基于固废治理的粉煤灰综合利用研究

山西普丽环境工程股份有限公司 杨玉环

粉煤灰是从电厂燃煤烟气中捕集的细灰，化学成分主要为SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO和残碳，具多孔结构和火山灰活性。目前，燃煤发电仍是我国最主要的发电方式，我国粉煤灰排放量较大，年均在4亿t以上。

根据中国生态环境部2018年12月发布的《2018年全国大、中城市固体废物污染环境防治年报》，2017年我国粉煤灰年产量约为4.9亿t[1]。相关统计显示，当前我国粉煤灰总堆积量达30亿t以上。粉煤灰的堆积会污染周围环境，占用大量土地资源，若对其提质和综合利用，可将粉煤灰固体废弃物作为一种二次资源，提高其经济价值，减少环境污染，促进其可持续发展，具有重要的现实意义。

一、粉煤灰的主要特性

粉煤灰特性主要是其颗粒大小、物理性质、化学性质及形态和结构的整体性。主要特性除了化学成分和矿物及颗粒组分外，主要包括表观色泽方面、粒径细度方面、级配方面、比表面方面、密度方面、含水率方面、烧失方面、需水量方面、火山灰活性方面和其他各种理化性质方面的特性。

（一）煤粉炉粉煤灰的主要特性

煤粉炉的粉煤灰OF灰，主要是煤粉燃烧产生的，产生过程中炉温较高，达1400℃，煤粉粒径较小，低于100µm，对煤粉的热值要求较高。该条件下产生的粉煤灰较细，主要组成是玻璃微珠，形状为球状，表面较光滑，结构较致密，无不规则形态存在。OF灰主要含有石英、莫来石和赤铁矿。

（二）CFB锅炉粉煤灰的主要特性

CFB的粉煤灰是CFB锅炉低温燃烧产生的，生成过程温度较低，一般在750-1000℃。CFB燃烧技术主要作为清洁燃烧技术，具有分级分段燃烧特性，产生污染物少，粉煤灰特性较佳，可燃烧劣质低热值燃料。因受燃烬时间影响，该锅炉燃烬时间短，粉煤灰中碳未燃尽量较大，呈现多孔性和疏松性，其孔腔吸水率较高，大多数为不规则形状颗粒，球形颗粒很少，粒径较大。CFB灰燃烧产生损失较大，因炉内脱硫加入了脱硫剂使其中CaO含量较高。CFB灰的标准稠度需水量远超过OF灰的标准稠度需水量，CFB灰的燃烧损失高于OF灰的燃烧损失。

二、粉煤灰综合利用途径

（一）建材方面

粉煤灰在建材方面的利用情况主要考虑粉煤灰混凝土、粉煤灰用作水泥配料、粉煤灰砖、墙体材料、建筑回填筑路等几方面的综合利用，需要结合粉煤灰的特性，合理进行利用。

（二）农业方面

粉煤灰在农业方面的利用主要用作改良土壤和作为化肥添加剂来使用。

（三）环保方面

粉煤灰在环保方面的利用主要可以考虑对烟气污染的处理和废水净化处理，针对不同粉煤灰的特性，可以作为烟气污染物和废水净化的吸附剂等。

（四）精细化利用方面

粉煤灰在精细化利用方面主要考虑提取氧化铝、制备微晶玻璃、合成沸石分子筛、回收稀有金属、制备泡沫玻璃、合成地质聚合物、粉煤灰橡塑复合材料和陶粒等方面的利用。

三、高附加值利用技术研究

（一）光催化材料方面

在有碱性激发剂存在的前提下，利用粉煤灰制备半导体石墨烯粉煤灰基地质聚合物复合光催化材料，形成的材料结构密集性好、平均粒径小。此过程中Co2+与一定量三氧化二铁可给三氧化二铁半导体能量，负载过程中使复合凝胶材料与染料分子间吸附力增加，同时可使分离光生电子空穴对的效率增大。

（二）造纸利用方面

该技术主要用到粉煤灰中的硅酸钙，其粒径大，对新型纸在松厚度和物理强度两方面都强于传统纸，同时纸张光散射、亮度、抗张指数都会增加。该技术不足是粉煤灰中未燃尽炭，铁对纸张白度会产生影响，降低其白度。

（三）金属铝提炼方面

我国工业化程度和科技发展程度日提高，金属铝资源短缺成为了我国工业发展的主要限制因素。我国一些地区的粉煤灰中包含的氧化铝大概有40%～50%，可达到我国中级铝土矿标准，从高铝粉煤灰中提取铝资源，不仅提高了粉煤灰的高附加值利用率，而且可在很大程度上解决我国金属铝短缺的问题，资源利用的同时减少了对环境的污染。

