的石膏研磨，即可得到粉煤灰水泥。從上世紀(jì)60年代開始，我國逐步開始生產(chǎn)粉煤灰硅酸鹽水泥。在這些類型的水泥中，大部分按照國家標(biāo)準(zhǔn)瀍河了20%～40%的粉煤灰，比如低比重油井水泥、硫鋁酸鈣水泥等。與普通的硅酸鹽水泥相比，粉煤灰類型的水泥具有較大優(yōu)勢，比如水化熱低、耐硫酸鹽性好，早期強(qiáng)度較低而后期強(qiáng)度增長較快等。另外，由于粉煤灰中都存在一定比例的未燃燒碳，所以在生產(chǎn)水泥過程中通過煅燒燃料，可以大量節(jié)省燃料。

1.2 粉煤灰在混凝土中的應(yīng)用

粉煤灰同樣可以應(yīng)用于混凝土中。在混凝土中摻入部分粉煤灰，可以提高混凝土的性能，從而節(jié)省原料成本。一般而言，粉煤灰能提高混凝土的可泵性，在將混凝土輸送到高處的建筑物時，可以添加粉煤灰加以輔助。在實際應(yīng)用中，上海東方明珠電視塔、金茂大廈都是通過摻粉煤灰泵送混凝土的成功案例。同時，混凝土中摻入粉煤灰可以降低水化熱的有效作用，在具體應(yīng)用中也有較好的案例。比如，上海秦山核電站壁厚1米的混凝土安全殼沒有裂縫出現(xiàn)。另外，上海地鐵工程用管片摻入粉煤灰混凝土，平均滲水高度要比普通混凝土低得多。粉煤灰加氣混凝土的制作，主要是在水泥加入適量氣劑，用粉煤灰做硅質(zhì)材料，通過硬化壓蒸即可得出。它比用硅砂制造的加氣混凝土更具有良好的隔熱性能。

1.3 在橡膠行業(yè)中的應(yīng)用

在橡膠行業(yè)中，粉煤灰的含硅量達(dá)到30%～40%時，可以作為填充劑與碳黑補(bǔ)強(qiáng)而存在。當(dāng)活性粉煤灰的用量增加時，橡膠的膠料挺性在不斷增大，制品收縮減少。同時，由于粉煤灰的膠料相容性較好，在混煉膠中呈現(xiàn)均勻分布特征，其充模性較好，可以應(yīng)用于多種類型的橡膠制品。有學(xué)者在粉煤灰中加入膨潤土和廢橡膠粉末，從而評估材料用作防水材料的可行性。測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該材料的滲出液、水壓傳導(dǎo)率都會隨橡膠含量增加而增加;通過拉伸、壓縮等試驗表明，撕裂強(qiáng)度會隨橡膠含量降低而隨之減少;冷凍試驗說明材料內(nèi)部并沒有較大的缺陷?？傮w來說，在橡膠材料加入粉煤灰之后，所制作的防水材料具有低成本、無污染且安全無毒等優(yōu)勢。

2 固體廢棄物粉煤灰資源化利用的綜合評價

2.1利用評價指標(biāo)體系構(gòu)建

在設(shè)計綜合評價指標(biāo)體系的時候，要按照定量、定性相結(jié)合的方法建立。定量可以使用真實數(shù)據(jù)說明問題，可以通過明確的評價標(biāo)準(zhǔn)量化表達(dá)，讓結(jié)果以明確的方式表達(dá)出來，具有較強(qiáng)的說服力。目前，我國粉煤灰資源化利用的數(shù)據(jù)統(tǒng)計方法還不完善，部分定量數(shù)據(jù)無法及時獲取。但是，定性指標(biāo)能夠反映領(lǐng)域?qū)＜业慕?jīng)驗，說明定量指標(biāo)無法說明的問題。因此，在建立固體廢棄物粉煤灰資源化利用的綜合評價指標(biāo)時，需要利用定性、定量結(jié)合的方法進(jìn)行設(shè)計，確保評價指標(biāo)體系的客觀、系統(tǒng)與科學(xué)。

