固体废弃物粉煤灰资源化利用技术

张志华，雷旭阳，王明友

固体废弃物粉煤灰资源化利用技术

张志华，雷旭阳，王明友

（邢台职业技术学院，河北 邢台 054000）

粉煤灰是燃煤电厂产生的固体废弃物，其资源化利用对于资源节约和环境保护具有重要意义。阐述了粉煤灰的性质特点，详细介绍了粉煤灰在建材、农业、环保和化工等领域的综合利用现状及存在问题，并对其未来发展方向提出建议，注重其高值化、精细化、产业化应用。

粉煤灰；固体废弃物；资源化利用；精细化

粉煤灰是通过除尘设备从烟气中捕获的细灰，又称飞灰，是燃煤火电厂产生的主要固体废弃物。近几年，随着我国经济迅速发展，发电需求量日益增大，粉煤灰的排放量也迅猛增加。图1是近年来我国粉煤灰年产量与利用情况：我国粉煤灰产量稳步增长，近几年增长速度放缓，而粉煤灰综合利用率逐年增加，最大达到70%[1]。由此可以，现有技术和方法仍无法实现对粉煤灰的全量消纳，这将会导致大量粉煤灰堆积，造成环境污染和资源浪费。

图1 我国粉煤灰年产量与利用情况[1]

虽然我国已经调整能源结构，但是我国富煤贫油少气的能源形式决定了目前及今后较长时间内，煤粉燃烧仍是燃煤电厂的主体。因此，积极开展研究粉煤灰综合利用技术，提高粉煤灰综合利用率，对环境效益、社会效益和经济效益具有重要意义。

1 粉煤灰的特性

粉煤灰的物理性质、化学性质和矿物组成对其处理和利用具有重要影响，因此，粉煤灰综合利用的基础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状物质，是球形的中空或实心微珠，粒径大小约为2.5~300 μm，具有较大比表面积，约为2 000~5 000 cm2·g-1，密度为0.55~0.80 g·cm-3，孔隙率约为 60%~75%，这些物理特性是化学组成和矿物组成的宏观反映，直接影响粉煤灰的性能。

粉煤灰是一种人工火山灰质固体材料，其化学组成取决于原煤产地，燃煤条件和燃烧程度等，主要化学组成是SiO2，Al2O3和Fe2O3，还有少量的FeO，CaO和MgO等。我国部分地区粉煤灰中Al2O3的质量分数可达50%，是一种潜在的非铝土矿资源，可从这种高铝粉煤灰中提取Al2O3，实现粉煤灰的高附加值利用。此外，粉煤灰中还含有锂、镍、锗和锆等有价值的微量元素[2]，可应用在军工、电子和航空等领域。

粉煤灰的矿物组成比较复杂，有结晶相和无定型相两种，结晶相包括石英、方石英和赤铁矿，还有少量磁铁矿、刚玉、生石灰等[3]。玻璃体和未燃碳属于无定型相，其中玻璃体含量约占50%~80%，主要化学成分是SiO2和Al2O3，经过煅烧的玻璃体储存了较高的化学内能，影响粉煤灰的活性。粉煤灰的矿物组成与煤粉类型、煤粉形成条件和燃烧条件相关。

2 粉煤灰资源化利用技术现状

近几年，针对粉煤灰的综合利用，研究者开展了大量研究。通常将其应用于建材、农业、环保和化工等诸多领域。

2.1 建材方面

2.1.1 用于生产水泥

由于粉煤灰化学成分中有活性SiO2，Al2O3和CaO，其成分与黏土相似，可用作水泥部分原料的替代品。粉煤灰用于水泥掺杂主要有三种途径：①部分替代黏土生产普通水泥；②作为混合掺杂材料（粉煤灰掺杂量通常低于30%）生产粉煤灰水泥；③部分代替铝质材料生产水泥。由于粉煤灰中含有CaO，是一种火山灰质类物质，表现出火山特性和凝胶特性，因此，掺杂粉煤灰有利于提高水泥的保水性，其掺杂量对水泥后期强度也有影响，随着粉煤灰的掺加量增加，水泥强度增强，甚至能超过硅酸盐水泥的强度[4]。将粉煤灰用于生产水泥，不仅可降低生产成本，也可提高产量，改善水泥的性能。

我们平常都说“真的懒死了”，事实上，科学研究证明“懒”是真的会死的。著名医学杂志《柳叶刀》的统计数字显示，全世界一年估计至少有530万人死于不运动，这个数字甚至超过了死于吸烟的人数（500万）。不运动是大部分慢性病最危险的因子之一，仅仅排在高血压、烟酒和高血脂之后。

