粉煤灰的危害及其利用现状

崔家新，王连勇，何 艳，李 尧，王 睿，韩建丽

（东北大学冶金学院，沈阳 110819）

粉煤灰是燃煤火力发电过程中，细磨煤在1 200～1 700 ℃的燃煤炉中燃烧后产生的主要燃烧残留物，它是由原料煤中存在的各种无机和有机成分产生的。高温燃烧过程中的不可燃物质发生熔融、冷却等变化，最终形成玻璃态的球形颗粒。最后，这部分颗粒（粉煤灰）会在烟气排出前被静电除尘器、布袋除尘器或旋风分离器等清洁设备捕获收集下来。

粉煤灰一般以球形颗粒的形式存在，质地疏松，且表面存在大量微孔。颗粒有大有小，直径介于0.01～100.00 μm，比表面积大，因此粉煤灰具有较高的潜在活性和吸附特性。粉煤灰的产生不仅与原煤的种类和燃烧条件有关，还取决于燃烧方式、运行条件、收集方式等。在这些因素的影响下，粉煤灰的物理化学性能具有较大的变化，通常在一定范围内波动。其密度一般介于1.9 ～2.9 g/cm，比表面积一般介于0.2～0.4 m/g。

粉煤灰是复杂的混合物，具有独特、多组分、非均质且可变的组成，其矿物相组成通常包括90%～99%的无机成分、1%～9%的有机成分和小于0.5%的流体成分。无机成分的一部分由非晶（无定形）物质组成，包括不同形态的玻璃质；另一部分由晶体物质组成，包括晶体颗粒和各种矿物的聚集体。有机成分主要为焦炭物质、有机矿物及其团块。流体成分包括液体（水分）、气体和气液混合物，它们与无机物和有机物都有关。

1 粉煤灰的危害

粉煤灰是一种会对环境安全造成威胁的固体废弃物。通过粉煤灰的形成过程可知，固体颗粒随同烟气一起排向炉膛尾部，在这个过程中，烟气中大量的有毒元素和重金属元素发生聚积，其中还可能含有一小部分的放射性物质。粉煤灰在这个过程中发生熔融并变为玻璃态，不可避免地会含有这些元素。随着火力发电总量的增加，我国粉煤灰的年排放量逐年增加，数量巨大，一些粉煤灰尚未得到利用。如果不能妥当处理大量累积的粉煤灰，将会对环境造成不利影响。其危害主要体现在四个方面。

1.1 土壤污染

为了解决每年产生的大量粉煤灰，我国需要用大量土地来进行堆存或者填埋处理。数据表明，我国每年会用27 000 hm的土地堆存或者填埋这种固体废物。这些土地不再用于农业生产，也不能作为其他用途使用，只作为粉煤灰的储存地，失去了其价值和经济性，是一种资源上的浪费。此外，进一步考虑时间的流逝和雨水的冲淋，粉煤灰中的有毒有害物质还可能会渗到地下，破坏原本土壤的元素组成、质地类型和结构层次等。

1.2 水体污染

粉煤灰主要通过两种方式污染水体。其一，大量粉煤灰通过电厂湿法处理后直接排放，而部分储存在灰厂的粉煤灰可能会在风力作用下在空中扩散，落入附近的湖河中形成沉淀物，造成水体的直接污染，破坏生态。其二，粉煤灰颗粒及本身含有的有害物质会在雨水的冲淋作用下渗入储灰厂周边的浅层地下水和地表水中，造成水质恶化以及水生生态系统稳定性的破坏，导致严重的污染。

1.3 大气污染

粉煤灰的颗粒直径一般在微米级，径小质轻，因此风一吹便会使粉煤灰悬浮在空中。当风强度大于四级时，粉煤灰可飘扬20多米，最高甚至能达到50 m。这将直接造成环境能见度降低和空气质量变差，甚至可能会导致区域性空气重度污染。

