浅析中国粉煤灰的综合利用现状

张祥成，孟永彪

（新疆大学化学化工学院，新疆乌鲁木齐830046）

粉煤灰又称飞灰，是火电厂燃煤发电所排放的一种固体废弃物，也是一种黏土类火山灰质材料［1］。2016年和2017年，中国粉煤灰的产量分别为6.55亿t和6.86亿t，综合利用率分别为74.20%和75.35%。根据灰色模型估计，2020年中国粉煤灰的产量将达到7.81亿t，2024年将达到惊人的9.25亿t。中国粉煤灰的产量不仅巨大，也存在严重的地区分布不平衡的问题。在中国东南部及一些发达地区，粉煤灰的利用率非常高，甚至出现供不应求的局面。而在中西部地区，如新疆、内蒙古、山西等地，煤炭产量高，粉煤灰产量也很大，但受经济发展条件和运输成本等条件的限制，其利用率不超过15%［2］。粉煤灰占用土地，污染水源，可对环境造成巨大的破坏。所以充分认识和利用粉煤灰，是推动中国电力工业及相关产业可持续发展的关键。在20世纪50年代，中国就已开始粉煤灰的利用，并在20世纪60年代成立专门的机构来开展这项工作。目前，粉煤灰主要是用于建材［3］、化工［4］、污 水和 烟气处理［5-7］等工 业领域，也应用于土壤改良［8-9］、化肥生产［10］等农业领域。相比国外，中国的粉煤灰利用率较低，因此如何合理而高效地大规模综合利用粉煤灰成为科研工作者一项亟待突破的艰巨任务。

1 粉煤灰的物化性质

1.1 物理性质

粉煤灰是外观相似、颗粒较细而不均匀的多相物质［11］。在显微镜下发现粉煤灰为结晶体、玻璃体及少量未燃炭组成的混合体［12］。粉煤灰因煤源和成煤作用等因素的不同具有较大的性质差异。表1所示为几项粉煤灰的基本物理性质。

表1 粉煤灰的物理性质

1.2 化学性质

粉煤灰是一种火山灰质混合材料，易与NaOH反应生成具有凝胶性能的化合物，可用于生产建筑材料。粉煤灰中主要的氧化物是SiO2和Al2O3，质量分数占80%以上［13］，其次还有少量的其他氧化物。粉煤灰的化学成分由于煤源、品种等因素的差异有所不同，其主要成分见表2。

表2 粉煤灰的主要化学组成 %

2 粉煤灰综合利用

2.1 建筑建材方面的应用

2.1.1 粉煤灰水泥

粉煤灰主要由活性SiO2和Al2O3组成，因此可用作水泥生产中黏土组分的替代品。粉煤灰广泛用于水泥生产，可以提高产量，降低成本，改善水泥某些性能。宿静［14］通过对粉煤灰球磨得到不同粒径的粉煤灰，并对比分析了这些粉煤灰样品所制得水泥的抗压强度，发现当粉煤灰掺量为60%（质量分数，下同）时，粒径在18～23 μm的粉煤灰颗粒对水泥早期和中期抗压强度的增进作用最大，28～32 μm的粉煤灰颗粒可以提高水泥后期抗压强度。邱瑞芳等［15］以循环流化床锅炉中排出的粉煤灰为原料，经蒸汽动能磨粉制得超细粉煤灰，发现在超细粉煤灰、熟料、石膏质量比为40∶57∶3的条件下，当粉煤灰粒径为5 μm时，制得的水泥各项性能最好，强度达到PF52.5等级。

2.1.2 粉煤灰混凝土

实践证明，在配制混凝土时加入适量的粉煤灰，可以改善混凝土的性能，提高产品质量，降低产品的生产成本和工程成本。赵志方等［16］采用绝热模式和温度匹配模式2种温度历程养护模式，完成参照混凝土和超高掺量混凝土的温度应力实验，结果发现随着粉煤灰掺量的增加，热膨胀系数减小。姚烈波［17］通过颗粒整形技术将废弃砂石骨料制成Ⅰ类再生粗骨料，与一定比例的粉煤灰混合制得粉煤灰类再生混凝土，发现Ⅰ级粉煤灰再生混凝土与Ⅱ级粉煤灰再生混凝土相比，前者的抗冻性能要高，且当粉煤灰掺量为20%时，2种粉煤灰再生混凝土抗冻性能最好。