2.1.2 用于掺杂混凝土

混凝土由水泥、水和砂石粒料混合组成，而粉煤灰具有较好的体积稳定性和耐久性，使其在混凝土生产过程中可作为优质活性掺杂料，代替部分水泥，减少水泥消耗量，降低生产成本。此外，在制备混凝土掺杂适量粉煤灰可改善混凝土某些性能，如提高粉煤灰耐腐蚀性、降低其水化热和抗碳化能力等，这表现为粉煤灰的取代效应[5]。通常粉煤灰在混凝土的掺杂量为15%~35%，因此，在其利用过程中，需根据产品需求，合理调控粉煤灰掺杂量。

2.2 农业方面

粉煤灰应用于农业方面投资少，用量大，主要的利用技术为改良土壤和制备化肥[6]，但粉煤灰农业应用应符合《农用粉煤灰中污染物控制标准》（GB 8173—1987）文件要求[7]。

利用粉煤灰高比表面积、疏松多孔、对水气热肥能进行传导和保存等特点，修复和改善土壤结构[8]，Adriano等[9]研究表明土壤中加入适量粉煤灰能有效较低土壤容重。翟建平等[10]将粉煤灰用于土壤改良实验，研究发现粉煤灰能提高土壤孔隙率，在灰量为15~30 t·ha-2范围内，农作物增产效果与粉煤灰量成正比。因此，在土壤中添加适量的粉煤灰可改善土壤结构，增加土壤孔隙率，提高通透性。粉煤灰也可调节土壤环境，适用于过酸或过碱土壤的改良，杨海儒等[11]发现添加适量酸性粉煤灰可降低土壤比重和pH值，改善土壤环境，李九玉等[12]发现土壤中添加适量碱性粉煤灰可增加红土壤的pH值。

粉煤灰中含有利于植物生长的必须营养元素和微量元素，如N、P、K、Ca、Mg、Zn和Cu等，适量掺杂到土壤中可影响其化学性质，提高土壤的营养水平，促进作物生长[13]。粉煤灰矿物组成中含有磁铁矿，用其生产粉煤灰磁性复合化肥，可作为农作物专用肥料。相比传统肥料，利用粉煤灰生产的复合肥，增产效果明显，投入少，价格低廉。

粉煤灰用于改良土壤，易造成化学元素富集，重金属含量高，放射性等问题，基于环境效益长远考虑，应适量添加粉煤灰用于土壤修复和改良。

2.3 环保方面

粉煤灰是疏松多孔材料，比表面积大，富含SiO2和Al2O3等活性基团，吸附活性高，因此，可将粉煤灰用于废水处理，吸附方式包括物理吸附和化学吸附。物理吸附取决于粉煤灰的比表面积和多孔性，其特点是无选择性。化学吸附是粉煤灰表面Al-O-Al，Si-O-Si与吸附质通过化学键结合，具有较强选择性。李晓颖等[14]用改性粉煤灰处理印染废水，色度去除率可达89.2%；彭荣华等[15]将改性粉煤灰用于吸附处理含重金属离子废水，重金属离子去除率达到97.5%以上；安晓雯等[16]将粉煤灰处理含油废水，油去除率可达82.2%，添加适量生石灰油去除率达到90%。因此，粉煤灰作为良好的吸附材料，将其用于处理印染废水和含磷废水等，价格低廉，操作简单，可达到“以废治废”的效果。

2.3.2 废气处理

粉煤灰中CaO、Fe2O3和MgO等组分的水溶液，能与碱金属发生凝硬反应，其中高钙基能和SO2反应，因此，粉煤灰可作为吸附剂用于烟气脱硫，其脱硫效果优于纯石灰脱硫剂。另外，粉煤灰可用于脱除NO、汞和气体有机化合物等，能有效控制气体污染物，实现资源化利用。

2.4 化工方面

2.4.1 提取Al2O3

以粉煤灰作为二次资源提取Al2O3，可缓解我国铝资源紧缺问题，是目前的研究热点。常用工艺包括烧结法、碱法、酸法、气体氯化法和酸碱联合法等[17]，烧结法工艺简单，但能耗高，产渣量大，限制其规模化应用；酸法提取Al2O3回收率高，但容易腐蚀设备，酸耗量多，易造成二次污染；碱法提取反应能耗低，且介质活性高，但碱耗量大，对设备要求较高[18]。大唐国际采用碱石灰煅烧法技术，于2010年已实现年产20万t Al2O3提取；蒙西集团采用石灰石烧结法提取粉煤灰中的Al2O3，2014年已实现年产40万t Al2O3提取；神华集团“一步酸溶法”提取粉煤灰中的Al2O3，回收率可达80%[19]。

目前，粉煤灰中提取Al2O3技术仍需降低成本、简化工艺，控制二次污染，另外，对硅铝元素协同回收技术缺乏研究，需继续探究粉煤灰提铝新技术。

2.4.2 用于生产微晶玻璃

微晶玻璃又称玻璃陶瓷，是一种玻璃和晶相共存的多晶材料。由于粉煤灰中的硅铝组成与生产微晶玻璃的原料组成相似，因此利用粉煤灰生产微晶玻璃。用粉煤灰生产的微晶玻璃比普通矿渣微晶玻璃机械强度高、化学稳定性好、硬度高、耐磨损、膨胀系数可控[20]。目前已被工业化应用的微晶玻璃生产工艺有熔融法、烧结法和压延法等[5]。

