電廠粉煤灰再利用的優(yōu)化策略

項(xiàng)良友

（浙江天地環(huán)?？萍脊煞萦邢薰?，杭州 310000）

現(xiàn)階段，我國(guó)正在大力推進(jìn)電力能源結(jié)構(gòu)改革，但在資源分布和新能源發(fā)電的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性等因素影響下，燃煤發(fā)電依然占據(jù)著重要地位?！吨袊?guó)電力行業(yè)年度發(fā)展報(bào)告2021》顯示，2020年，我國(guó)全口徑發(fā)電量為76 264 億kW·h，燃煤發(fā)電量為46 296億kW·h，約占總發(fā)電量的60.7%。粉煤灰是燃煤發(fā)電形成的固體廢棄物之一，消耗1 t 原煤能夠形成250 ～300 kg 粉煤灰。要想降低粉煤灰對(duì)生產(chǎn)企業(yè)運(yùn)營(yíng)成本、環(huán)境污染帶來(lái)的壓力，就需要優(yōu)化粉煤灰的再利用，促進(jìn)利用率的提高，大力發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)。

1 電廠固體廢棄物產(chǎn)生的機(jī)理

燃煤發(fā)電廠在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中需要消耗大量煤炭資源，這些煤炭在燃燒后會(huì)將化學(xué)能轉(zhuǎn)變成熱能，然后將水轉(zhuǎn)變成水蒸氣，汽輪機(jī)在水蒸氣的作用下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)發(fā)電目標(biāo)。將煤炭放置到鍋爐中進(jìn)行燃燒，會(huì)形成許多溫度較高的氣體，在引風(fēng)機(jī)、除塵機(jī)、濕法脫硫裝置等的作用下，凈化后的煙氣會(huì)直接排入大氣。燃燒結(jié)束后形成的煤渣則會(huì)進(jìn)入渣斗，除塵機(jī)會(huì)結(jié)合除灰裝置排除粉塵。燃煤發(fā)電廠發(fā)電時(shí)，固體廢棄物的形成過(guò)程如圖1 所示。

圖1 固體廢棄物的形成過(guò)程

粉煤灰和煤渣均屬于燃煤發(fā)電廠在發(fā)電過(guò)程中所產(chǎn)生的主要固體廢棄物。鍋爐爐膛性能與煤炭品質(zhì)和最終形成的粉煤灰、煤渣比例緊密相關(guān)。我國(guó)電廠較為常用的鍋爐及其性能如表1 所示。以上鍋爐中，最常用的是煤粉爐，其在煤炭燃燒過(guò)程中的爐內(nèi)溫度高，燃燒不充分的情況少。煤粉爐內(nèi)部面積較大，可以提高蒸發(fā)量，增加煤粉和空氣的接觸面積，實(shí)現(xiàn)充分燃燒。

表1 不同類型鍋爐所排放的灰塵濃度和粉煤灰比例

2 電廠粉煤灰再利用的優(yōu)化措施

2.1 合理運(yùn)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)

粉煤灰不僅含有硅化物、鐵化物、鋁化物等，還含有少量的硼、鎂、鋅、鈣、鈉等元素。粉煤灰的磷、鉀等元素含量高，可以改善土壤性質(zhì)。粉煤灰能夠作為原材料或添加劑，制成特種肥料，如磁化復(fù)合肥、硫酸鉀復(fù)合肥等。受鈣等元素影響，粉煤灰呈堿性，制作的化肥pH 處在8 ～9，能夠改良酸性土壤。磁化粉煤灰能夠生產(chǎn)磁化肥，其可激化土壤磁性，增強(qiáng)微量元素活性，提高含水量，有利于植物吸收水分等，進(jìn)而提高農(nóng)作物產(chǎn)量。粉煤灰復(fù)合肥指的是將其他元素融入粉煤灰中，諸如硅等，通過(guò)相應(yīng)工序制成粉煤灰硅鉀肥、硅鈣肥等，利于植物生長(zhǎng)。粉煤灰磁化復(fù)合肥的制作工藝流程如圖2 所示。

圖2 粉煤灰磁化復(fù)合肥的制作工藝流程

2.2 制備建筑材料

國(guó)內(nèi)外對(duì)粉煤灰進(jìn)行再利用，其主要用于生產(chǎn)建筑材料，如水泥、混凝土等。產(chǎn)品附加值整體不高，但能夠消納許多粉煤灰且成本低，所以其成為粉煤灰再利用的主要途徑。粉煤灰含有較多的CaO，其具備良好的黏結(jié)性和火山灰特性。CaO 含量超過(guò)15%的粉煤灰被稱為C 型粉煤灰，不超過(guò)15%的為F 型粉煤灰。其中，后者只存在火山灰特性?？衫梅勖夯业幕鹕交一钚?，將其制作成水泥。粉煤灰內(nèi)的大部分顆粒物表面光滑。水泥窯粉塵和粉煤灰混合，能夠制作黏結(jié)劑，其擁有良好的火山灰特性，能夠運(yùn)用在建筑領(lǐng)域。將此類黏結(jié)劑添加到混凝土骨料、砌塊中，能夠創(chuàng)造良好的經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)境效益。此類黏結(jié)劑強(qiáng)度良好且耐久性強(qiáng)。粉煤灰基建材料能夠減少耗水量，提高建筑材料強(qiáng)度，降低溫室氣體排放，減少施工成本。