通過調(diào)查研究企業(yè)年鑒、工藝設(shè)備、統(tǒng)計資料等內(nèi)容，使用量化指標(biāo)體系將粉煤灰排放費(fèi)、儲灰場建設(shè)費(fèi)用，以及廢物排放達(dá)標(biāo)率，以及產(chǎn)品銷售率及粉煤灰利用率等因子進(jìn)行評價，從而實現(xiàn)對粉煤灰資源化利用的達(dá)標(biāo)水平進(jìn)行測試。另外，通過建立粉煤灰資源化利用評分等級體系，以此確定粉煤灰項目等級。具體指標(biāo)如下表所示。

2.2 粉煤灰資源利用的評價方法

建立指標(biāo)體系后，需要通過一定的方法對指標(biāo)進(jìn)行評價。此時，為了分析粉煤灰水泥的性能，在綜合考量指標(biāo)特點的基礎(chǔ)上，通過層次分析法、專家評分等方法確定指標(biāo)權(quán)重及數(shù)值。在上述方法的基礎(chǔ)上，利用Excel導(dǎo)入現(xiàn)場粉煤灰水泥的有關(guān)數(shù)據(jù)及相關(guān)權(quán)重，自動完成計算。計算完成后得出粉煤灰資源化利用的等級劃分。

2.3 指標(biāo)統(tǒng)計與計算

依據(jù)有效回收的調(diào)查表，按照以上方法進(jìn)行模糊統(tǒng)計。將所有已得到的數(shù)據(jù)按照評價標(biāo)準(zhǔn)加總后，除以被調(diào)查人數(shù)，最后得出指標(biāo)性的隸屬度。同時，粉煤灰具有一定量的樣本數(shù)據(jù)，因此在計算的時候采用模糊隸屬函數(shù)的方法對指標(biāo)評價。在此基礎(chǔ)上，構(gòu)造隸屬函數(shù)，確定隸屬各個等級的隸屬度。最后按照如下的步驟進(jìn)行。第一，選取若干數(shù)量不等的觀測作為凝聚點;第二，分配每個觀測點，并通過最近的類來形成臨時分類。另外，為觀測進(jìn)行分類，凝聚點更新為目前的均值。第三步，將分配的凝聚點與觀測點最近的類來形成臨時分類。在完成所有觀測點后，將凝聚點的臨時類的均值代替原有值。此時，將該步驟同時進(jìn)行，直至所有的凝聚點達(dá)到規(guī)定的限制條件。

2.4 粉煤灰資源化利用評價的實現(xiàn)

確定性指標(biāo)和定性定量指標(biāo)，對指標(biāo)進(jìn)行處理。采取專家評分法與德爾菲法，將待評價的項目情況進(jìn)行打分，確定評價指標(biāo)。同時，經(jīng)過調(diào)研數(shù)據(jù)，以及現(xiàn)有的國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行賦值。此時，將不同度量指標(biāo)形成相對數(shù)，并轉(zhuǎn)換為指標(biāo)評價值。通過比較，經(jīng)過一定計算量轉(zhuǎn)化為評價值的方法。具體的實現(xiàn)過程需要通過如下過程。

第一，確定各指標(biāo)的實際值。按照評價指標(biāo)體系測算指標(biāo)的實際值Xi。

第二，確定指標(biāo)的滿意值與不允許值。指標(biāo)值處于理想狀態(tài)時，人們就會比較滿意，這里用Si表示;同時，如果該指標(biāo)不滿足人們最低要求，那么該數(shù)值不會被允許出現(xiàn)，用Fi表示。一般而言，在確定滿意值時通常有兩種情況，一是在行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)確定情況下，需要采用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn);二是沒有確定標(biāo)準(zhǔn)值的情況下，需選取行業(yè)先進(jìn)水平的平均值。

第三，統(tǒng)計指標(biāo)功效系數(shù)?；诜勖夯屹Y源化利用評價指標(biāo)體系，其指標(biāo)的分類需要劃分為正向指標(biāo)、逆向指標(biāo)與適度指標(biāo)。正向指標(biāo)中，實際值與滿意度呈正比，評價值也會隨之增長，比如粉煤灰利用率越高，令人滿意程度越高。逆向指標(biāo)，是實際值與滿意度呈相反情況。而適度指標(biāo)值，是指標(biāo)數(shù)值保持在一定區(qū)域內(nèi)，才可以讓人滿意。

