粉煤灰资源化综合利用研究现状

王 迪 乔 亮 龚 浩 陈圣贺 余轩和

（1.内蒙古科技大学矿业研究院；2.乌海市公乌素煤业有限责任公司）

据资料显示，2019年全球煤炭总产量76亿t，中国约38亿t，全球占比接近50%。2019年我国煤炭消耗量28.10亿t，2020年原煤产量38.4亿t，煤炭进口量3.04亿t，较2019年同比增长1.5%。

粉煤灰是燃煤电厂煤粉燃烧后所产生的一种固体颗粒，属于大宗工业固体废渣之一，也称“飞灰”，排放量巨大。2016年和2017年，我国粉煤的排放量分别达到了6.55亿t和6.86亿t，不仅造成了环境污染，而且其中含有的重金属对植被、人体都有极大的危害。目前，国内外对粉煤灰的利用程度有所差异，2016年全球粉煤灰产量约11.43亿t，平均利用率约60%，其中，中国、美国、欧盟、印度的利用率分别约为70%，54%，90%，63%［1］。本文对粉煤灰的理化性质以及主要利用途径进行论述，探讨粉煤灰资源化存在的问题与发展前景，为我国粉煤灰的合理利用提供参考。

1 粉煤灰的特性

1.1 物化性质

粉煤灰是一种灰色、白色或黑色的粒径不均匀的球状物，由结晶体、玻璃体和少量未燃炭组成，同时也是一种碱性含量高的氧化物，具有结构致密、化学性质相对稳定的矿物，粒径0.5～300μm。我国粉煤灰比表面积300～500 m2/kg，在平均密度上相对较小，约2.1 g/cm3［2］，化学成分主要包含Al2O3、SiO2、Fe2O3、CaO、MgO、K2O、SO3和未燃尽的碳，铅、镉、汞、砷等微量元素，以及镓和锗等稀有金属物质。

1.2 矿物组成

粉煤灰中矿物组成取决于原煤的成分，主要受到原煤的形成、沉积的地质条件、原煤中无机成分的组成特性的影响，包括非晶相和结晶相以及少部分炭粒。非晶相中含有大量的玻璃微珠和海绵状玻璃体构成的玻璃体，结晶相主要是莫来石（3Al2O3·2SiO2）、石英和赤铁矿等成分。同时，粉煤灰的矿物组成也受燃煤电厂的技术设备和运作条件等因素的综合影响。

2 粉煤灰的资源化综合利用途径

现阶段，我国粉煤灰的综合利用途径主要是工程应用型和产品型两种。工程应用型涵盖了建筑、农业、环境等领域。产品型是近几年新兴的粉煤灰利用方式，通过对粉煤灰的高附加值精细提纯从中提取氧化铝、二氧化硅、稀有金属镓和锗，极大程度拓宽了粉煤灰的利用途径。关于粉煤灰资源化利用途径，主要从以下几个方面进行探讨。

2.1 粉煤灰用于矸石山自燃灭火

煤矸石自燃会释放出大量的有毒有害气体，严重污染大气环境，其受到雨水的冲刷，还会对生态和水资源造成污染。目前，国内外防治矸石山自燃主要是以黄土为原材料，通过表面封闭法、注浆灭火法、覆盖法等进行治理。以乌海地区为例，由于乌海矸石山众多，矸石山自燃严重，对当地的大气环境造成了严重的污染，且乌海地区黄土资源极度匮乏。鉴于此，内蒙古科技大学张金山教授在多年粉煤灰研究的基础上，利用当地粉煤灰等煤基固废成功制备了代替黄土的注浆材料，已在工程中投入应用，且效果良好，实现了“以废治废”的绿色理念。

2.2 在建筑工程中的应用

当前，绝大部分的粉煤灰主要应用于建筑工程中，如生产水泥、混凝土、建造材料以及工程填筑。作为一种辅助性胶凝材料，粉煤灰与黏土在化学成分上具有相似性，因此，作为原材料或添加剂［3］，可直接替代黏土生产水泥，也可替代一部分黏土用作生产水泥熟料。将部分粉煤灰替代水泥掺入混凝土中，对混凝土的界面结构有改善作用，从而在其强度、和易性、密实度和干燥收缩性上达到增强的作用。此外，在建造以及工程填筑中粉煤灰已成功大规模使用。

2.3 在农业中的应用

（1）改良土壤。粉煤灰中因其粉砂和黏土的粒径结构、高持水力等优点，是土壤改良剂的合适选择。在盐碱地上，能够改善土壤孔隙度、和易性和保水能力，进而防止盐害幼苗。在黏土地和酸性土壤上，可中和酸性土壤，提高土壤的品质。Lee等评估了添加碱性粉煤灰的粉砂壤土和壤土沙土中的水稻生产力；结果表明，粉煤灰在调节土壤pH值中起到了良好的作用，进而促进了水稻对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显著。

（2）制化肥。粉煤灰作为肥料可以改善土壤的理化性质，其有机成分能为植物生长提供有益成分。HaiFeng Su等［4］提出施用粉煤灰微生物肥可提高废弃矿山的土壤肥力，并验证了薏米和小叶红杨的增绿效果。目前，由粉煤灰生产的化肥主要有硅肥、硅钙肥、磁性复合肥、煤灰磷肥。硅肥能够增强作物茎秆的机械强度，提高抗倒伏能力85%以上以及提高作物对病虫害的抵抗力和成果率。硅钙肥中主要是SiO2发挥作用，具有增产的效果。

