粉煤灰的处理与综合利用

粉煤灰的处理与综合利用

摘要：综述了粉煤灰的来源、性质、处理与综合利用的现状及存在的问题，通过研究国外粉煤灰综合利用新途径和新工艺，对我国粉煤灰综合利用发展前景进思考并提出合理建议。

关键词：粉煤灰、性质、综合利用、发展前景

1 前言

粉煤灰( fly ash) 是燃煤电厂排出的经静电集尘器收集得到的物质。燃煤形成的灰渣中粉煤灰约占4/ 5, 底灰约占1/ 5。依据煤源及种类不同, 形成的粉煤灰有显著差异。我国是以煤炭为主要能源的国家，电力的76%由煤炭产生，燃煤产生的粉煤灰总堆存量已超过10 亿t，而且还在以每年0. 8 亿～ 1 亿t 的速度增加，成为世界上最大的排灰国［1］。粉煤灰存放不仅占用大量土地，还会造成严重的环境污染。开展粉煤灰等煤系固体废弃物综合利用，延伸煤炭产业链，不仅关系到中国煤炭产业、电力工业及相关工业可持续发展问题，而且对保护土地资源，减少、消除污染，实现循环经济具有重要意义。

2 粉煤灰的成分及其性质

粉煤灰的化学成分取决于煤的品质, 主要成分中约有85%以上是Si、Al、Fe、Ca、Mg、K 及Na 等之氧化物。不同煤源的粉煤灰化学成分组成之百分比差异甚大, 有的超过一倍以上。其一般化学成分如表1 所示。表2 为世界各国煤灰之主要化学成分。台湾煤之粉煤灰为中性或弱酸性, pH 为5. 2~ 7. 4。从外国进口煤之粉煤灰呈碱性, pH 约10. 5~ 12. 6。而台湾煤与外国煤混合燃烧产生之粉煤灰多呈碱性, pH 约为6. 5~ 12. 3。

3 国内粉煤灰利用现状及存在的问题

目前, 中国对粉煤灰综合利用主要集中在用于烧砖、筑路、做水泥和混凝土的掺合料、选取漂珠、改良土壤等方面, 只有少部分用于化工工业和废水处理[2]。3.1 粉煤灰混凝土

粉煤灰是一种理想的混凝土掺合料。我国对粉煤灰混凝土的研究开发已经过半个多世纪的历程，目前已广泛应用于土木工程、建筑工程以及预制混凝土制品和构件等方面。

3.2 粉煤灰水泥

目前国内主要生产粉煤灰硅酸盐水泥和粉煤灰无熟料水泥两种类型。根据粉煤灰的掺量又分两种不同情况：(1)生产普通硅酸盐水泥和矿渣硅酸盐水泥，粉煤灰掺量≤15％；（2）生产粉煤灰水泥：用粉煤灰做混合材，掺量大小为20％~40％

[3]。

3.3 粉煤灰制砖

我国从1965 年开始生产粉煤灰烧结砖,其产量高于蒸制砖,产品吃灰量大,可节约大量粘土,但性能与粘土砖相差不大。我国目前生产的粉煤灰砖主要有蒸压粉煤灰砖和烧结粉煤灰砖。

3.4 粉煤灰筑路

粉煤灰在筑路方面的用量占其总使用量的20%，在我国的道路建设中，粉煤灰是一种良好的筑路材料，粉煤灰筑路包括作路面基层材料、代替黏土筑高速公路路堤、水泥混凝土路面，同时粉煤灰可用于护坡、护堤工程和修筑水库大坝等。3.5 粉煤灰选取漂珠

国内采用机械分选、湿法浮选等工艺，直接从粉煤灰中回收漂珠等有用物质。其中漂珠含量虽仅占粉煤灰总量的0.2%~1%，但具有质轻、熔点高、隔音、电绝缘、耐磨性强、抗压强度高、无毒、稳定性好等良好性能，可制备各种功能材料，如轻质耐火材料、防火防水涂料、车辆刹车片、石油裂化催化剂、人造革填充剂等[4]。

3.6 粉煤灰改良土壤

我国粉煤灰的农业应用研究主要是粉煤灰的改土效果和肥料价值。粉煤灰通过技术加工可以制成肥料, 改良土壤。贾得义等[5]利用焦作电厂产生的粉煤灰对重黏土地进行改良，试种小麦。试验结果显示，施用粉煤灰比不施粉煤灰的小麦产量有明显增加；在一定的施用量范围，施粉煤灰多少与小麦产量呈正相关关系。3.7 国内粉煤灰综合利用存在的问题