2.1.3 烧结粉煤灰砖

烧结粉煤灰砖是以粉煤灰和黏土为主要原料，辅以其他工业废渣，经一系列工序烧结而成［18］。烧结粉煤灰砖具有质量轻、黏土消耗量少、焙烧周期短、质量好等优点。杜漫亚［19］在粉煤灰、黏土、激发材料的质量比为 7∶2∶1 的条件下，1 000 ℃下焙烧 2 h，制得粉煤灰烧结砖，通过与普通黏土砖对比发现，粉煤灰烧结砖用灰量大，砖的质量要比黏土烧结砖低5.5 kg/块，此外它还具有成本低、烧结快、产量高等优点。海龙等［20］以玻璃粉为助溶剂，在煤矸石与粉煤灰质量比为3∶7的条件下制得烧结砖，得到最优的工艺条件：砖坯成型水分为12%（质量分数），成型压力为30 MPa，烧成温度为1 150℃，保温时间为100 min，升温速率为80℃/h，制得的砖块符合相关国家质量标准。

2.1.4 粉煤灰砌块

与黏土制品相比，粉煤灰砌块质量轻、强度大、保温性和耐久性好，还可以减少施工周期，降低施工成本。陈胜强等［21］在固定石灰和石膏用量的基础上，考察了粉煤灰掺量对蒸压粉煤灰空心砌块的性能的影响，结果发现当粉煤灰掺量为65%时，砌块的抗压强度最大，达到了5.8 MPa，碳化系数为0.88，干燥收缩值为0.49 mm/m，密度为700～800 kg/m3，非常适用于中高层建筑填充墙。陈燕菲等［22］在固定水料比的基础上，将不同量的水泥和粉煤灰加入到空心砌块中，发现当水泥和粉煤灰的掺量分别为16%和4%时，砌块抗压强度为5.7 MPa，密实度等级达到国家标准的要求；当水泥掺量为20%时，增加粉煤灰掺量，砌块抗压强度和密度也有所增加，当粉煤灰掺量为5%时，抗压强度最大，达到11.6 MPa。

2.1.5 粉煤灰砂浆

使用粉煤灰替代传统建筑砂浆中的水泥和砂等组分，配置成粉煤灰砂浆可以有效降低施工成本，同时也能保证项目质量。吴福飞等［23］研究了粉煤灰掺量对砂浆性能的影响，发现当掺量为20%时，粉煤灰砂浆的抗压强度比纯水泥砂浆要高，此时粉煤灰的火山灰活性较高；掺量大于20%时，粉煤灰主要起到的是填充作用，所以粉煤灰砂浆的抗压强度会有所降低。刘宇等［24］研究胶凝材料浆体时发现，当粉煤灰掺量为28.5%时，浆体的屈服应力由1.36 MPa减少为0.26 MPa，塑性黏度下降了25%，触变环面积是未掺灰浆体的0.52倍。俞瑾等［25］在脱硫石膏基砂浆中掺入不同量的粉煤灰，发现砂浆的稠度有所增大，当粉煤灰掺量为20%时，砂浆的1 d和3 d抗压强度达到最大值；当掺量为30%时，砂浆的28 d抗压强度达到最大值。

2.1.6 粉煤灰陶瓷

以废料陶瓷、建筑垃圾、河道淤泥等作为原料，通过采用先进的发泡方法和生产工艺条件，高温焙烧制造出的泡沫陶瓷材料，具有气孔率高、比表面积大、耐高温和耐腐蚀等优点。陈芳［26］以粉煤灰（掺量为47.5%）、玻璃粉（掺量为42.5%）和瓷粉（掺量为10%）为主要原料，加入一定量的硼酸和硫酸作为发泡剂，制得抗压强度达到8.01 MPa的优质泡沫陶瓷，并且吸水率小，气孔率大。左绪俊等［27］在粉煤灰、Al2O3、淀粉、TiO2质量比为 40∶4∶5∶1 的条件下制得粉煤灰基多孔陶瓷膜，烧成温度为1 200℃，保温时间为0.5 h，所制得的陶瓷膜性能良好，平均孔径为2 μm，水通量为 1 201 L/（m2·h·MPa），耐酸度和耐碱度都达到了95%以上。张冬梅等［28］以粉煤灰（掺量为42%）、废瓷粉（掺量为30%）和山皮土（掺量为28%）为泡沫陶瓷基料，加入质量分数为6%的发泡剂SiC，采用原味发泡法制得孔隙率为70.66%、体密度为0.47 kg/m3、抗压强度为2.22 MPa的泡沫陶瓷。

