論粉煤灰的資源化利用

嚴(yán)瑞山

（洛陽市雙勇機(jī)器制造有限公司，河南洛陽471003）

論粉煤灰的資源化利用

嚴(yán)瑞山

（洛陽市雙勇機(jī)器制造有限公司，河南洛陽471003）

粉煤灰是結(jié)晶體、玻璃體及少量未燃碳組成的一個復(fù)合結(jié)構(gòu)的混合體，是新發(fā)現(xiàn)的、數(shù)量巨大的、非常重要的礦產(chǎn)資源。資源化利用粉煤灰，既能夠化解粉煤灰所帶來的環(huán)境問題，又能夠?qū)⑵渥鳛橐粋€新興的資源加以開發(fā)，制作多種實(shí)用性產(chǎn)品，符合中國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略和節(jié)能減排的要求。

粉煤灰；重要資源；資源化利用

粉煤灰是指煤炭在燃燒后殘留的固體顆粒物，包括灰和渣，作為一種資源，具有很高的使用價值，并為某些建筑材料和制品所不可缺少。作為主要的能源，我國還將在相當(dāng)長的時期內(nèi)燃煤發(fā)電，粉煤灰產(chǎn)量也將會隨之持續(xù)大幅度增加。因此，大力開展粉煤灰的資源化利用，是我國經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展的必然要求。

1 粉煤灰的形成

煤氣發(fā)生爐和半水煤氣發(fā)生爐、燃煤電廠及各類鍋爐燃燒的原料、燃料煤，是由泥炭或腐泥轉(zhuǎn)變而來[1]，是古代植物埋藏在地下，在缺氧和某些細(xì)菌的作用下，經(jīng)過幾千年的漫長時間，在溫度、壓力及地址化學(xué)作用條件下而變成的[2]，是由有機(jī)物和無機(jī)物共同組成的。有機(jī)部分是由碳、氫、氧、氮、硫等元素構(gòu)成的復(fù)雜的多種高分子物質(zhì)的混合物[2]；無機(jī)物主要成分為高嶺石、方解石和黃鐵礦等，所含元素達(dá)數(shù)十種之多，最常見的有硅、鋁、鐵、鎂、鈣、鉀、硫、磷元素等。煤在燃燒時，其無機(jī)礦物經(jīng)過分解、燒結(jié)、熔融及冷卻過程，冷卻后的粉煤灰基本上分成玻璃體及晶體礦物兩類，冷卻速度較快時，粉煤灰的玻璃體含量較大；相反，冷卻速度較慢，玻璃體容易析晶。一般晶體礦物為石英、莫來石、磁鐵礦、氧化鎂、生石灰及無水石膏等，非晶體礦物為玻璃體、無定形碳及次生褐鐵礦，其中玻璃體含量占40%以上。在顯微鏡下觀察，粉煤灰是結(jié)晶體、玻璃體及少量未燃碳組成的一個復(fù)合結(jié)構(gòu)的混合體。

2 粉煤灰已經(jīng)成為重要資源

根據(jù)部分燃煤電廠的粉煤灰化驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)粉煤灰主要成分為硅、鋁、鐵、鈣、鉀、鎂、鈦、硫等氧化物，表1為粉煤灰的元素組成表。

表1 粉煤灰的元素組成表（部分電廠化驗(yàn)數(shù)據(jù)）%

隨著國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展，燃煤電廠規(guī)模不斷擴(kuò)大，現(xiàn)在已有數(shù)座單機(jī)組發(fā)電100萬kW的電廠在建和投產(chǎn)，排出的新灰加上歷年排出的灰渣，數(shù)量已經(jīng)達(dá)到數(shù)十億噸，按10億t測算：其中三氧化二鋁按20%計(jì)算就達(dá)2億t，二氧化硅按40%計(jì)算，達(dá)4億t，三氧化二鐵按10%計(jì)算，達(dá)1億t，氧化鈣按0.6%計(jì)算就達(dá)600萬t；氧化鎂按1.3%計(jì)算，達(dá)1300萬t；三氧化硫按0.4%計(jì)算，達(dá)400萬t；磷按0.4%計(jì)算，達(dá)400萬t；氧化鉀按1.8%計(jì)算，達(dá)1800萬t；氧化鈉按0.6%計(jì)算，達(dá)600萬t。10億t粉煤灰中，鋁、硅、鐵、鈣、鎂、鉀、硫、磷、鈉的含量就達(dá)8.42億t，特別是硅、鋁、鐵三種氧化物更達(dá)到了80%以上，這是新發(fā)現(xiàn)的、數(shù)量巨大的、非常重要的礦產(chǎn)資源。

