粉煤灰資源化綜合利用研究現(xiàn)狀

王 迪 喬 亮 龔 浩 陳圣賀 余軒和

（1.內(nèi)蒙古科技大學(xué)礦業(yè)研究院；2.烏海市公烏素煤業(yè)有限責(zé)任公司）

據(jù)資料顯示，2019年全球煤炭總產(chǎn)量76億t，中國約38億t，全球占比接近50%。2019年我國煤炭消耗量28.10億t，2020年原煤產(chǎn)量38.4億t，煤炭進(jìn)口量3.04億t，較2019年同比增長1.5%。

粉煤灰是燃煤電廠煤粉燃燒后所產(chǎn)生的一種固體顆粒，屬于大宗工業(yè)固體廢渣之一，也稱“飛灰”，排放量巨大。2016年和2017年，我國粉煤的排放量分別達(dá)到了6.55億t和6.86億t，不僅造成了環(huán)境污染，而且其中含有的重金屬對植被、人體都有極大的危害。目前，國內(nèi)外對粉煤灰的利用程度有所差異，2016年全球粉煤灰產(chǎn)量約11.43億t，平均利用率約60%，其中，中國、美國、歐盟、印度的利用率分別約為70%，54%，90%，63%［1］。本文對粉煤灰的理化性質(zhì)以及主要利用途徑進(jìn)行論述，探討粉煤灰資源化存在的問題與發(fā)展前景，為我國粉煤灰的合理利用提供參考。

1 粉煤灰的特性

1.1 物化性質(zhì)

粉煤灰是一種灰色、白色或黑色的粒徑不均勻的球狀物，由結(jié)晶體、玻璃體和少量未燃炭組成，同時也是一種堿性含量高的氧化物，具有結(jié)構(gòu)致密、化學(xué)性質(zhì)相對穩(wěn)定的礦物，粒徑0.5～300μm。我國粉煤灰比表面積300～500 m2/kg，在平均密度上相對較小，約2.1 g/cm3［2］，化學(xué)成分主要包含Al2O3、SiO2、Fe2O3、CaO、MgO、K2O、SO3和未燃盡的碳，鉛、鎘、汞、砷等微量元素，以及鎵和鍺等稀有金屬物質(zhì)。

1.2 礦物組成

粉煤灰中礦物組成取決于原煤的成分，主要受到原煤的形成、沉積的地質(zhì)條件、原煤中無機成分的組成特性的影響，包括非晶相和結(jié)晶相以及少部分炭粒。非晶相中含有大量的玻璃微珠和海綿狀玻璃體構(gòu)成的玻璃體，結(jié)晶相主要是莫來石（3Al2O3·2SiO2）、石英和赤鐵礦等成分。同時，粉煤灰的礦物組成也受燃煤電廠的技術(shù)設(shè)備和運作條件等因素的綜合影響。

2 粉煤灰的資源化綜合利用途徑

現(xiàn)階段，我國粉煤灰的綜合利用途徑主要是工程應(yīng)用型和產(chǎn)品型兩種。工程應(yīng)用型涵蓋了建筑、農(nóng)業(yè)、環(huán)境等領(lǐng)域。產(chǎn)品型是近幾年新興的粉煤灰利用方式，通過對粉煤灰的高附加值精細(xì)提純從中提取氧化鋁、二氧化硅、稀有金屬鎵和鍺，極大程度拓寬了粉煤灰的利用途徑。關(guān)于粉煤灰資源化利用途徑，主要從以下幾個方面進(jìn)行探討。

2.1 粉煤灰用于矸石山自燃滅火

煤矸石自燃會釋放出大量的有毒有害氣體，嚴(yán)重污染大氣環(huán)境，其受到雨水的沖刷，還會對生態(tài)和水資源造成污染。目前，國內(nèi)外防治矸石山自燃主要是以黃土為原材料，通過表面封閉法、注漿滅火法、覆蓋法等進(jìn)行治理。以烏海地區(qū)為例，由于烏海矸石山眾多，矸石山自燃嚴(yán)重，對當(dāng)?shù)氐拇髿猸h(huán)境造成了嚴(yán)重的污染，且烏海地區(qū)黃土資源極度匱乏。鑒于此，內(nèi)蒙古科技大學(xué)張金山教授在多年粉煤灰研究的基礎(chǔ)上，利用當(dāng)?shù)胤勖夯业让夯虖U成功制備了代替黃土的注漿材料，已在工程中投入應(yīng)用，且效果良好，實現(xiàn)了“以廢治廢”的綠色理念。

