探究固體廢棄物粉煤灰的深加工利用

吳建明 王震 馮會巖 鄭奎虎 袁新文

摘?要：粉煤灰作為固體廢棄物循環(huán)利用的重要材料之一，已經為更多人所關注。然而，長期以來，粉煤灰在具體應用中存在一定的局限，并未深入社會生活領域。近些年，隨著生態(tài)循環(huán)發(fā)展理念的盛行，固體廢棄物粉煤灰的深加工利用已經被重新挖掘出來。為此，本文從三個方面探討了當前粉煤灰的利用情況，進一步綜合評價其利用的數值，并分為四個等級。最后，給出具體的現實應用情況。

關鍵詞：固體廢棄物;粉煤灰;水泥;深加工;利用途徑

隨著煤炭廣泛應用，全球粉煤灰排放量呈現逐年增加的趨勢，而如何綜合利用成為亟待解決的關鍵問題。粉煤灰大量堆放，不僅嚴重威脅人類健康與周邊的環(huán)境，更浪費了寶貴的土地資源。長期以來，粉煤灰作為固體廢棄物沒有得到充分利用，使得污染浪費現象極為嚴重。隨著社會經濟的快速發(fā)展，越來越多的實踐表明，粉煤灰是可以作為可替代資源加以循環(huán)利用的。在資源日漸匱乏的當前，粉煤灰如何進行深加工應用，以實現變廢為寶，成為當前研究的熱點之一。然而，現階段我國粉煤灰資源深化利用還存在諸多問題，比如粉煤灰利用缺乏穩(wěn)定途徑、存在二次污染、綜合利用率與利用水平較低等問題。有鑒于此，需要對粉煤灰資源進行科學、系統(tǒng)、客觀地評價與研究，并積極促進粉煤灰資源化循環(huán)使用，從而推動資源節(jié)約型社會的發(fā)展。

1 固體廢棄物粉煤灰的資源化利用

在資源匱乏的當下，尋找環(huán)保、安全的資源替代高耗能、高污染的資源是解決環(huán)保問題的重要方式。其中，作為固體廢棄物污染之一的粉煤灰，曾被誤認為有毒有害的工業(yè)廢渣。但已有研究已經證明，它是一種新型的環(huán)保資源。經過若干年的發(fā)展，粉煤灰資源化利用的技術方式已經有了新突破。具體來說，固體廢棄物粉煤灰的資源化利用途徑，主要包括建筑工程農業(yè)領域、環(huán)保領域、化工汽車領域等。由于涉及領域較多，本文主要從這些領域中篩選比較典型的應用進行描述，主要從水泥、混凝土、橡膠等領域進行論述。

1.1 水泥行業(yè)中的應用

從化學成分來看，粉煤灰主要由SiO2和Al2O3等硅鋁酸鹽材料構成，具有黏土的特性，所以可以替代黏土配料生產水泥。同時，將粉煤灰利用的剩余碳投入煅燒水泥熟料的燃料中，可以大量節(jié)約燃料。將粉煤灰深入水泥的混合材料時，關鍵在于利用其火山灰性質，因此根據摻量不同生產不同類型的水泥產品。其中，在硅酸鹽水泥熟料中，將火山灰質材料投入進去，通過適量的石膏研磨，即可得到粉煤灰水泥。從上世紀60年代開始，我國逐步開始生產粉煤灰硅酸鹽水泥。在這些類型的水泥中，大部分按照國家標準瀍河了20%～40%的粉煤灰，比如低比重油井水泥、硫鋁酸鈣水泥等。與普通的硅酸鹽水泥相比，粉煤灰類型的水泥具有較大優(yōu)勢，比如水化熱低、耐硫酸鹽性好，早期強度較低而后期強度增長較快等。另外，由于粉煤灰中都存在一定比例的未燃燒碳，所以在生產水泥過程中通過煅燒燃料，可以大量節(jié)省燃料。

1.2 粉煤灰在混凝土中的應用

粉煤灰同樣可以應用于混凝土中。在混凝土中摻入部分粉煤灰，可以提高混凝土的性能，從而節(jié)省原料成本。一般而言，粉煤灰能提高混凝土的可泵性，在將混凝土輸送到高處的建筑物時，可以添加粉煤灰加以輔助。在實際應用中，上海東方明珠電視塔、金茂大廈都是通過摻粉煤灰泵送混凝土的成功案例。同時，混凝土中摻入粉煤灰可以降低水化熱的有效作用，在具體應用中也有較好的案例。比如，上海秦山核電站壁厚1米的混凝土安全殼沒有裂縫出現。另外，上海地鐵工程用管片摻入粉煤灰混凝土，平均滲水高度要比普通混凝土低得多。粉煤灰加氣混凝土的制作，主要是在水泥加入適量氣劑，用粉煤灰做硅質材料，通過硬化壓蒸即可得出。它比用硅砂制造的加氣混凝土更具有良好的隔熱性能。