2.3 生產(chǎn)微晶玻璃

整體析晶法、燒結(jié)法和溶膠-凝膠法是微晶玻璃的主要生產(chǎn)工藝，利用粉煤灰制作微晶玻璃時(shí)，通常采用前兩種方法。其中，整體析晶法最早用于制備微晶玻璃，現(xiàn)階段依然運(yùn)用廣泛，工藝機(jī)理為：均勻混合玻璃原料和晶核劑，制作成玻璃配合料，然后在高溫作用下形成熔融玻璃液，澄清一段時(shí)間后，可運(yùn)用熱處理方式讓其核化和晶化，最終得到結(jié)構(gòu)均勻的微晶玻璃制品。該方法能夠運(yùn)用吹制、壓制、拉制等玻璃成形方式。燒結(jié)法難以生產(chǎn)異型微晶玻璃制品，同時(shí)部分制品會(huì)出現(xiàn)氣孔，但此方法不必運(yùn)用晶核劑，可降低原料成本。同時(shí)，該方法可以簡(jiǎn)單調(diào)整制品規(guī)格、厚度等，所以其在微晶玻璃生產(chǎn)中廣泛運(yùn)用。粉煤灰微晶玻璃熔制溫度為1 300 ～1 500 ℃，退火溫度為550 ℃，核化溫度為650 ～750 ℃，晶化溫度為850 ～1 100 ℃。

2.4 提取金屬元素

粉煤灰含有的部分元素能夠應(yīng)用于電信、航天、光通信等行業(yè)，如鍺、鎵、釩、鈦等。粉煤灰內(nèi)的鍺元素可通過(guò)單寧共沉淀法、活性炭吸附法、樹(shù)脂交換法等方式分離出來(lái)。研究表明，離子交換法可以順利提取粉煤灰內(nèi)的鍺元素，鍺和鄰苯二酚進(jìn)行絡(luò)合，產(chǎn)物會(huì)保留在強(qiáng)堿性陽(yáng)離子樹(shù)脂中，至多能夠達(dá)到215.5 mg/g，然后通過(guò)50%鹽酸乙醇溶液洗脫鍺絡(luò)合物。提取粉煤灰內(nèi)的鎵元素時(shí)，需要采取鹽酸酸浸與溶解煤油內(nèi)的離子交換樹(shù)脂雙溶劑（Amberlite LA-2和LIX 54）萃取方法，即在酸浸出液中利用LA-2 提取鎵和鐵，再通過(guò)NaOH 沉淀鐵，鎵則會(huì)在酸浸出液中溶解，如此便能夠通過(guò)LIX 54 將鎵提取出來(lái)。酸浸出液可以提取粉煤灰內(nèi)83%的鎵元素。

粉煤灰還含有較多鋁元素，提取方式主要為煅燒法和酸浸出法。微波輻射煅燒法是煅燒法的代表工藝，可根據(jù)一定比例對(duì)粉煤灰和碳酸鈣進(jìn)行混合，然后通過(guò)微波對(duì)其進(jìn)行輻射煅燒，800 ℃溫度加熱1 min 后，氧化鋁的提取率為95%。微波輻射煅燒法速度快、能耗低，氧化鋁提取率高。同時(shí)，900 ℃溫度條件下對(duì)粉煤灰、碳酸鈉進(jìn)行煅燒，能夠形成可溶性鋁酸鹽，然后利用硫酸浸出燒結(jié)產(chǎn)物，形成鋁元素溶液，萃取率能夠達(dá)到98%。盡管還有其他方式能夠在粉煤灰內(nèi)提取鋁且效率高，但大都存在缺點(diǎn)，停留在實(shí)驗(yàn)室階段。

2.5 通過(guò)改性吸附廢水中氨氮

粉煤灰具有多孔性，比表面積大，改性可增強(qiáng)其吸附性能。改性粉煤灰可吸附廢水中氨氮，可利用HCl、NaOH、NaCl、NaCO等對(duì)粉煤灰進(jìn)行改性。研究發(fā)現(xiàn)，根據(jù)改性效果，4 種改性劑的排序?yàn)镹aOH ＞NaCO＞NaCl ＞HCl；NaOH 改性粉煤灰對(duì)廢水中氨氮的去除率為46.55%，最佳條件為NaOH濃度5 mol/L、85 ℃恒溫、攪拌4 h。

3 結(jié)語(yǔ)

粉煤灰作為一種二次資源，已被廣泛應(yīng)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、建材制備、環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域。目前，生產(chǎn)建材依然是粉煤灰再利用的主要途徑，雖然它可以提高利用率，但產(chǎn)品附加值低。粉煤灰再利用需要將高附加值產(chǎn)品作為主攻方向，在工業(yè)化生產(chǎn)中融入技術(shù)成熟、工藝簡(jiǎn)單、成本低的科技成果。粉煤灰再利用不僅可以減少電廠儲(chǔ)灰場(chǎng)建設(shè)的資金投入，降低粉煤灰對(duì)環(huán)境的影響，也可增加就業(yè)，節(jié)能減排，產(chǎn)生一定的經(jīng)濟(jì)效益。