电厂粉煤灰再利用的优化策略

项良友

（浙江天地环保科技股份有限公司，杭州 310000）

现阶段，我国正在大力推进电力能源结构改革，但在资源分布和新能源发电的技术经济性等因素影响下，燃煤发电依然占据着重要地位。《中国电力行业年度发展报告2021》显示，2020年，我国全口径发电量为76 264 亿kW·h，燃煤发电量为46 296亿kW·h，约占总发电量的60.7%。粉煤灰是燃煤发电形成的固体废弃物之一，消耗1 t 原煤能够形成250 ～300 kg 粉煤灰。要想降低粉煤灰对生产企业运营成本、环境污染带来的压力，就需要优化粉煤灰的再利用，促进利用率的提高，大力发展循环经济。

1 电厂固体废弃物产生的机理

燃煤发电厂在运转过程中需要消耗大量煤炭资源，这些煤炭在燃烧后会将化学能转变成热能，然后将水转变成水蒸气，汽轮机在水蒸气的作用下实现转动，带动发电机，实现发电目标。将煤炭放置到锅炉中进行燃烧，会形成许多温度较高的气体，在引风机、除尘机、湿法脱硫装置等的作用下，净化后的烟气会直接排入大气。燃烧结束后形成的煤渣则会进入渣斗，除尘机会结合除灰装置排除粉尘。燃煤发电厂发电时，固体废弃物的形成过程如图1 所示。

图1 固体废弃物的形成过程

粉煤灰和煤渣均属于燃煤发电厂在发电过程中所产生的主要固体废弃物。锅炉炉膛性能与煤炭品质和最终形成的粉煤灰、煤渣比例紧密相关。我国电厂较为常用的锅炉及其性能如表1 所示。以上锅炉中，最常用的是煤粉炉，其在煤炭燃烧过程中的炉内温度高，燃烧不充分的情况少。煤粉炉内部面积较大，可以提高蒸发量，增加煤粉和空气的接触面积，实现充分燃烧。

表1 不同类型锅炉所排放的灰尘浓度和粉煤灰比例

2 电厂粉煤灰再利用的优化措施

2.1 合理运用到农业生产

粉煤灰不仅含有硅化物、铁化物、铝化物等，还含有少量的硼、镁、锌、钙、钠等元素。粉煤灰的磷、钾等元素含量高，可以改善土壤性质。粉煤灰能够作为原材料或添加剂，制成特种肥料，如磁化复合肥、硫酸钾复合肥等。受钙等元素影响，粉煤灰呈碱性，制作的化肥pH 处在8 ～9，能够改良酸性土壤。磁化粉煤灰能够生产磁化肥，其可激化土壤磁性，增强微量元素活性，提高含水量，有利于植物吸收水分等，进而提高农作物产量。粉煤灰复合肥指的是将其他元素融入粉煤灰中，诸如硅等，通过相应工序制成粉煤灰硅钾肥、硅钙肥等，利于植物生长。粉煤灰磁化复合肥的制作工艺流程如图2 所示。

图2 粉煤灰磁化复合肥的制作工艺流程

2.2 制备建筑材料

国内外对粉煤灰进行再利用，其主要用于生产建筑材料，如水泥、混凝土等。产品附加值整体不高，但能够消纳许多粉煤灰且成本低，所以其成为粉煤灰再利用的主要途径。粉煤灰含有较多的CaO，其具备良好的黏结性和火山灰特性。CaO 含量超过15%的粉煤灰被称为C 型粉煤灰，不超过15%的为F 型粉煤灰。其中，后者只存在火山灰特性。可利用粉煤灰的火山灰活性，将其制作成水泥。粉煤灰内的大部分颗粒物表面光滑。水泥窑粉尘和粉煤灰混合，能够制作黏结剂，其拥有良好的火山灰特性，能够运用在建筑领域。将此类黏结剂添加到混凝土骨料、砌块中，能够创造良好的经济效益与环境效益。此类黏结剂强度良好且耐久性强。粉煤灰基建材料能够减少耗水量，提高建筑材料强度，降低温室气体排放，减少施工成本。