1.3 在橡膠行業(yè)中的應用

在橡膠行業(yè)中，粉煤灰的含硅量達到30%～40%時，可以作為填充劑與碳黑補強而存在。當活性粉煤灰的用量增加時，橡膠的膠料挺性在不斷增大，制品收縮減少。同時，由于粉煤灰的膠料相容性較好，在混煉膠中呈現均勻分布特征，其充模性較好，可以應用于多種類型的橡膠制品。有學者在粉煤灰中加入膨潤土和廢橡膠粉末，從而評估材料用作防水材料的可行性。測試結果發(fā)現，該材料的滲出液、水壓傳導率都會隨橡膠含量增加而增加;通過拉伸、壓縮等試驗表明，撕裂強度會隨橡膠含量降低而隨之減少;冷凍試驗說明材料內部并沒有較大的缺陷。總體來說，在橡膠材料加入粉煤灰之后，所制作的防水材料具有低成本、無污染且安全無毒等優(yōu)勢。

2 固體廢棄物粉煤灰資源化利用的綜合評價

2.1利用評價指標體系構建

在設計綜合評價指標體系的時候，要按照定量、定性相結合的方法建立。定量可以使用真實數據說明問題，可以通過明確的評價標準量化表達，讓結果以明確的方式表達出來，具有較強的說服力。目前，我國粉煤灰資源化利用的數據統(tǒng)計方法還不完善，部分定量數據無法及時獲取。但是，定性指標能夠反映領域專家的經驗，說明定量指標無法說明的問題。因此，在建立固體廢棄物粉煤灰資源化利用的綜合評價指標時，需要利用定性、定量結合的方法進行設計，確保評價指標體系的客觀、系統(tǒng)與科學。

通過調查研究企業(yè)年鑒、工藝設備、統(tǒng)計資料等內容，使用量化指標體系將粉煤灰排放費、儲灰場建設費用，以及廢物排放達標率，以及產品銷售率及粉煤灰利用率等因子進行評價，從而實現對粉煤灰資源化利用的達標水平進行測試。另外，通過建立粉煤灰資源化利用評分等級體系，以此確定粉煤灰項目等級。具體指標如下表所示。

2.2 粉煤灰資源利用的評價方法

建立指標體系后，需要通過一定的方法對指標進行評價。此時，為了分析粉煤灰水泥的性能，在綜合考量指標特點的基礎上，通過層次分析法、專家評分等方法確定指標權重及數值。在上述方法的基礎上，利用Excel導入現場粉煤灰水泥的有關數據及相關權重，自動完成計算。計算完成后得出粉煤灰資源化利用的等級劃分。

2.3 指標統(tǒng)計與計算

依據有效回收的調查表，按照以上方法進行模糊統(tǒng)計。將所有已得到的數據按照評價標準加總后，除以被調查人數，最后得出指標性的隸屬度。同時，粉煤灰具有一定量的樣本數據，因此在計算的時候采用模糊隸屬函數的方法對指標評價。在此基礎上，構造隸屬函數，確定隸屬各個等級的隸屬度。最后按照如下的步驟進行。第一，選取若干數量不等的觀測作為凝聚點;第二，分配每個觀測點，并通過最近的類來形成臨時分類。另外，為觀測進行分類，凝聚點更新為目前的均值。第三步，將分配的凝聚點與觀測點最近的類來形成臨時分類。在完成所有觀測點后，將凝聚點的臨時類的均值代替原有值。此時，將該步驟同時進行，直至所有的凝聚點達到規(guī)定的限制條件。

2.4 粉煤灰資源化利用評價的實現

確定性指標和定性定量指標，對指標進行處理。采取專家評分法與德爾菲法，將待評價的項目情況進行打分，確定評價指標。同時，經過調研數據，以及現有的國家標準和行業(yè)標準，對數據進行賦值。此時，將不同度量指標形成相對數，并轉換為指標評價值。通過比較，經過一定計算量轉化為評價值的方法。具體的實現過程需要通過如下過程。