1.4 人体健康

粉煤灰中的一些有毒有害物质能够向外辐射能量、发出射线，这些物质如果没有得到妥善的处理，最终会通过土壤、水、空气和其他介质进入人体。人们长期食用在受污染土壤中生长的蔬菜，饮用含有害有毒元素的水，呼吸被污染的空气，将会对身体健康造成很大的危害。

因此，有效利用粉煤灰资源并尝试进行循环利用对减少环境污染非常重要。找到一种粉煤灰利用的有效方法，将带来巨大的经济和环境效益，促进能源工业的发展。

2 粉煤灰的利用

数据统计显示，2019年，我国重点发表调查工业企业的粉煤灰产生量为5.4亿t，综合利用率为74.7%。一些发达国家通过将粉煤灰资源化、商品化来扩大粉煤灰的应用领域，部分国家对粉煤灰的利用率为80%～90%，甚至做到100%的利用。而我国目前对粉煤灰的利用还主要集中在低值化利用领域，如建筑、农业等行业，因此寻求一些高值化的利用途径对固体废物处理和环境改善都至关重要。

2.1 建筑材料

粉煤灰的主要利用方式之一就是将其制作成建筑材料，包括水泥、混凝土、烧结砖、砌块等。这部分利用量占总利用量的比例为80%～90%。尽管建材工业方面的应用是对粉煤灰低附加值的简单再利用，但因其制备的材料质量高、成本低、用量大，因而这种方式在建材工业方面得到广泛的应用。

2.1.1 粉煤灰水泥

粉煤灰可以作为生产水泥的原料得到利用，因为其成分与黏土成分相近。生产水泥时需要加入一些煤，其间可以加入粉煤灰来减少加入的煤量，达到降低碳排放的目的。这是因为在粉煤灰的形成过程中，原料煤的不充分燃烧导致粉煤灰中有一些残余的碳。与以黏土为原料生产的硅酸盐水泥相比，粉煤灰水泥具有质地细密、不易裂开产生缝隙、失水干燥后收缩现象不明显、水化热偏低、胶砂流动度大和耐硫酸盐性能好等优点。万治华等在水泥与水反应中掺用粉煤灰，有效改善了水泥的抗蚀性、耐热性等性能。

2.1.2 粉煤灰混凝土

粉煤灰具有火山灰活性，可以用作混凝土生产中的矿物添加剂，以达到改善混凝土变形性、耐久性，增大其强度，降低干燥收缩性等目的。为了探究粉煤灰对混凝土失水干燥后收缩程度的影响，陈波等对此进行探索。试验结果表明，粉煤灰的掺加对混凝土收缩有较好的抑制作用，并且越到后期作用越显著。汪潇等考虑到与水泥混凝土相比，大掺量粉煤灰混凝土中含有较多的粉煤灰，早期硬度低，后期强度增长率大，因此集中研究了较长养护龄期下不同掺加量的粉煤灰混凝土的性能变化。结果表明，这些混凝土的后期强度、抗碳化能力都明显升高。

2.1.3 粉煤灰砖

传统烧结黏土砖的生产不仅会排放大量温室气体，还会导致资源枯竭和生物多样性的丧失，而粉煤灰的掺入不仅降低了固体废物的处理成本，还减轻了各种环境负担。粉煤灰砖与烧结黏土砖外观相似，但性能更优，其质量小、抗破坏能力强、保温隔热性好。另外，粉煤灰砖较低的制造周期和产品成本使其适合大规模生产和利用。

