粉煤灰的利用技術研究進展綜述

徐靖 李婷 梁曉玲

摘要：粉煤灰是火力發電廠中粉煤燃燒后產生的固體殘留物，它是一種工業副產品.如果不能得到有效利用，它將是一種污染環境的廢棄物.在過去的近二十年里，廢棄物與副產品的應用受到越來越多的關注.本文主要對粉煤灰的一些基本性質進行了表述，物理和化學是其中最重要的性質，敘述了許多粉煤灰在建筑材料、沸石的合成、玻璃和陶瓷的生產、金屬元素的提取、廢氣廢水處理、土壤改善等領域的應用現狀，提出了當前利用中存在的問題，并對粉煤灰綜合利用的發展趨勢做出了展望.

關鍵詞：粉煤灰;廢物;性質;應用

中圖分類號：TQ038? 文獻標識碼：A? 文章編號：1673-260X（2019）06-0108-03

1 前言

在一些火力發電站，以煤粉燃燒作為動力來源，而其燃燒后排放的粉灰灰粒，屬于當前經濟水平的國家的工業固體廢棄物.很大部分浪費的土地資源都是由于粉煤灰的大量堆積造成的浪費，進而可能形成其他一些資源的浪費，造成土地退化，對環境和人類健康帶來危害.

目前，粉煤灰每年在整個地球的排放量是很多的，一般都會高于7.5億噸，其中中國加上印度就占了大半，如圖1所示.火力發電用得最多的能源就是煤，在完成發電后產生粉煤灰.

對我們國家當前社會發展水平與資源發現程度來說，煤依舊在我國能源中占很大比例，這就導致在以后的生產生活中我國還要繼續大量的使用煤作為能源.放眼全球，我國是最大的煤炭消費國，大約占煤消耗總量的一半.根據前幾年的記錄，我國近年來的粉煤灰年排放量持續增加，且幅度較大，燃煤電廠不斷發展，粉煤灰產生量還將繼續增加.預計，2020年我國的粉煤灰產生量在5.5～5.7億噸.

對于工業廢棄物，不應只采取銷毀或者扔掉的做法，可以對其加以利用，就有可能變成一些有利的資源，粉煤灰也不例外.因此思考正確合適的處理方法刻不容緩.例如，Jung-Ho Wee[1]利用CO2對于粉煤灰的捕獲、儲存等的積極作用的表述.Devi Prasad Mishra[2]通過對粉煤灰物理化學性質的研究及礦物學分析，介紹了粉煤灰在填充地下煤礦井方面的應用.目前，粉煤灰已在水泥生產、建筑工程、農業及礦山充填等方面得到廣泛應用，M.Ahmaruzzaman[3]對粉煤灰的綜合利用技術進行了綜述，并且著重介紹了其在去除某些金屬元素領域的應用.

2 粉煤灰的礦物組成、物理性質及化學性質

原煤性質、燃燒條件等固有性質和人為條件的影響都會讓粉煤灰的自身組成、性質有所不同.為了更好地對粉煤灰進行開發，那么對其礦物學、化學等諸多性質就不能視而不見，詳細了解這些性質是非常必要的.

2.1 粉煤灰的礦物組成

粉煤灰在本質上就是一種混合材料，外形像火山灰，就是煤粉經過燃燒后形成的.從物相這方面討論，其實晶體相和無定形相就是該混合物的結構.而且礦物組成不唯一，種類較多.石英、莫來石等都能成為晶體礦物石，無定形相由玻璃體、無定形碳和次生褐鐵礦等組成，玻璃體為主體，約占粉煤灰總量的50%～80%，蘊含較高的化學內能，具有良好的化學活性.

2.2 粉煤灰的物理性質

粉煤灰外形跟水泥沒什么區別，顏色差別可能較大，其中沒有進行燃燒的碳的數量決定了顏色，一般在乳白色與灰黑色之間.粉煤灰的細度一般也是由這些表示的，關系就是：顏色深粒度細、含碳量相對就高.從形狀的區別來分析，粉煤灰的顆粒一般都是大小、形狀都不同的橢球形，人為設置的燃燒溫度和冷卻速率控制著顆粒大小.顆粒一般都是中空的，無定形顆粒和晶體占很大比例.正常情況下，粉煤灰顆粒平均直徑小于10μm（圖2）[4].其他方面，灰融溫度一般在初始變形溫度和流動溫度之間，其他物理性質見表1，粉煤灰這些性質會使其在一些地方的應用不同，下邊做具體分析.