第四，確定粉煤灰資源化利用的指標(biāo)權(quán)重。在確定指標(biāo)權(quán)重時，通常采用層次分析法，通過這種方法進(jìn)行權(quán)重分析時，主要通過如下幾個流程。一是建立遞階層次結(jié)構(gòu)。將待決策的復(fù)雜層次結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析優(yōu)化，是確定指標(biāo)層次分析的重要步驟。具言之，將不同屬性的元素進(jìn)行分類，每一類元素構(gòu)成一個準(zhǔn)則。在同一層次作用下，某一層次的部分元素起到支配作用，也會受到上一個層次的元素支配，這樣會構(gòu)成不同層次的指標(biāo)體系。二是打造兩兩比較的判斷矩陣。根據(jù)層次分析法理論可知，將問題按照層次分解為多個因素，以此實現(xiàn)要達(dá)到的目標(biāo)。

第五，評價結(jié)論。經(jīng)過全面對粉煤灰資源化利用評估體系的評價，以及最終對利用項目等級的劃分，測算出粉煤灰資源化利用的結(jié)果。在具體應(yīng)用中，粉煤灰水泥的測算與應(yīng)用結(jié)果，需要根據(jù)評估指標(biāo)的賦值加以測算。將粉煤灰資源化利用的評價結(jié)果分為四個方面。第一為優(yōu)秀評估項目，綜合評價估值在85分以上;第二等級為良好項目，評價指標(biāo)在70分左右;第三等級的粉煤灰利用項目綜合評價值在65分左右;而最差的粉煤灰資源化利用項目的綜合評分較低，低于60分。

3 固體廢棄物粉煤灰深加工的現(xiàn)實應(yīng)用

關(guān)于粉煤灰與礦渣特性對水泥強(qiáng)度的影響研究已有多年，在具體反映的程度影響及粉煤灰礦渣的反映度卻很少研究。在這種情況下，通過分析粉煤灰對水泥漿體中的影響程度，從側(cè)面查看具體應(yīng)用，具有研究的重要意義。水泥、粉煤灰顆粒是非球形粒子，由于不同原理的力度強(qiáng)度的測量儀器取決于不同“物理特性”，造就不同粒子測量的結(jié)果。例如，通過顯微鏡可以觀察出投影粒子的顆粒大小，通過電阻法將顆粒通過電阻的變化測量顆粒大小。另外，可以借助激光粒子將大小粒子用作氦氖激光作為光源。因此，將上述的研究做法通過計算機(jī)數(shù)據(jù)控制，并將測量過程算出來，是目前最有效的手段。同時，隨著粉煤灰或礦渣比表面積的增加，其顆粒均勻性系數(shù)亦增加，特征粒徑降低;但當(dāng)比表面積增加到一定程度時，比表面積提高會降低顆粒均勻性系數(shù)，在此基礎(chǔ)上，粉煤灰水泥的應(yīng)用效果會比較好的。

在多個粒徑特征參數(shù)中，粉煤灰水泥與礦渣反應(yīng)程度比較緊密。在90天齡期，粉煤灰反應(yīng)程度及表面積粒徑呈線性關(guān)系，因此可以將其作為產(chǎn)品應(yīng)用的質(zhì)量參數(shù)。主要原因在于，表面積平均粒徑可以兼顧比表面積、顆粒分布的特性，更能反應(yīng)粉煤灰與礦渣體的微觀特性。此外，水在粉煤灰水泥材料結(jié)構(gòu)形成過程中，也起著極為重要的作用。一方面，它保障整個水化學(xué)反應(yīng)過程能夠順利進(jìn)行，從始至終反應(yīng)粉煤灰水泥材料的性能發(fā)揮;另一方面，它使得整體混合原材料具有良好的工作性，在很大程度上反應(yīng)水化行為。因此，在粉煤灰水泥應(yīng)用過程中，需要通過1000℃的溫度下，化學(xué)結(jié)合水才能脫離化學(xué)鍵的束縛。但根據(jù)實際情況來看，低溫下，凝膠水不能全部蒸發(fā)，所以對于粉煤灰水泥的應(yīng)用也會存在一定的局限性。另外，根據(jù)現(xiàn)有研究分離得出最優(yōu)價值的分類。

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