粉煤灰综合利用探究

董 蓉

(德宏州生态环境局，云南 芒市 678400 )

1 引言

粉煤灰是指工厂烧煤或者利用煤泥、煤矸石等资源后收集到的飞灰及底炉渣。它的形态为球状细小颗粒，是燃煤企业产生的主要固体废物之一。近年来，我国粉煤灰产生量逐年增加，但综合利用量变化不大， 2015、2016、2017、2018年重点发表调查工业企业粉煤灰产生量分别为4.4、4.5、4.9、5.3亿t，综合利用量3.8、3.8、3.8、4亿t[1～4]。2015～2018年综合利用率由86.4%降低为74.9%。处理后剩余的粉煤灰堆存量逐年增加，其处理压力逐年增大。

图1 粉煤灰产生利用时间

2 物化性质

我国火电厂粉煤灰主要为球状，粒径在0.5～200 μm之间。其中主要由二氧化硅、氧化铝、氧化亚铁、氧化铁、氧化钙、氧化钛等成分组成，元素组成(质量分数)如表1。

粉煤灰的物理性质中，细度和粒度对粉煤灰的其他性质影响较大，且粉煤灰中颗粒越细，其反应活性也越好，颗粒细度影响早期水化反应，而化学成分影响的是后期反应[5]。粉煤灰物理性质一般比重在1.8～2.6 g/cm3、粒径在0.5～300 μm、孔隙率60～75%、松散干容550～650 kg/m3、比表面积2700～3500 cm2/g、密度2～2.3 g/cm3。

3 粉煤灰综合利用方法

近日，国家对《粉煤灰综合利用管理办法》又进行了修订，为的是能够更好地促进对粉煤灰的综合利用。对于粉煤灰的利用包括从粉煤灰中直接提取物质，农业生产用于土地改良，作为肥料添加剂等，工业上生产水泥、混凝土、轻质建筑材料等产品，环保方面，生产制备吸附剂，用于废水及废气的净化。

表1 粉煤灰元素组成

3.1 从粉煤灰中直接提取氧化铝

氧化铝是一种硬度非常高的化合物，常用于生产制造耐火材料 。粉煤灰中含有大量的氧化铝成分，一般含量在15%～50%，采用一定的方法可从中提取氧化铝。提取方法按添加物性质，可分为碱法，酸法及盐法。

碱法是将粉煤灰置身于碱性环境下，进行反应提取，主要包括烧结法和碱溶法。

石灰石烧结法是烧结法中较为重要的方法之一，该方法是将粉煤灰与石灰石混合后焙烧得到不溶的化合物硅酸二钙及易溶的化合物铝酸钙，再通过碳酸钠溶液，生成偏铝酸钠溶液及硅酸二钙沉淀，最终通过碳分、高温煅烧的方式获得氧化铝产品。

碱溶法则利用了碱将其中可溶物与不溶物分离，苏双青等[6]探究了两步碱溶法提取Al2O3工艺方法,用中等浓度氢氧化钠溶液与粉煤灰反应后，进行过滤分离，溶出部分非晶态二氧化硅，减少了杂质产生。

酸法包括盐酸法及硫酸法等，硫酸对粉煤灰中的含铝矿物具有良好的溶出性能，将粉煤灰与硫酸在一定条件下配比反应，溶出其中的含铝物质，生成硫酸铝溶液，经过除杂后得到硫酸铝精制液，再经过浓缩结晶煅烧获得氧化铝，产生的酸气经酸洗收后循环使用。高桂梅等[7]在温度160 ℃、HCl/ HAFA 质量比0.95的条件下用硫酸直接浸取粉煤灰中氧化铝，反应4 h后，氧化铝的溶出率达到最大约95 %。硫酸对于氧化铝溶解效率高，但后期带来的除杂问题较为困难。吴建宁等[8]使用高锰酸钾沉淀法进行除杂，通过加入过量高锰酸钾溶液氧化其中的亚铁离子, 再以硫酸锰去除过量的高锰酸钾, 沉淀过滤后即可获得精制液, 实验获得的晶体产品中铁含量仅为0.1%。