2.2 在建筑工程中的應(yīng)用

當(dāng)前，絕大部分的粉煤灰主要應(yīng)用于建筑工程中，如生產(chǎn)水泥、混凝土、建造材料以及工程填筑。作為一種輔助性膠凝材料，粉煤灰與黏土在化學(xué)成分上具有相似性，因此，作為原材料或添加劑［3］，可直接替代黏土生產(chǎn)水泥，也可替代一部分黏土用作生產(chǎn)水泥熟料。將部分粉煤灰替代水泥摻入混凝土中，對混凝土的界面結(jié)構(gòu)有改善作用，從而在其強度、和易性、密實度和干燥收縮性上達(dá)到增強的作用。此外，在建造以及工程填筑中粉煤灰已成功大規(guī)模使用。

2.3 在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

（1）改良土壤。粉煤灰中因其粉砂和黏土的粒徑結(jié)構(gòu)、高持水力等優(yōu)點，是土壤改良劑的合適選擇。在鹽堿地上，能夠改善土壤孔隙度、和易性和保水能力，進(jìn)而防止鹽害幼苗。在黏土地和酸性土壤上，可中和酸性土壤，提高土壤的品質(zhì)。Lee等評估了添加堿性粉煤灰的粉砂壤土和壤土沙土中的水稻生產(chǎn)力；結(jié)果表明，粉煤灰在調(diào)節(jié)土壤pH值中起到了良好的作用，進(jìn)而促進(jìn)了水稻對Si、P、K的吸收。此外，粉煤灰在治理沙化土地、固定流沙上的效果也十分顯著。

（2）制化肥。粉煤灰作為肥料可以改善土壤的理化性質(zhì)，其有機成分能為植物生長提供有益成分。HaiFeng Su等［4］提出施用粉煤灰微生物肥可提高廢棄礦山的土壤肥力，并驗證了薏米和小葉紅楊的增綠效果。目前，由粉煤灰生產(chǎn)的化肥主要有硅肥、硅鈣肥、磁性復(fù)合肥、煤灰磷肥。硅肥能夠增強作物莖稈的機械強度，提高抗倒伏能力85%以上以及提高作物對病蟲害的抵抗力和成果率。硅鈣肥中主要是SiO2發(fā)揮作用，具有增產(chǎn)的效果。

（3）覆土造田。粉煤灰覆土造田就是將粉煤灰作為填充料引入山谷、洼地、低坑，覆土后進(jìn)行種植農(nóng)作物。在摻入粉煤灰的土壤上種植小麥、黃豆、蔬菜類、藥材類植物都比在土壤上種植要增產(chǎn)。段萬明對其原因進(jìn)行研究得出，當(dāng)粉煤灰摻入黏土后，使土壤性質(zhì)發(fā)生改變，致使摻入粉煤灰的黏土底層具有透氣作用，透水性能提高；上層表面在抵抗蒸發(fā)、保水、保肥方面都比純灰種植要好。

2.4 在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用

（1）廢水處理。粉煤灰作為一種多孔炭粒材料，通過吸附作用可以很好地去除廢水中的磷、氟、重金屬離子、染料、表面活性劑、酚、油類等物質(zhì)，去除率均可達(dá)75%以上［5］，其實現(xiàn)凈化的途徑主要是吸附、沉淀、過濾。粉煤灰在高酸堿度下，去除重金屬離子高達(dá)40%～90%。未燃的炭可以吸附印染廢水、染料、油類等物質(zhì)，達(dá)到脫色、過濾的效果。

（2）廢氣處理。粉煤灰脫硫的方式主要有粉煤灰干式脫硫、噴霧干燥脫硫和增濕活化脫硫。一方面，由于粉煤灰中的CaO、MgO和Na2O等金屬氧化物水溶液呈堿性，可用于去除煙氣中的SO2；另一方面，粉煤灰中未燃的碳可用作活性炭吸附氮氧化物的前驅(qū)體，作為煙氣脫硫和脫氮的吸附劑，也可去除汞蒸氣［6］。

2.5 在分離回收中的應(yīng)用

（1）空心微珠?？招奈⒅槭菑姆勖夯抑刑崛〕龅囊环N球形漂珠，由于其原料易得、耐高溫、質(zhì)輕等特點，廣泛應(yīng)用于航空航天、機械、化學(xué)等領(lǐng)域［7］，其分離的方法分為干法分離和濕法分離。濕法分離利用水作為分離流體，其不足之處是分離工序繁多，只適用于水泥和混凝土摻合料。干法分離與濕法分離預(yù)期結(jié)果相似，分離率都約為70%［8］，其中風(fēng)力篩選就是干法分離的一種。