2.3 生产微晶玻璃

整体析晶法、烧结法和溶胶-凝胶法是微晶玻璃的主要生产工艺，利用粉煤灰制作微晶玻璃时，通常采用前两种方法。其中，整体析晶法最早用于制备微晶玻璃，现阶段依然运用广泛，工艺机理为：均匀混合玻璃原料和晶核剂，制作成玻璃配合料，然后在高温作用下形成熔融玻璃液，澄清一段时间后，可运用热处理方式让其核化和晶化，最终得到结构均匀的微晶玻璃制品。该方法能够运用吹制、压制、拉制等玻璃成形方式。烧结法难以生产异型微晶玻璃制品，同时部分制品会出现气孔，但此方法不必运用晶核剂，可降低原料成本。同时，该方法可以简单调整制品规格、厚度等，所以其在微晶玻璃生产中广泛运用。粉煤灰微晶玻璃熔制温度为1 300 ～1 500 ℃，退火温度为550 ℃，核化温度为650 ～750 ℃，晶化温度为850 ～1 100 ℃。

2.4 提取金属元素

粉煤灰含有的部分元素能够应用于电信、航天、光通信等行业，如锗、镓、钒、钛等。粉煤灰内的锗元素可通过单宁共沉淀法、活性炭吸附法、树脂交换法等方式分离出来。研究表明，离子交换法可以顺利提取粉煤灰内的锗元素，锗和邻苯二酚进行络合，产物会保留在强碱性阳离子树脂中，至多能够达到215.5 mg/g，然后通过50%盐酸乙醇溶液洗脱锗络合物。提取粉煤灰内的镓元素时，需要采取盐酸酸浸与溶解煤油内的离子交换树脂双溶剂（Amberlite LA-2和LIX 54）萃取方法，即在酸浸出液中利用LA-2 提取镓和铁，再通过NaOH 沉淀铁，镓则会在酸浸出液中溶解，如此便能够通过LIX 54 将镓提取出来。酸浸出液可以提取粉煤灰内83%的镓元素。

粉煤灰还含有较多铝元素，提取方式主要为煅烧法和酸浸出法。微波辐射煅烧法是煅烧法的代表工艺，可根据一定比例对粉煤灰和碳酸钙进行混合，然后通过微波对其进行辐射煅烧，800 ℃温度加热1 min 后，氧化铝的提取率为95%。微波辐射煅烧法速度快、能耗低，氧化铝提取率高。同时，900 ℃温度条件下对粉煤灰、碳酸钠进行煅烧，能够形成可溶性铝酸盐，然后利用硫酸浸出烧结产物，形成铝元素溶液，萃取率能够达到98%。尽管还有其他方式能够在粉煤灰内提取铝且效率高，但大都存在缺点，停留在实验室阶段。

2.5 通过改性吸附废水中氨氮

粉煤灰具有多孔性，比表面积大，改性可增强其吸附性能。改性粉煤灰可吸附废水中氨氮，可利用HCl、NaOH、NaCl、NaCO等对粉煤灰进行改性。研究发现，根据改性效果，4 种改性剂的排序为NaOH ＞NaCO＞NaCl ＞HCl；NaOH 改性粉煤灰对废水中氨氮的去除率为46.55%，最佳条件为NaOH浓度5 mol/L、85 ℃恒温、搅拌4 h。

3 结语

粉煤灰作为一种二次资源，已被广泛应用到农业生产、建材制备、环境保护等领域。目前，生产建材依然是粉煤灰再利用的主要途径，虽然它可以提高利用率，但产品附加值低。粉煤灰再利用需要将高附加值产品作为主攻方向，在工业化生产中融入技术成熟、工艺简单、成本低的科技成果。粉煤灰再利用不仅可以减少电厂储灰场建设的资金投入，降低粉煤灰对环境的影响，也可增加就业，节能减排，产生一定的经济效益。