2.4.3 合成分子筛

粉煤灰主要元素组成是Al和Si，与分子筛组成相似，可用粉煤灰合成沸石。其过程是驱液的形成，硅铝酸根溶解与聚合和晶粒生长，传统合成法有一步法、两步法和微波辅助法等，新合成法有逐步升温法和渗析水热法等，其中水热合成法应用较为成熟和广泛[21]。目前利用粉煤灰能合成15种沸石，如X型沸石、4A沸石和NaP1沸石等具有较高的Si/Al比，有较强的阳离子交换能力，可净化气体和水体，实现粉煤灰的高附加值利用[22]。

综上分析，粉煤灰利用途径逐步实现多元化、高值化和精细化发展。但在高附加值利用技术中仍面临二次污染、时长限制和技术不成熟等诸多问题，需进一步优化。

3 展望

实现粉煤灰高值化和全量化消纳，不仅能减少环境污染，也能促进经济循环发展，会产生巨大的社会效益、经济效益和环保效益。未来，粉煤灰的资源化利用应聚焦于高附加利用研究，如开展粉煤灰中硅铝元素逐级和协同回收利用、开发粉煤灰深度利用技术。

[1] 颜枫.粉煤灰合成有序介孔硅铝材料及残渣吸附CO2技术研究[D]. 北京：清华大学, 2018.

[2] 黄根，王宾，徐宏祥，等. 粉煤灰综合利用与提质技术研究进展[J]. 矿产保护与利用, 2019, 39(4):32-37.

[3] 赵春辉.粉煤灰的综合利用[J]. 广东化工, 2012, 39(1):78-79.

[4] 王建新，李晶，赵仕宝，等. 中国粉煤灰的资源化利用研究进展与前景[J]. 硅酸盐通报, 2018, 37(12):3833-3841.

[5] 王观鹏，晋腾超. 粉煤灰的综合利用现状[J]. 环境保护与循环经济, 2014, 34(12):25-29.

[6] 古德生，胡家国. 粉煤灰应用研究现状[J]. 采矿技术, 2002(2):1-4.

[7] 刘关宇. 粉煤灰综合利用现状及前景[J]. 科技情报开发与经济, 2010, 20(19):167-170.

[8] 吴元锋，仪桂云，刘全润，等. 粉煤灰综合利用现状[J]. 洁净煤技术, 2013, 19(6):100-104.

[9] ADRIANO D C, WEBER J T. Influence of fly ash on soil physical properties and turfgrass establishment[J]., 2001, 30 (2)：596-601.

[10] 翟建平，谭衢霖，付晓茹，等. 施灰土壤的理化性质分析及作物增产机理探讨[J]. 粉煤灰综合利用, 2002(2):3-6.

[11] 杨海儒，宫伟光. 不同土壤改良剂对松嫩平原盐碱土理化性质的影响[J]. 安徽农业科学, 2008(20):8715-8716.

[12]李九玉，王宁，徐仁扣.工业副产品对红壤酸度改良的研究[J]. 土壤, 2009, 41(6):932-939.

[13] 鲁晓勇，朱小燕.粉煤灰综合利用的现状与前景展望[J]. 辽宁工程技术大学学报, 2005(2):295-298.

[14] 李晓颖.改性粉煤灰处理印染废水的研究[J]. 辽宁化工, 2013, 42(02):112-114.

[15] 彭荣华，陈丽娟，李晓湘.改性粉煤灰吸附处理含重金属离子废水的研究[J].材料保护, 2005(1):48-50.

[16] 安晓雯.利用粉煤灰处理含油废水[J]. 油气田地面工程, 2010, 29(6): 50-51.

[17] 杨红彩，郑水林.粉煤灰的性质及综合利用现状与展望[J]. 中国非金属矿工业导刊, 2003(4):38-40.

[18] 杨静，蒋周青，马鸿文，等.中国铝资源与高铝粉煤灰提取氧化铝研究进展[J]. 地学前缘, 2014, 21(5):313-324.

[19] 万亚萌，王宝庆，王丹，等.粉煤灰回收氧化铝工艺研究进展[J]. 无机盐工业, 2016, 48(11):7-11.

[20] 杨星，呼文奎，贾飞云，等.粉煤灰的综合利用技术研究进展[J]. 能源与环境, 2018(4):55-57.

[21] 于丰铭.利用粉煤灰为原料合成NaX分子筛的研究[D]. 大庆：东北石油大学,2015.

[22] 陈彦广，陆佳，韩洪晶，等.粉煤灰在环境材料中利用的研究进展[J]. 化学通报, 2013, 76(9):811-821.

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

张志华（1992-），女，硕士，河南新乡人，2018年毕业于太原理工大学化学工程专业，研究方向：能源化工。

TQ 09

A

1004-0935（2020）09-1142-03