眾所周知，我國是世界最大的鋼鐵生產(chǎn)國，但是國內(nèi)的高品位鐵礦卻極少，大部分鐵礦原料都要從國外進(jìn)口，世界鐵礦原料的價格上漲，對我國鋼鐵業(yè)產(chǎn)生了極大壓力，引起國內(nèi)鋼材價格高升；中國鋁業(yè)股份有限公司總裁助理謝洪在廣西百色舉行的鋁業(yè)可持續(xù)發(fā)展論壇上說：“每噸氧化鋁消耗鋁土礦資源儲量3.3t，而我國保有的基礎(chǔ)儲量約7億t，只能維持不到10年的時間”。隨著我國礦石原料進(jìn)口量的急劇增長和高度集中，鋼鐵業(yè)、鋁業(yè)穩(wěn)定發(fā)展面臨的風(fēng)險在不斷擴(kuò)大，如果將粉煤灰很好利用，會緩解這些資源在國內(nèi)緊缺的局面和降低行業(yè)穩(wěn)定發(fā)展面臨的風(fēng)險。

3 粉煤灰的資源化利用

由于粉煤灰中的礦物質(zhì)含量多，嚴(yán)格界定應(yīng)屬于伴生礦物，不宜采用單一處理利用方案。

3.1 單一利用和資源利用的效益比較

例如：某電廠年排粉煤灰100萬t，全部用于制磚生產(chǎn)線，可生產(chǎn)4億塊標(biāo)準(zhǔn)磚，每塊磚利潤0.1元，年創(chuàng)效益4000萬元，利用粉煤灰制磚每噸可以創(chuàng)效益40元。

粉煤灰的資源利用效益：

（1）在Fe2O3含量8%的情況下，100萬t粉煤灰中就有8萬t的Fe2O3，建設(shè)一條年產(chǎn)6萬t鐵粉生產(chǎn)線，效益按400元/t計(jì)算，就是3000萬元；利用粉煤灰中的鐵元素選鐵，可以創(chuàng)效益40元/t。

（2）在Al2O3和SiO2含量70%的情況下，100萬t粉煤灰中就有70萬t的Al2O3和SiO2，建設(shè)一條年產(chǎn)30萬t的鋁硅合金生產(chǎn)線，效益按2000元/t計(jì)算，就是6億元；利用粉煤灰中的鋁硅元素冶煉鋁硅合金，可以創(chuàng)效益600元/t。

（3）建設(shè)一條40萬t的復(fù)合肥生產(chǎn)線，效益按300元/t計(jì)算，就是1.4億元。利用粉煤灰中的硅、鉀、磷元素制復(fù)合肥，可以創(chuàng)效益140元/t。

（4）資源利用后余下的粉煤灰和冶煉渣還可以做磚或建材。

利用粉煤灰，從工業(yè)上解決了冶金和鋁硅合金原料的緊張局面，從農(nóng)業(yè)上給當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)民種田帶來了實(shí)惠并進(jìn)行了土壤改良，從企業(yè)自身來講，利用100萬t粉煤灰，效益達(dá)到7.8億元，比原來單一做磚的4000萬元增加了7.3億元。目前全國每年排出粉煤灰6億t以上，采取這樣的資源利用方案就可以多創(chuàng)造4380億元的經(jīng)濟(jì)效益。

據(jù)中國資源綜合利用協(xié)會粉煤灰專委會有關(guān)粉煤灰資源利用效益比較資料顯示：粉煤灰用于回填或土建材料，效益不足10元/t；粉煤灰用于墻體材料或水泥混合材料，效益每噸達(dá)幾十元；粉煤灰用于混凝土摻和材料，效益達(dá)40～100元/t；粉煤灰用于分子篩，效益達(dá)4000元/t以上；粉煤灰用于復(fù)相陶瓷，效益達(dá)到每噸上萬元。因此，資源化利用出效益，更出高效益。

3.2 粉煤灰在農(nóng)業(yè)方面的利用

20世紀(jì)80年代起，我國電力部門和農(nóng)科院所經(jīng)過多年試驗(yàn)和研究證明，粉煤灰比水容量接近或略高于土壤，與土壤水分相比，粉煤灰水分更容易被植物利用，施用粉煤灰可以對土壤理化性質(zhì)產(chǎn)生重大影響。