（2）回收磁珠。粉煤灰磁珠是一種磁性陶瓷微珠，因富含F(xiàn)e、Fe2O3、Fe3O4而具有磁性，同時又具有多微孔結(jié)構(gòu)，所以成為一種重要的礦產(chǎn)資源。磁珠占粉煤灰含量的4%～18%，密度3.1～4.2 g/cm3。工業(yè)上分選磁珠的方法主要是干式磁選和濕式磁選。目前，國內(nèi)和山東各電廠以濕式磁選為主。磁珠可廣泛用于磁種材料、磁性吸附劑的原材料中，在污水處理中也有所應(yīng)用，如磁絮凝處理、催化降解及重金屬吸附。

（3）回收炭。粉煤灰中的炭粒大部分以單體的形式存在，密度1.6～1.8 g/cm3，呈海綿狀和蜂窩狀，多孔、親油疏水，具有良好的吸附性。目前，我國火力發(fā)電廠排放的粉煤灰中殘?zhí)苛績H3%～5%，且品質(zhì)較好。分離炭的方法分為干法和濕法，干法主要是燃燒法、電選法、流態(tài)法，濕法主要是浮選法。回收炭廣泛用于燃料或碳衍生材料、建材摻合料，活化后可用作吸附劑，造粒后可用作焦炭填料［9］。

2.6 高附加值精細(xì)化的應(yīng)用

（1）合成沸石。粉煤灰是沸石合成的良好前體。粉煤灰基沸石的合成方法主要有一步水熱法、兩步水熱法、堿熔融法、鹽熔融合成法、微波輔助水熱法、晶種法等。一步水熱法、兩步水熱法屬于單純水熱法。堿熔融法是將NaOH與粉煤灰混合，一般生成A型和X型沸石。A型沸石在洗滌助劑領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，X型沸石作為吸附劑在石油化工、精細(xì)化工領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

（2）提取稀有金屬。粉煤灰中含有許多高附加值的稀有金屬，如鎵（Ga）、鍺（Ge）、釩（V）、鎳（Ni），提取金屬鎵、鍺和釩通常在高溫高壓條件下進(jìn)行。鎵廣泛應(yīng)用于光電以及商業(yè)中，目前提取鎵的方法主要有還原熔煉法、酸浸法和堿浸法。金屬鍺廣泛應(yīng)用于制造發(fā)光二極管、紅外光學(xué)、光纖等方面，提取方法主要有沉淀法、萃取法、氧化還原法等。袁春華等采用堿熔-碳酸化法提取鎵，提取率高達(dá)89.14%。劉匯東等采用水浸法、酸浸法提取鎵，提取率分別達(dá)84.70%和80.07%。

（3）制備陶瓷。目前，我國以粉煤灰為原材料制備的陶瓷主要是傳統(tǒng)陶瓷、玻璃以及玻璃陶瓷。苗慶東等以粉煤灰制備的陶瓷泡沫材料具有強度高、大孔徑導(dǎo)熱系數(shù)低的優(yōu)點。粉煤灰也是制備多孔陶瓷的優(yōu)勢原料，吳立凡等通過試驗得出，當(dāng)粉煤灰和造孔劑摻量分別為45%和30%、燒結(jié)溫度為1 200℃時，多孔陶瓷綜合性能最好。

2.7 其他方面的應(yīng)用

在催化劑領(lǐng)域，粉煤灰作為一種富含Si、Al的復(fù)合載體，相比單一載體在催化劑中有著突出的優(yōu)勢。目前，粉煤灰負(fù)載催化劑在脫氧、脫氮、H2生產(chǎn)、加氫裂化和烴類氧化中都表現(xiàn)出了良好的催化活性。此外，粉煤灰在噪聲防治中也有所應(yīng)用，主要用于制備泡沫玻璃、粉煤灰雙層GRC隔墻板、粉煤灰輕質(zhì)隔聲內(nèi)墻板和粉煤灰纖維棉防火吸聲吊頂板等材料。

3 展望與結(jié)論

粉煤灰不僅僅是廢棄物，利用得當(dāng)將成為寶貴的資源。我國是燃煤大國且穩(wěn)居世界第一，未來燃煤電廠將持續(xù)占據(jù)首要地位，由此將造成粉煤灰大量堆積、資源浪費和環(huán)境污染等一系列問題。目前，我國粉煤灰大批量用于建筑領(lǐng)域，雖然出臺了相應(yīng)的國家政策與標(biāo)準(zhǔn)，但與此同時將會造成二次污染。由于粉煤灰回收技術(shù)成本高，粉煤灰在高附加值領(lǐng)域的應(yīng)用正處于研發(fā)階段，利用率低于5%。未來，應(yīng)拓寬粉煤灰資源化利用的領(lǐng)域，集中于高附加值的研究利用，走綠色發(fā)展道路。