（3）覆土造田。粉煤灰覆土造田就是将粉煤灰作为填充料引入山谷、洼地、低坑，覆土后进行种植农作物。在掺入粉煤灰的土壤上种植小麦、黄豆、蔬菜类、药材类植物都比在土壤上种植要增产。段万明对其原因进行研究得出，当粉煤灰掺入黏土后，使土壤性质发生改变，致使掺入粉煤灰的黏土底层具有透气作用，透水性能提高；上层表面在抵抗蒸发、保水、保肥方面都比纯灰种植要好。

2.4 在环境保护中的应用

（1）废水处理。粉煤灰作为一种多孔炭粒材料，通过吸附作用可以很好地去除废水中的磷、氟、重金属离子、染料、表面活性剂、酚、油类等物质，去除率均可达75%以上［5］，其实现净化的途径主要是吸附、沉淀、过滤。粉煤灰在高酸碱度下，去除重金属离子高达40%～90%。未燃的炭可以吸附印染废水、染料、油类等物质，达到脱色、过滤的效果。

（2）废气处理。粉煤灰脱硫的方式主要有粉煤灰干式脱硫、喷雾干燥脱硫和增湿活化脱硫。一方面，由于粉煤灰中的CaO、MgO和Na2O等金属氧化物水溶液呈碱性，可用于去除烟气中的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驱体，作为烟气脱硫和脱氮的吸附剂，也可去除汞蒸气［6］。

2.5 在分离回收中的应用

（1）空心微珠。空心微珠是从粉煤灰中提取出的一种球形漂珠，由于其原料易得、耐高温、质轻等特点，广泛应用于航空航天、机械、化学等领域［7］，其分离的方法分为干法分离和湿法分离。湿法分离利用水作为分离流体，其不足之处是分离工序繁多，只适用于水泥和混凝土掺合料。干法分离与湿法分离预期结果相似，分离率都约为70%［8］，其中风力筛选就是干法分离的一种。

（2）回收磁珠。粉煤灰磁珠是一种磁性陶瓷微珠，因富含Fe、Fe2O3、Fe3O4而具有磁性，同时又具有多微孔结构，所以成为一种重要的矿产资源。磁珠占粉煤灰含量的4%～18%，密度3.1～4.2 g/cm3。工业上分选磁珠的方法主要是干式磁选和湿式磁选。目前，国内和山东各电厂以湿式磁选为主。磁珠可广泛用于磁种材料、磁性吸附剂的原材料中，在污水处理中也有所应用，如磁絮凝处理、催化降解及重金属吸附。

（3）回收炭。粉煤灰中的炭粒大部分以单体的形式存在，密度1.6～1.8 g/cm3，呈海绵状和蜂窝状，多孔、亲油疏水，具有良好的吸附性。目前，我国火力发电厂排放的粉煤灰中残炭量仅3%～5%，且品质较好。分离炭的方法分为干法和湿法，干法主要是燃烧法、电选法、流态法，湿法主要是浮选法。回收炭广泛用于燃料或碳衍生材料、建材掺合料，活化后可用作吸附剂，造粒后可用作焦炭填料［9］。

2.6 高附加值精细化的应用

（1）合成沸石。粉煤灰是沸石合成的良好前体。粉煤灰基沸石的合成方法主要有一步水热法、两步水热法、碱熔融法、盐熔融合成法、微波辅助水热法、晶种法等。一步水热法、两步水热法属于单纯水热法。碱熔融法是将NaOH与粉煤灰混合，一般生成A型和X型沸石。A型沸石在洗涤助剂领域应用广泛，X型沸石作为吸附剂在石油化工、精细化工领域应用广泛。

（2）提取稀有金属。粉煤灰中含有许多高附加值的稀有金属，如镓（Ga）、锗（Ge）、钒（V）、镍（Ni），提取金属镓、锗和钒通常在高温高压条件下进行。镓广泛应用于光电以及商业中，目前提取镓的方法主要有还原熔炼法、酸浸法和碱浸法。金属锗广泛应用于制造发光二极管、红外光学、光纤等方面，提取方法主要有沉淀法、萃取法、氧化还原法等。袁春华等采用碱熔-碳酸化法提取镓，提取率高达89.14%。刘汇东等采用水浸法、酸浸法提取镓，提取率分别达84.70%和80.07%。

（3）制备陶瓷。目前，我国以粉煤灰为原材料制备的陶瓷主要是传统陶瓷、玻璃以及玻璃陶瓷。苗庆东等以粉煤灰制备的陶瓷泡沫材料具有强度高、大孔径导热系数低的优点。粉煤灰也是制备多孔陶瓷的优势原料，吴立凡等通过试验得出，当粉煤灰和造孔剂掺量分别为45%和30%、烧结温度为1 200℃时，多孔陶瓷综合性能最好。

2.7 其他方面的应用

在催化剂领域，粉煤灰作为一种富含Si、Al的复合载体，相比单一载体在催化剂中有着突出的优势。目前，粉煤灰负载催化剂在脱氧、脱氮、H2生产、加氢裂化和烃类氧化中都表现出了良好的催化活性。此外，粉煤灰在噪声防治中也有所应用，主要用于制备泡沫玻璃、粉煤灰双层GRC隔墙板、粉煤灰轻质隔声内墙板和粉煤灰纤维棉防火吸声吊顶板等材料。

3 展望与结论

粉煤灰不仅仅是废弃物，利用得当将成为宝贵的资源。我国是燃煤大国且稳居世界第一，未来燃煤电厂将持续占据首要地位，由此将造成粉煤灰大量堆积、资源浪费和环境污染等一系列问题。目前，我国粉煤灰大批量用于建筑领域，虽然出台了相应的国家政策与标准，但与此同时将会造成二次污染。由于粉煤灰回收技术成本高，粉煤灰在高附加值领域的应用正处于研发阶段，利用率低于5%。未来，应拓宽粉煤灰资源化利用的领域，集中于高附加值的研究利用，走绿色发展道路。