2.2 农业方面的应用

2.2.1 改良土壤

粉煤灰的粉砂粒占92%，黏性颗粒占8%，保水能力为57%，导热系数小，亲水性弱，容重低，孔隙率为70%。在黏质土壤中加入适量的粉煤灰，可以有效保存土壤中的水、气、热、肥。粉煤灰的加入也能够提高土壤中微生物的活性，有利于植物的生长［29］。胡雅［30］使用不同改良材料，对复垦土壤做了改良研究，发现添加有机肥和粉煤灰混合材料，使0～15 cm土层中的有机质含量最多，且小麦连续2 a产量较高，说明这种混合材料对土壤的改良效果较好。范娜等［31］使用醋糟和粉煤灰对盐渍地进行改良，发现二者在质量比为1∶1时能够有效提高盐渍地中速效钾和速效磷的含量，和处理前相比，土壤容重下降了28.6%，提高了土壤通气性，有利于植物生长。

2.2.2 粉煤灰制化肥

粉煤灰含有迄今已知的植物生长所需的16种主要元素和其他营养素，是一种优质的复合肥料。由于其含量少，要想只使用粉煤灰肥达到理想的增产效果，就必须施用大量粉煤灰，但粉煤灰施用过多也会对田地造成损害。据此，人们将粉煤灰进行加工处理，制成多种高效复和化肥。这种化肥具有非常好的增产效果，并且价格低廉，用量较少。目前，市面常见的有粉煤灰硅钙肥、粉煤灰复混肥，粉煤灰磁化肥等，这些肥料的肥效较长，增产效果也较明显。孙克刚等［32］研究粉煤灰磁化肥对杂交水稻产量的影响时发现，926 kg/hm3为粉煤灰磁化肥最佳施用量，水稻产量为9 131 kg/hm3，比当地传统施肥增产870 kg/hm3，增幅为 70.6%。 庞喆等［33］将粉煤灰和有机肥混合使用，发现混合肥能够提高土壤表层7.5 cm处温度，与其他处理相比，混合肥处理水分利用率最大，为 23.52 kg/（hm2·mm），2 a 的玉米产量也提高了75%。

2.3 化工方面的应用

2.3.1 合成分子筛

分子筛是一种用碱、铝、硅酸钠等合成的泡沸石晶体。因其吸附能力强，可以筛分不同大小的分子，所以广泛用于催化、吸附等领域。李晓光等［34］采用水热合成法制备粉煤灰基X型沸石分子筛，确定合成的最佳条件为碱液浓度0.75 mol/L、硅铝物质的量比为 2.8、固液比（mL/g）为 9、晶化温度为 90℃、晶化时间为10 h，在此条件下实现了对NH4+的高效去除。郭培英［35］以粉煤灰为原料，采用酸法-碱法合成A型分子筛，确定最佳晶化温度为95℃，晶化时间为6 h。

2.3.2 提取氧化铝

粉煤灰中Al2O3的含量仅次于SiO2，因此，从粉煤灰提取铝资源成为国内外学者研究的重点。目前，从粉煤灰中提取氧化铝的工艺主要有碱法、酸法、酸碱联合法。陈延信等［36］采用碱石灰烧结法从粉煤灰中提取氧化铝，最佳工艺条件：m（Na2O）∶m（Al2O3）=1.10、m（CaO）∶m（SiO2）=1.00、烧结温度为 1150℃、烧结时间为60 min，在此条件下粉煤灰熟料中Al2O3的溶出率可达96%左右，完全能满足工业生产的要求。王锰［37］以高铝粉煤灰为研究对象，采用单一酸法提取氧化铝，确定最佳条件：质量分数为32%的盐酸、酸灰比（mL/g）为 2.5、温度为 170℃、时间为180 min，此时氧化铝的浸出率达到最高，为76.04%；采用混合酸浸出氧化铝，在同等条件下，HCl-H2SO4体系中氧化铝的浸出率为83.07%，HCl-H3PO4体系中氧化铝浸出率为74.78%，说明混合酸HCl-H2SO4体系浸出铝的效果最好。