（1）降低粘土中粘粒含量4%～8.9%，改良土壤。

（2）減少粘土堆積密度0.16g/cm3。

（3）增加土壤的孔隙度7.4%。

（4）提高土壤14cm深度土層內(nèi)溫度0.4～1.3℃。

（4）提高土壤含水量和田間持水量6.1%。

（6）調(diào)節(jié)土壤的固液氣三相比為1∶1.24∶0.43，使大小孔隙比處于最適宜的比例內(nèi)。

（7）減小土壤的膨脹率7.4%，提高土壤的滲透性，防止土壤流失。

（8）增加土壤有效磷含量1～6倍，具有明顯增產(chǎn)效果。

（9）增加土壤中的硅、銅、鋅、鉬、錳、硼等營養(yǎng)元素含量，有利于作物生長。

（10）調(diào)整土壤的pH值，對酸性、堿性土壤進(jìn)行改良。

施用粉煤灰改良后的土壤進(jìn)行種植，可以使小麥增產(chǎn)4.6%～20.7%，平均增產(chǎn)13.14%；玉米增產(chǎn)7.8%～14.4%，平均增產(chǎn)11.64%；水稻增產(chǎn)8.6%～23.4%，平均增產(chǎn)16%；黃豆增產(chǎn)8.6%～32.9%，平均增產(chǎn)20.74%；谷子、山芋、棉花、蔬菜等也都有一定的增產(chǎn)效果[3]。因此利用粉煤灰制作農(nóng)用肥料對于我國農(nóng)業(yè)大國來講是大有發(fā)展的，更是改良多年使用化肥造成土壤污染和板結(jié)的重要途徑。

3.3 粉煤灰制作無機(jī)非金屬材料——微晶玻璃

微晶玻璃是我國剛剛開發(fā)的一種新型的建筑材料，它的學(xué)名稱為玻璃陶瓷。微晶玻璃和常見的玻璃看起來大不相同。它具有玻璃和陶瓷的雙重特性，普通玻璃內(nèi)部的原子排列是沒有規(guī)則的，這也是玻璃易碎的原因之一。而微晶玻璃象陶瓷一樣，由晶體組成，也就是說，它的原子排列是有規(guī)律的。所以，微晶玻璃比陶瓷的亮度高，比玻璃韌性強(qiáng)。做一個微晶玻璃與天然石材的對比實(shí)驗(yàn)：把墨水分別倒在大理石和微晶玻璃上，稍等片刻，微晶玻璃上的墨汁可以輕易地擦掉，而大理石上的墨跡卻留了下來。這是為什么呢？表面粗糙的大理石、花崗巖等天然石材盡管加工打磨得光滑閃亮，但是條紋中仍然可以藏污納垢，微晶玻璃就沒有這種問題。大理石的主要成分是碳酸鈣，用它做成建筑物，很容易與空氣中的水和二氧化碳發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，日久大理石建筑物必然變色，而微晶玻璃幾乎不與空氣發(fā)生反應(yīng)，可以歷久長新。微晶玻璃具有良好的機(jī)械性能和物理性能，其硬度為莫氏6～9，耐壓強(qiáng)度為6.3t/cm2,抗折強(qiáng)度為487～1380kg/cm2,抗沖擊強(qiáng)度為2.4～3.8kg/cm2,光澤度為70～120，膨脹系數(shù)為61～77.4（10/℃），吸水率＜0.07%，耐磨損失為0.49g/cm2，而且有很好的耐酸、耐堿性能，微晶玻璃集中玻璃、陶瓷及天然石材的三重優(yōu)點(diǎn)，優(yōu)于天然石材和陶瓷，因此被廣泛用于制作建材、板材、管材等，可用于建筑幕墻及室內(nèi)高檔裝飾，還可做機(jī)械上的結(jié)構(gòu)材料，電子、電工上的絕緣材料，大規(guī)模集成電路的底板材料、微波爐耐熱系列器皿、化工與防腐材料和礦山耐磨材料等，它還可和其他金屬材料配合用于制作高強(qiáng)度軸承、高壓容器、高壓管道、發(fā)酵罐、建筑的無鋼筋樓板、空心間壁墻板、發(fā)動機(jī)汽缸以及航天發(fā)動機(jī)、宇航船外殼、火箭噴口等高精尖產(chǎn)品，低膨脹系數(shù)的微晶玻璃可用于激光導(dǎo)航陀螺、光學(xué)望遠(yuǎn)鏡等重要科技和軍工領(lǐng)域，是21世紀(jì)最具發(fā)展前途的新型材料。