第一，確定各指標的實際值。按照評價指標體系測算指標的實際值Xi。

第二，確定指標的滿意值與不允許值。指標值處于理想狀態(tài)時，人們就會比較滿意，這里用Si表示;同時，如果該指標不滿足人們最低要求，那么該數值不會被允許出現，用Fi表示。一般而言，在確定滿意值時通常有兩種情況，一是在行業(yè)標準確定情況下，需要采用行業(yè)標準;二是沒有確定標準值的情況下，需選取行業(yè)先進水平的平均值。

第三，統(tǒng)計指標功效系數。基于粉煤灰資源化利用評價指標體系，其指標的分類需要劃分為正向指標、逆向指標與適度指標。正向指標中，實際值與滿意度呈正比，評價值也會隨之增長，比如粉煤灰利用率越高，令人滿意程度越高。逆向指標，是實際值與滿意度呈相反情況。而適度指標值，是指標數值保持在一定區(qū)域內，才可以讓人滿意。

第四，確定粉煤灰資源化利用的指標權重。在確定指標權重時，通常采用層次分析法，通過這種方法進行權重分析時，主要通過如下幾個流程。一是建立遞階層次結構。將待決策的復雜層次結構進行分析優(yōu)化，是確定指標層次分析的重要步驟。具言之，將不同屬性的元素進行分類，每一類元素構成一個準則。在同一層次作用下，某一層次的部分元素起到支配作用，也會受到上一個層次的元素支配，這樣會構成不同層次的指標體系。二是打造兩兩比較的判斷矩陣。根據層次分析法理論可知，將問題按照層次分解為多個因素，以此實現要達到的目標。

第五，評價結論。經過全面對粉煤灰資源化利用評估體系的評價，以及最終對利用項目等級的劃分，測算出粉煤灰資源化利用的結果。在具體應用中，粉煤灰水泥的測算與應用結果，需要根據評估指標的賦值加以測算。將粉煤灰資源化利用的評價結果分為四個方面。第一為優(yōu)秀評估項目，綜合評價估值在85分以上;第二等級為良好項目，評價指標在70分左右;第三等級的粉煤灰利用項目綜合評價值在65分左右;而最差的粉煤灰資源化利用項目的綜合評分較低，低于60分。

3 固體廢棄物粉煤灰深加工的現實應用

關于粉煤灰與礦渣特性對水泥強度的影響研究已有多年，在具體反映的程度影響及粉煤灰礦渣的反映度卻很少研究。在這種情況下，通過分析粉煤灰對水泥漿體中的影響程度，從側面查看具體應用，具有研究的重要意義。水泥、粉煤灰顆粒是非球形粒子，由于不同原理的力度強度的測量儀器取決于不同“物理特性”，造就不同粒子測量的結果。例如，通過顯微鏡可以觀察出投影粒子的顆粒大小，通過電阻法將顆粒通過電阻的變化測量顆粒大小。另外，可以借助激光粒子將大小粒子用作氦氖激光作為光源。因此，將上述的研究做法通過計算機數據控制，并將測量過程算出來，是目前最有效的手段。同時，隨著粉煤灰或礦渣比表面積的增加，其顆粒均勻性系數亦增加，特征粒徑降低;但當比表面積增加到一定程度時，比表面積提高會降低顆粒均勻性系數，在此基礎上，粉煤灰水泥的應用效果會比較好的。

在多個粒徑特征參數中，粉煤灰水泥與礦渣反應程度比較緊密。在90天齡期，粉煤灰反應程度及表面積粒徑呈線性關系，因此可以將其作為產品應用的質量參數。主要原因在于，表面積平均粒徑可以兼顧比表面積、顆粒分布的特性，更能反應粉煤灰與礦渣體的微觀特性。此外，水在粉煤灰水泥材料結構形成過程中，也起著極為重要的作用。一方面，它保障整個水化學反應過程能夠順利進行，從始至終反應粉煤灰水泥材料的性能發(fā)揮;另一方面，它使得整體混合原材料具有良好的工作性，在很大程度上反應水化行為。因此，在粉煤灰水泥應用過程中，需要通過1000℃的溫度下，化學結合水才能脫離化學鍵的束縛。但根據實際情況來看，低溫下，凝膠水不能全部蒸發(fā)，所以對于粉煤灰水泥的應用也會存在一定的局限性。另外，根據現有研究分離得出最優(yōu)價值的分類。

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