2.3 粉煤灰的化學性質

粉煤灰化學成分并不是完全都相同的，會因為燃煤產地差異，燃燒充分性不同有所區別，對大部分的粉煤灰，主要有Al2O3、SiO2、Fe2O3等各種氧化物以及未燃燒充分的碳組成.Al2O3、SiO2、Fe2O3含量會有很大區別，根據這方面，美國ASTM將其分為兩種類型：F類（SiO2+Al2O3+Fe2O3≥70%，具有火山灰活性）和C類（SiO2+Al2O3+Fe2O3≥50%，具有水硬性）.粉煤灰中還含鍺、鎵、硼、鎳、鈾、鉑等稀有元素.

粉煤灰的化學性質主要受到原煤產地的影響.原煤硫含量的多少是決定酸堿度的主要指標，一般在弱酸性與弱堿性之間.當前大部分的粉煤灰都是呈堿性的，因為其Al2O3含量比較高，這就更有利于我們從煤灰中提取Al2O3，提高對煤灰的利用.但是煤灰中還含有硫等有污染的元素，這是在利用煤灰時要考慮的主要因素.

3 粉煤灰的應用

3.1 金屬元素的提取

粉煤灰中富含很多元素，例如鋁、鐵、鈣、鎂、鈉、鉀等，因此，從粉煤灰中提取金屬元素是讓粉煤灰變廢為寶的一種很有前景的利用方式.

3.1.1 氧化鋁的提取

一般相同產地的煤，經過燃燒產生的煤灰氧化物含量基本相同，產地不同，含量差別很大.大部分粉煤灰的氧化物含量有相同的大小順序：SiO2> Al2O3>Fe2O3.氧化鋁在粉煤灰中占很大比例，這就導致粉煤灰成為提取氧化鋁的待選原料.鋁土礦產慢慢減少，而對氧化鋁的需求還在不斷地提高，這使得如何在粉煤灰中提取Al2O3變得極為重要.所以，粉煤灰中Al2O3的提取利用有利于社會效益的提高，對環境無污染，最重要的是降低對鋁礦石的依賴，解決鋁資源的短缺.

從20世紀中葉開始，JW以高鋁煤矸石、Al2O3>30%的粉煤灰為主要原料提取Al2O3[5]，全球許多專家學者也對粉煤灰提取鋁進行大量實驗研究.設計了許多提取Al2O3的工藝，主要分為兩種方法：堿性燒結法、酸浸法.

3.1.1.1 堿性燒結法

莫來石、石英等非晶向物質在極高溫下就形成了粉煤灰.粉煤灰中的莫來石是鋁的主要來源，它是一種惰性物質.所以，對粉煤灰進行活化操作，對從中提取Al2O3有很大的促進作用，因此必須進行.高溫煅燒法是經常采用的活化方式.在進行粉煤灰加熱的時候，加入一些石灰，使得煅燒溫度有所控制，也能加快提取速度.

3.1.1.2 酸浸法

堿性燒結法和酸浸法都可以用來從粉煤灰中提取氧化鋁.堿性燒結法可以提高氧化鋁的回收效率，使用此方法需要大量能量，且固體廢棄物產生較多.另一種方法不僅沒有許多固體廢棄物，而且能分離Al2O3和SiO2，提取的Al2O3純度較高，綜上所述，酸浸法對于大規模生產Al2O3更加適合.但還存在一定缺點：提取效率不如第一種方法，使用氟化物可以提高效率，但對環境有很大污染.這就導致了不能將此方法在工廠內大范圍應用.

酸浸法通常使用的酸是硫酸、鹽酸和硝酸.反應機理如下：

提高Al2O3的提取效率是當前要研究的重點，人們做了許多實驗研究.吳等人[6]通過降低溫度、酸的濃度，采用高壓酸浸出法從粉煤灰中提取Al2O3，理論獲得的最優工藝條件是：粉煤灰粒徑為74微米，硫酸濃度為50%，混合后放入高壓反應釜，反應溫度為180°C，反應時間4小時;在此條件下，氧化鋁的提取率達到了82.4%（圖3）.龔等人在酸浸法提取氧化鋁的過程中用微波加熱代替傳統的加熱方式，使Al2O3的提取率在80%左右，這是因為微波加熱在一定程度上加速溶解粉煤灰中無機物質、有機物質.