選用粉煤灰作為制備微晶玻璃的主要原料，是因?yàn)榉勖夯以诟弑峨娮语@微鏡下觀察，是化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的玻璃球珠，它的化學(xué)成分與微晶玻璃的化學(xué)成分相似，含有微晶玻璃的主要化學(xué)成分，如 SiO2：24%～64%，Al2O3：10%～44%，CaO：1%～30%，以及含有MgO，F(xiàn)e2O3，SO3和放射性元素鐳—226、釷—232等元素，這些都是制備微晶玻璃的必備成分。粉煤灰的上述化學(xué)成分依不同地區(qū)的煤質(zhì)、燃燒時是否加石灰石，以及加入量及其化學(xué)成分含量，有所變化。

利用火力發(fā)電廠的粉煤灰制做微晶玻璃，不僅為生產(chǎn)微晶玻璃提供了最容易得到的廉價原料，而且為粉煤灰資源化利用開辟了一條新的途徑，對于微晶玻璃新材料的開發(fā)利用具有重要意義。

3.4 粉煤灰資源化利用方案實(shí)施時的注意事項(xiàng)

由于粉煤灰化學(xué)成分含量多，適用范圍廣，可以應(yīng)用在許多領(lǐng)域。但是，由于多方面原因，實(shí)際應(yīng)用起步很晚，許多技術(shù)鮮為人知，應(yīng)用領(lǐng)域也很陌生。因此在搞資源化利用方案時，要建立化驗(yàn)室和實(shí)驗(yàn)室。對資源化利用的方案要根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際情況和市場情況，以及工業(yè)布局來多方考慮、充分論證、慎重確定；對工藝流程和機(jī)器裝備要借鑒多個領(lǐng)域、多個行業(yè)已有的經(jīng)驗(yàn)和機(jī)器裝備來改進(jìn)和選用；在可能的情況下盡量采取總包和大包工程的方式來實(shí)施。這樣，通過合同關(guān)系、經(jīng)濟(jì)關(guān)系的確定，一方面促進(jìn)參與單位和人員的責(zé)任心，另一方面促進(jìn)資源化利用方案的高效、完善，從而不斷改進(jìn)粉煤灰資源化利用的各類方案和相關(guān)生產(chǎn)線，使設(shè)計(jì)院所、機(jī)械設(shè)備制造廠家、安裝公司通過實(shí)踐，在方案設(shè)計(jì)中有所改進(jìn)，有所提高。

4 結(jié)語

粉煤灰是新的、數(shù)量巨大和重要的資源，它具有伴生礦產(chǎn)的性質(zhì)和特點(diǎn)，單一利用不能達(dá)到較好效果，要盡快完善相關(guān)的技術(shù)、工藝、裝備等配套方面的工作，才能搞好粉煤灰的資源化利用。這樣既能夠化解粉煤灰所帶來的環(huán)境問題，又能夠?qū)⑵渥鳛橐粋€新興資源加以開發(fā)，制作多種實(shí)用性產(chǎn)品，這將對節(jié)能降耗、節(jié)能減排起到極大的促進(jìn)作用，是加快經(jīng)濟(jì)發(fā)展、建設(shè)資源節(jié)約型社會和循環(huán)型社會的最好體現(xiàn)。

[1]陳鵬.中國煤炭性質(zhì)、分類和利用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2001.

[2]向英溫，楊先林.煤的綜合利用知識問答[M].北京：冶金出版社，2002.

[3] 王福元.吳正嚴(yán).粉煤灰利用手冊[M].北京：中國電力出版社，2004.

Ontheresourceutilizationofflyash

YANRuishan
（LuoyangShuangYongMachineryManufacturingCo.,Ltd.,Luoyang471003,China）

Flyashisahybridcompositestructure.Therearecrystalline,vitreousandasmallamountofunburned carboncomposition.Flyashisanewlydiscovered,ahugenumberofveryimportantmineralresources.Utilizationoffly ash,bothtoresolveitsenvironmentalproblems,butalsotobedevelopedasanewresourceandproducedavarietyof practicalproducts.Thisisconsistentwithsustainabledevelopmentandenergysavingrequirements.

flyash;importantresources;resourceutilization

X773

A

1674-0912（2014）02-0037-03

2013-12-24）

嚴(yán)瑞山（1942-），男，北京市人，獲得“粉煤灰提取鋁硅合金的工藝方法”和“大型壓球機(jī)”兩項(xiàng)發(fā)明專利，從事工業(yè)固體廢棄物的處理與利用工作。