2.2 农业方面

粉煤灰是煤炭燃烧的副产品，因其中含有微量有毒元素Cd、Cr、Ni、Pb和有机化合物多环芳烃、多氯联苯等而被认为是一种固体废物。但粉煤灰中含有Si、Al、Ca、Mg、K以及S、Zn等植物所必需的元素，直接妥善利用粉煤灰作为土壤改良剂，将会有效地补充土壤养分、调整土壤pH，还能改良土壤的其他物理条件（包括质地、持水、排水等能力），为种植农作物创造良好的土壤环境。ADRIANO等通过研究证实了粉煤灰的使用有效增加了植物的有效含水量和土壤的持水能力。这主要是因为粉煤灰的比表面积大，增加了土壤的微孔细度，从而提高了保湿能力。研究发现，粉煤灰磁化后可得到磁性粉煤灰肥料。将其与土壤混合，在磁性颗粒周围产生局部磁场，激活微量元素，能够改善土壤组分和结构类型。这种肥料效果更强，可以减少其用量。如上所述，粉煤灰已经可以作为肥料施用到土壤中，以增加农作物的产量。但粉煤灰中有助于植物生长的养分通常很少，肥效不够明显。粉煤灰复合肥料通过混料和化学合成两步制成，其养分含量高，既可以满足作物生长的需要，又可以显著提高产量。

2.3 环境保护

粉煤灰内部是硅氧和铝氧四面体的网状结构，具有潜在的低成本吸附能力。因此，粉煤灰可用于吸附废水中的Cr、Ca、Pb等金属离子、有机化合物、染料以及空气中的SO、NO等。其吸附效果好、成本低，被广泛应用。此外，粉煤灰含有磁性颗粒，具有一定磁性，可以用作吸附剂中的磁性添加剂。为了提高其吸附能力，要对粉煤灰进行化学改性处理，通常采用的方法有酸改性、碱改性、盐改性等。

2.4 高价值利用

2.4.1 提取氧化铝

随着铝土矿资源的减少以及环境保护意识的增强，富含氧化铝的粉煤灰被视为铝土矿的潜在替代品，极具应用前景。在过去的几十年中，我国已经进行了许多从粉煤灰中提取和回收氧化铝的尝试，近年来已开发出许多方法实现粉煤灰中氧化铝的回收，主要可分为酸浸和烧结两类。酸浸法主要包括盐酸酸浸和硫酸酸浸，设备要求较高，导致生产成本也较高。烧结法主要包括石灰石烧结和石灰苏打烧结，石灰石烧结工艺是最早成功提取氧化铝的技术，也是第一个实现工业应用的技术。

2.4.2 合成沸石分子筛

作为重要的无机微孔材料，沸石广泛用于催化、洗涤添加剂和吸附等工业领域。粉煤灰具有密度小、比表面积大和晶体结构稳定等特点，具有优异的吸附能力。以粉煤灰为原料合成沸石经过几十年的研究，已经发展得比较成熟。

2.4.3 制备微晶玻璃

微晶玻璃是一种力学性能较优、由多个单晶颗粒与晶界构成的固体材料，它是由适当的成分经过热处理后形成的能量较低的结晶状态。燃煤灰渣、钢铁生产炉渣、污泥、煤矸石及其混合物的主要成分均为硅铝酸盐，可以用于生产微晶玻璃。上述原料中，粉煤灰排放量巨大且颗粒细小，活性高，有利于微晶玻璃的制备。其制备方法是以粉煤灰为主要原料，在恒温下熔融再结晶。结晶过程是一个非均相转化的过程，包括成核和生长两个阶段。考虑到原料组成和制备工艺，许多研究表明，将硅酸盐废料转化为有用的微晶玻璃产品是可以成功实现的。

3 结论

近年来，国家对粉煤灰的利用日趋增加，利用方式多种多样，但依然存在部分问题。一是粉煤灰的资源化利用依然主要停留在低附加值利用层面，应加大对其工业化高值利用途径的探索；二是不同地区的粉煤灰受燃烧条件、燃煤种类等因素的影响，内部品质存在明显差异，如何利用好不同地区粉煤灰的不同特质是今后研究的热点；三是利用粉煤灰合成沸石等高附加值吸附剂的优点尤为突出，特别是在如今碳达峰、碳中和的背景下，其作为处理CO的新型材料，有着低成本、高性能的显著优势，尽早实现工业化是未来该领域发展的趋势。