2.3.3 提取稀有金属

粉煤灰中含有镓、锂、钒、镍等微量稀有金属元素，对这些微量元素进行提取和高附加值利用，是实现粉煤灰精细化利用的重要途径。Sandra Vitolo等［38］通过煅烧、酸洗、氧化沉淀的方法来分离回收粉煤灰中的钒，发现在850℃下钒的回收率达到83%。刘汇东等［39］将粉煤灰与无水碳酸钠混合，在860℃下煅烧0.5 h，采用水浸法提取镓，提取率达到84.70%，采用酸浸法提取稀土，提取率达到80.07%。侯永茹等［40］将粉煤灰、碳酸钠和碳酸钙在质量比为1∶1∶0.8的条件下灼烧 1.5 h，温度为 1 200 ℃，再用二氧化锰分子筛对粉煤灰中的锂进行吸附，吸附率为80%～85%。

2.4 环保方面的应用

粉煤灰中所含物质多呈不规则多孔形式，比表面积大，同时粉煤灰中还含有一些活性基团，这就使其具有较强的吸附能力，能够作为吸附剂处理污水和烟气［41］。粉煤灰的吸附主要表现在物理吸附和化学吸附2个方面［42］，正常情况下，物理吸附及化学吸附作用同时存在，但在溶液浓度、温度、吸附时间等不同条件下体现出的优势不同。

2.4.1 污水处理

李蕊等［43］采用硫酸、黏土和碳酸钙对粉煤灰进行改性，发现改性粉煤灰对废水中Ni2+的去除率要比未改性粉煤灰高30%左右，且在pH=6、吸附时间为2 h、反应温度为120℃的条件下，Ni2+的去除效果最好，去除率可达到97.68%。骆欣等［44］将粉煤灰与Na2CO3按质量比3∶1混合，在800℃下煅烧2 h，得到改性粉煤灰，用改性粉煤灰吸附废水中的Pb（Ⅱ），发现当粉煤灰投加量为0.2 g、吸附时间为0.5 h时，Pb（Ⅱ）的脱除率达到了97.77%，且Pb（Ⅱ）溶液pH为4～10时，Pb（Ⅱ）的脱除效果最好，脱除率均达到96%以上。张瀮升［45］利用原状粉煤灰和经H2SO4预处理后的改性粉煤灰吸附工业废水中的Cu2+，发现同等条件下原状粉煤灰吸附效率最高为67.02%，而改性后粉煤灰吸附效率最高为96%，且在溶液pH=5、温度为28℃、时间为2 h时吸附效果最好。

2.4.2 烟气处理

张德见等［46］采用火法-湿法对粉煤灰改性，发现改性后的粉煤灰可以有效地处理沥青烟气，吸附率保持在95%以上，吸附速度几乎不受气速影响。改性后的粉煤灰比表面积为140 m2/g，孔隙率为83.1%，而原状粉煤灰的比表面积只有2.8 m2/g，孔隙率为33.1%。邓慧敏等［47］将粉煤灰基脱汞吸附剂在质量分数为5%的NaCl溶液中浸渍3 h，得到改性吸附剂，将吸附剂用于三段式烟气脱汞实验时发现，汞的脱除率能达到78.90%。郭慧娴等［48］将煅烧后的粉煤灰与适量的 Ca（OH）2、Na2SiO3·9H2O 和蒸馏水混合，经水热化合反应之后得到改性粉煤灰，用改性粉煤灰作为吸附剂脱除烟气中的SO2，发现在相同条件下，当粉煤灰含湿率为30%时，脱硫率最高，在反应的前20 min内，脱硫率都在96%以上。

3 结语

粉煤灰不是废弃物，而是一种宝贵的资源。因此，要依靠科学技术，从保护环境、节约资源的角度全面利用这一丰富的资源。国家要在政策上加大扶持力度，制定政策法规来鼓励产灰企业对粉煤灰进行有效利用。目前，中国粉煤灰的利用主要是在建筑建材和农业等中低层次方面，而在提取稀有金属、生产高附加值产品等高层次方面的利用尚有很大不足，因此要加大研发的投入，积极利用国际先进技术和装备，研发新产品，建立技术创新体系，生产具有高附加值的产品，不断扩大利用面，提高利用率。随着社会的发展，科学技术的进步，以及国家相关政策的支持，粉煤灰将会成为一种造福于人类的宝贵资源。