綜上所述，對粉煤灰利用的方法有許多，但從中提取金屬元素不失為一個錯的選擇，這種方法還能提高經濟效益.不盡人意的是，即使我們已經對此做了大量的實驗研究，依然是不完美的，實驗表明，提取過程有有毒的物質存在，對環境和水源有極大的污染.因此，在此領域的發展還有很長的路要走，需要不斷提高提取工藝的技術及效率.

3.2 沸石的合成

粉煤灰與火山巖的組成成分中，Al2O3、SiO2的含量都遠遠大于其他氧化物，因組成相似，所以有相近的物理化學性質.天然沸石是從火山巖發展而來的，粉煤灰作為火山巖的代替物就可以作為合成沸石的材料.粉煤灰合成沸石后，該沸石就可以有凈化水、空氣等用處，這又是粉煤灰的利用方法.

1985年Holer和Wirschingin首次成功將粉煤灰轉化成了沸石[7]，發展了粉煤灰利用的一種有效途徑.隨后，研究者們提出了各種改進粉煤灰制備沸石的方法，合成許多用處不同的沸石.已經在媒體上報道的合成沸石有：八面沸石、鈣十字沸石等多種類型.文獻[8]告訴我們，堿性水熱法是最早的合成沸石的方法.Murayama等人[9]通過堿性水熱法合成了P型沸石和菱沸石，這些人覺得粉煤灰的合成機理是：硅酸鹽玻璃網絡結構在OH-作用下溶解，Al3+、Si4+聚集生成硅鋁酸鹽凝膠，然后形成了[SiO4]4-和[AlO4]5-四面體，而這些四面體是組合成三維沸石的基本結構單元;最后，在K+等離子作用下，結晶生成特定鹽基化沸石.

4 結論

粉煤灰是燃煤電廠中粉煤在高溫燃燒后產生的一種無機殘渣.近年來，全球粉煤灰大量堆積，為人類帶來了相應的環境問題.如果處理不妥當，生物的健康和環境都將會受到威脅.因此，粉煤灰作為一種可以加工生產多種有用產品的原料而受到了廣泛關注.人們正在努力搜尋著粉煤灰可能的利用領域.

本文意在對粉煤灰的利用技術提供一個詳細的介紹，重點介紹了其在以下領域的應用：提取金屬元素、合成沸石的生產.

然而，大多數報道出來的粉煤灰的利用方法經濟效益低，而且處在商業化的初級階段.因此，尋找合適的粉煤灰利用方法使其轉化為商業應用是十分必要的，這將帶來好的經濟效益和環境效益.

參考文獻：

〔1〕Jung-Ho Wee. A review on carbon dioxide capture and storage technology using coal fly ash[J].Applied Energy 106 （2013） 143–151.

〔2〕Devi Prasad Mishra， Samir Kumar Das. A study of physico-chemical and mineralogical properties of Talcher coal fly ash for stowing in underground coal mines[J]. M A T E R I A L S C H A R A C T E R I Z A T I O N 6 1 （2010）1252–1259.

〔3〕M. Ahmaruzzaman. A review on the utilization of fly ash[J]. Progress in Energy and Combustion Science 36 （2010） 327–363.

〔4〕Sudha Jala， Dinesh Goyal. Fly ash as a soil ameliorant for improving crop production—a review[J]. Bioresource Technology 97 （2006） 1136–1147.

〔5〕Hosterman JW， Patterson SH， Good EE. World nonbauxite aluminum resources excluding alunite. Washington： US Government Printing Office; 1990 （p. 51）.

〔6〕WU Cheng-you， YU Hong-fa1， ZHANG Hui-fang. Extraction of aluminum by pressure acid-leaching method from coal fly ash[J]. Trans. Nonferrous Met. Soc. China 2012;22：2282-2288.

〔7〕H. H?ller， U. Wirsching， Zeolites formation from fly ash， Fortschr Mineral 63（1985） 21–43.

〔8〕Annie Shoumkova， Valeria Stoyanova. Zeolites formation by hydrothermal alkali activation of coal fly ash from thermal power station “Maritsa 3”， Bulgaria[J]. Fuel 103 （2013） 533–541.

〔9〕Norihiro Murayama， Hideki Yamamoto， Junji Shibata. Mechanism of zeolite synthesis from coal fly ash by alkali hydrothermal reaction[J]. Int. J. Miner. Process. 64 （2002） 1–17.