“一步酸溶法”利用盐酸低温溶出粉煤灰中的铁，再使用树脂除杂后浓缩结晶得到氧化铝，树脂可经洗涤后循环使用，洗脱液中铁离子进行分离提纯。

盐法，采用的溶解介质为硫酸铵 ，将其与粉煤灰配比溶解后，在中低温条件下焙烧，使铝转化为铝盐，固液分离后通入氨气，得到氢氧化铝，再经煅烧结晶得到氧化铝。李来时等[9]使用该法将获得的硫酸铝铵经3次重结晶后, 所制备的氧化铝纯度大于99.9%。

3.2 农业方面应用

粉煤灰是重要的农业资源，具有较好的物化性质, 可用于土壤的酸碱性质改良，可提高土壤温度，增加含水率，同时能降低土壤粘结性，有利于作物的生长，粉煤灰可直接施用来改善土壤环境，也可与其余有机物配合施用。

粉煤灰自身的养料成分不多，直接施用于农作物，效果不太明显,需进一步添加其他有机物，重新组合成复合肥料，才具有好的效果，可用于制硅钾肥、硅钙肥和氮磷钾复合肥等。经过粉煤灰复合肥实验，添加入粉煤灰可提升农作物产量，一般提升2%～13%，效果比普通肥料要好。

粉煤灰还可以生产磁性化肥, 可通过化肥的磁化效果增强肥效, 大大增加作物产量。将氮、磷、钾及植物所需元素添加进去，生产出磁化复合肥，该种复合肥具有高于普通肥料的肥效，且具有植物所需的元素，在磁效应作用下，大大增强了施用效果，提升作物产量，有实验表明, 磁化复合肥施用之后, 蔬菜可以增产10%～35%，小麦增产10%～15%，玉米增产5%～13%，并且添加氮磷元素的利用效果有效提高, 促进了作物的产量提升, 同时减少了肥料施用量， 提高单位农业生产的经济、社会效益。

3.3 应用于建筑业

粉煤灰结构稳定，活性强，质轻，可以应用于建筑行业中，作为水泥、混凝土添加剂，粉煤灰墙体材料等。粉煤灰中含有大量的硅铝成分，作为粘土的替代物，可增加水泥活性及透水性，缓解早期及后期干缩，在煅烧熟料过程中残余炭也能得到利用，从而降低能耗。添加入混凝土中，可改善其减水效果，提高抗压及抗弯折强度。

目前有很多新型材料都使用了粉煤灰，比如常见的如轻质墙体材料生产，在石灰，石膏原料中，添加入一定量的粉煤灰进行蒸压处理，生产出的产品质轻、渗透性及隔热性好，刚度高，可广泛替代粘土实心砖，是节能环保型产品。

3.4 应用于环保业

粉煤灰的矿物组成主要以玻璃体的形式存在，具有良好的化学活性，主要包括石英、莫来石、磁铁矿、方解石等成分，其次为矿物结晶体，粉煤灰粉煤灰内部孔隙多，比表面积大，且存在大量的硅铝活性位，用于生产吸附剂，对于烟气中二氧化硫、氮氧化物、有机物及废水中铜、汞、锌等离子均有较好的吸附效果。

孙菱翎等[10]用4 g粉煤灰，在 pH值为9, 反应温度为30 ℃的条件下,吸附初始浓度为200 mg/L的氨氮, 反应进行了30 min，氨氮吸附率可达到68.27%。

王小云[11]通过碱性湿法改性粉煤灰, 制成复合吸附剂后对酸雾废气进行吸附处理, 结果表明该改性吸附剂的最大吸附容量能达到445.2 mg/g。

将粉煤灰生产成沸石产品是粉煤灰资源化利用的新思路，有着较高的处理效率。Cardoso等[12]成功制备的Na-P1型分子筛能够有效去除酸性矿水中的砷，镍，铜，铁和锰离子等多种污染物，且吸附性能大大超过了传统的商业吸附剂。

粉煤灰每年的产生量很大，直接提取金属化合物，提高了粉煤灰的附加值，资源化程度高，但减量化效果不明显，对于粉煤灰利用量不是很大。将粉煤灰应用于农业及建筑业的添加料使用，是当前的主流利用方式，其减量化效果好，操作相对简单，利用率高。将其作为吸附剂用于环保污染治理，是当前的一个利用新方向，以废治污，但吸附处理后，如何解决二次污染问题非常重要。找到一个处理量大、高效、廉价的利用方式，是科研技术工作者们一直追寻的目标，一方面依靠不断的探索实验改进，另一方面需要国家强有力的支持，才能更好地推动粉煤灰治理产业发展，减少环境污染风险。