粉煤灰中很重要的组成部分就是Al2O3，从粉煤灰中提炼Al2O3或铝盐非常重要，可采用的主要方法有碱法烧结和酸浸法两种。

四、粉煤灰综合利用难点

（一）利用途径方面

销售原灰作为我国现在粉煤灰的主要综合利用途径，存在很明显的缺点，产品结构太过单调，深层次利用项目太少，产业链过于狭窄。当前，急需开发粉煤灰各方面利用的新途径，延伸粉煤灰产业链，特别是要开发粉煤灰高附加值利用技术和大规模使用途径，让资源实现逐级使用，够降低自然资源耗废减少粉煤灰堆积占地造成的环境污染问题，达到可持续发展的目的。

我们应试图打破粉煤灰利用的局限性，研究粉煤灰的实用技术，确保开发的技术较为成熟，具有一定可靠性，可为我们创造较大价值，能够满足市场对产品的需求及对环境的要求，重视粉煤灰回收利用技术开发[2-4]。

（二）时空分布方面

燃煤机组粉煤灰的综合利用方面在空间上和时间上存在需求和供应两方面的不平衡。当前并没有稳定的市场和长期固定的可靠性支柱产业，这就阻碍了燃煤机组等行业粉煤灰在综合有效利用方面的发展和市场开拓。主要体现为粉煤灰综合利用空间差异，粉煤灰综合利用时间方面的影响和综合利用发展缺乏统一的布置与调控。

（三）处置防护方面

储灰场堆积的粉煤灰处置防护措施仍不完善，缺乏相应的无害化处理技术。粉煤灰堆积应该设置防护措施，同时提高粉煤灰无害化处理技术。

（四）标准规范化方面

在标准化方面，需进一步规范其在农业方面、造纸方面和环境保护方面的应用标准。同时，进一步收集储存运输标准需求、有价金属提取标准需求和企业内部标准需求。

五、石灰石烧结法提取氧化铝技术分析

（一）技术工艺流程

石灰石烧结法提取氧化铝的生产工艺是粉煤灰与氧化钙混合煅烧，Al2O3与氧化钙在高温条件下烧结成无机化合物铝酸钙，SiO2与石灰石在高于800℃时烧结化合成硅酸二钙（2CaO·SiO2），铝酸钙与Na2CO3溶液反应生成铝酸钠溶液，熟料被分离出后，再制取氧化铝[5]。

（二）主要技术特性

石灰石烧结法反应温度为1300℃～1400℃，其中铝元素转化成可溶于碳酸钠的铝酸钙（12CaO·7Al2O3），除掉不溶的含硅废渣。

主要工艺优点为生产技术工艺成熟，能提取80%的氧化铝，外排泥中粉煤灰和石灰石含量较少，氧化铝具有较高的纯度，原料的成本价格低，熟料能够实现自粉化，无需进行磨制，残渣可被二次利用于水泥，工艺流程简单，对装置要求较低。

主要工艺弊端为石灰石等一次性资源消耗较多，提取氧化铝后残渣处理费用较高，在1300℃～1400℃高温焙烧温度下能耗很高，焙烧时温度不好掌握，不能保证熟料质量稳定。

（三）工艺组成

（1）原料包括粉煤灰、石灰石、无碱粉化熟料、浓氢氧化钠溶液等。

（2）分离产物主要为赤泥和水泥熟料（主要成分是CaO、SiO2、Al2O3和Fe2O3，一般超过总量的95%，可用来生产水泥）、氧化铝（用来生产铝）等。

（3）主要设备有分离装置、回转窑煅烧装置、蒸发装置等。

六、结论

（1）粉煤灰在建材方面的利用可考虑粉煤灰混凝土、粉煤灰水泥配料、粉煤灰砖、墙体材料和建筑回填、筑路等方面；在农业方面，可利用其中微量元素改善土壤特性和作为化肥添加剂；在环境污染方面，利用其特性可用于烟气污染处理和废水净化处理；精细化利用方面可用来提取氧化铝、制备微晶玻璃、合成沸石分子筛、回收稀有金属、制备泡沫玻璃、合成地质聚合物。

（2）典型粉煤灰高附加值利用技术主要有光催化材料方面、造纸方面、金属铝提炼方面的利用技术。光催化材料方面，利用粉煤灰制备半导体石墨烯粉煤灰基地质聚合物复合光催化材料；造纸利用方面，主要用粉煤灰中的硅酸钙；金属铝提炼方面可采用碱法烧结、酸浸法。

（3）通过对粉煤灰综合利用技术在利用途径方面、时空分布方面、建材行业市场的影响、处置防护方面、标准规范化方面的难点进行分析，可得出主要问题是利用效率太低、利用面狭窄、经济效益低、投资成本高等。

（4）石灰石烧结法可实现对粉煤灰中金属铝的提炼，实现粉煤灰的高附加值值利用。