国内粉煤灰综合利用主要存在以下问题：

(1)粉煤灰综合利用率偏低，据有关资料报道，我国粉煤灰综合利用率只有30%左右，而国外对粉煤灰的利用率达70%-80%[6]。

(2)粉煤灰综合利用途径相对狭窄，国内粉煤灰综合利用主要集中在筑路和建工建材领域，在其它领域使用较少，在化工工业和环保领域的使用也只处于起步阶段。

(3)在综合利用过程中，尚存在对环境的某些负面影响，如贮灰场和运输车的扬尘污染、提取有用物质后废渣的处理、农用过程中重金属积累及建材制品的放射性问题等。

(4) 政策落实难，利用工作不尽人意。许多企业、基层干部及部分领导不知道有关粉煤灰综合利用政策，不关心粉煤灰综合利用政策的宣传和贯彻，领导不力。

4 国外粉煤灰利用新途径和新工艺

4.1 粉煤灰处理矿山酸性废水

粉煤灰处理污水机理复杂, 一般认为是吸附、凝聚、助凝和沉淀综合作用的结果。Penney 等利用粉煤灰处理矿山酸性废水，使废水中重金属含量减少并提高了废水pH 值；G Steenbruggen, G G Hollman[7]利用粉煤灰合成沸石,通过沸石化过程,阳离子交换容量从0. 02meq·g- 1 增加到2. 4 meq·g- 1。吸附实验表明, 沸石化粉煤灰吸附重金属离子的能力大

小为: Cu >Cd - Zn >Ni。在南非，Gitari 等对粉煤灰处理矿山酸性废水效果进行了测试，并提出了处理__废水中硼、镁、锶、钼和巴等溶解物的新工艺。

4.2 粉煤灰作回填材料

粉煤灰在陆地上的堆积，占用大量土地，造成环境污染。将粉煤灰作为一直回填料或填充材料可以较好的处置大量粉煤灰，达到保护环境、节约土地的目的。美

国学者Evans, D.W. [8]等将粉煤灰作为回填材料，回填煤矿采空区，使采空区上部地表沉陷得到有效控制。利用粉煤灰做回填材料在美国西弗吉尼亚州应用已相当普遍。

4.3 粉煤灰综合利用新工艺

波兰Groszowice 水泥厂用碱溶法可从含30%Al2O3的粉煤灰中提取氧化铝，其工艺流程为：粉煤灰、纯碱和石灰石在高温下熔融冷却，用水浸泡熔块，浸出液经脱硅处理后，用烟气中CO2进行碳酸化，析出Al(OH)3沉淀，煅烧即得到Al2O3，熔块浸渣可作为生产硅酸盐水泥的原料；在韩国, 有学者将粉煤灰与氨水混合, 在控制pH 值的情况下通过连续结晶提取NH4Al (SO4) 2 ,进而由NH4Al(SO4)2反应制得高纯明矾,再在明矾的基础上制得矾土。在一些粉煤灰综合利用的传统途径上，国外学者经过不断探索，也提出一些综合利用新工艺，如现有粉煤灰砖烧结温度在925-1050°C，存在抗冲击强度低等缺点，印度学者Chandra[9] 等将叶蜡石、六偏磷酸钠、纯碱等混合制成烧结活化剂，可明显降低粉煤灰砖烧结温度，并提高砖的抗冲击强度40%以上。在水泥和混凝土生产上，匈牙利电厂按化学成分、碱度及机械性能不同将粉煤灰筛分，通过化学精磨工艺，在替代水泥生产混凝土过程中收益良好。在美国，Namagga 等将高石灰质粉煤灰大比例掺入混凝土替代水泥，经两个月的测试周期，结果表明，高石灰质粉煤灰混凝土与标准混凝土在抗压强度、粘结强度、耐久性、抗冻性等方面差异不大，为节约混凝土生产成本，提高粉煤灰混凝土强度提供了宝贵经验。另外，粉煤灰在制备新型材料方面也具备一定用途。美国学者Lu Zhe 等研究将精细煤粒燃烧后产生的粉煤灰用于制备聚合物复合材料。在韩国，Kim Chul-Hwan 等研究将粉煤灰作为一种新的造纸原料，并通过电子显微镜分析粉煤灰提高纸张抗拉强度和内部粘结强度的原理[10]。

5 粉煤灰综合利用发展前景分析

目前，国内粉煤灰综合利用尚处于探索和发展阶段，我国粉煤灰综合利用的途径还很单调，与发达国家相比还有较大差距，要从根本上解决这一问题，关键是要以创新的意识和技术来促进粉煤灰的综合利用工作，重视新产品的开发和转化，加大科研投入，并向发达国家借鉴和学习新的粉煤灰综合利用途径和工艺。

综合以上分析，我国粉煤灰综合利用在传统项目上，如烧砖、筑路、做水泥和混凝土的掺合料等方面会有继续深入发展，产生新工艺。另外，粉煤灰在以下3 个方面的综合利用将具有可观的发展前景：

(1) 以粉煤灰为原料做吸附材料、絮凝剂等，应用于化工和环保方面。国内对用粉煤灰制无机絮凝剂的研究虽然已有报道, 但工艺设计仍处于摸索阶段, 研究才刚起步, 还没有实现工业化，目前, 在日本和西欧的一些国家利用粉煤灰生产高效絮凝剂现已实现了工业化生产。

（2）矿物质和高附加值产品的提取应用。粉煤灰中含有Al2O3、Fe2O3、Si2O2、锗（Ge）、镓（Ga）、钒（V）[11]等有用物质。可借鉴国外相关生产工艺，从粉煤灰中提取这些贵金属产品。

（3）以粉煤灰为回填料，应用于煤矿采空区回填，控制地表沉陷。

（4）以粉煤灰为原料，制备聚合物复合材料，纤维材料等。

参考文献

[1]Jian Zhang et al.Utilization of coal fly ashin the glass–ceramic production[J].Journal of Hazardous Materials,2007,149: 523–526.