粉煤灰資源化及綜合利用可持續發展的研究

摘要：指出了隨著時代的發展，粉煤灰的利用越來越廣泛，但隨之出現的問題也越來越多，當時人們還沒有可持續發展的觀念，粉煤灰的綜合利用沒有形成規模，且技術落后，產品并沒有達到預期效果。提出了粉煤灰資源化是粉煤灰綜合利用的前提條件，生產高附加值產品是粉煤灰綜合利用的重要方向，最終要實現粉煤灰綜合利用的可持續發展。

關鍵詞：粉煤灰資源化;高附加值;綠色節能;可持續發展

中圖分類號：TQ536.4 文獻標識碼：A 文章編號：1674-9944（2020）03-0195-02

1 引言

粉煤灰的數量相當龐大，全球每年約有18億t粉煤灰產生，由于粉煤灰的物理化學特性，人們對它的使用也越來越廣泛，對其研究也越來越深入，逐漸從實驗室的理論研究發展到實際應用和工程建設。

粉煤灰綜合利用主要有以下幾個方面：①生產建筑材料;②建設工程方面的應用;③農林牧業中的應用;④污水處理中的應用;⑤粉煤灰生產沸石;⑥制備微晶玻璃;⑦粉煤灰提取有用礦物及制備硅鋁合金等。雖然粉煤灰利用范圍比較廣泛，但是粉煤灰在我國的利用率依然很低，隨著研究的不斷深入，越來越發現粉煤灰的利用價值有很大的開發利用空間。國家建設發展對于水泥和墻體材料的用量逐漸增加，將粉煤灰用作建筑材料可以有效緩解建材市場的壓力。

2 粉煤灰資源化利用

粉煤灰排量非常龐大，高達20億t，面對如此巨大排量的粉煤灰，我國對于其利用只有28%～40%，大部分只能堆放存貯或者用于簡單的充填，后續維護工作更加繁瑣，加強粉煤灰資源化工作和資源高效率利用是實現粉煤灰可持續利用發展的開始，人們還需充分認識粉煤灰的潛在活性，樹立粉煤灰資源化觀念，不斷推進粉煤灰資源化工作。

2.1 提高粉煤灰排放標準

粉煤灰本身并不等于資源，只有將其進行一定處理才能成為資源，但并不是所有粉煤灰都能進行資源化，只有達到一定品質，才能成為資源。而目前粉煤灰排放多是從環境保護和電力成本考慮，對粉煤灰的品質考慮較少，不利于粉煤灰的資源化，從粉煤灰建材資源化角度看，有很大的必要提高粉煤灰排放標準，使排放出的粉煤灰質量能夠滿足資源化的要求。

2.2 粉煤灰資源化改進方向

2.2.1 改性粉煤灰做水泥摻和料

利用粉煤灰生產水泥是國內外綜合利用途經中的一種，為提高粉煤灰資源化的利用率，需要對粉煤灰原料進行一定的預處理。徐子芳[1]將超細粉煤灰、黏土、煤研石按照一定的比例制備成實驗試塊，同時用粉煤灰代替超細粉煤灰做了一組對比實驗，實驗結果表明：用超細粉煤灰制作的試塊抗壓強度為MU30優質品，超細粉煤灰活性較大，在燒結后，體積密度大，吸水率小，體內氣孔減少，提高了導熱效率，熱穩定性良好。在實際生產應用的過程中，將粉煤灰超細化處理作為水泥摻和料，經破碎后，其表面產生一些缺陷，與水的接觸面積增大，有利于將其內部的活性成分與晶體相打散、剝離，而且可以提升粉煤灰水泥材料的早期力學性能。

2.2.2 粉煤灰免燒磚

我國房屋墻體材料70%是用黏土磚，黏土磚的大量使用使我國墻體材料的生產能耗增加，同時加劇能源供需矛盾，而粉煤灰免燒磚的制作相對比黏土磚要簡單，且能夠消耗大量的粉煤灰，節約能源。胡維新等[2]用電石渣33%、粉煤灰42%、水泥25%等原料攪拌均勻，采用最佳配比，振搗成型，單塊磚的最小抗壓強度大于10MPa，總體性能達到JC239-2001《粉煤灰磚》標準要求。嚴巖就免燒磚原材料進行了詳細的分析，水泥是強化免燒磚力學性能的重要材料，免燒磚追求制作工藝簡單、環保、廉價等特點，需要在保證免燒磚強度的前提下，將水泥的摻量控制在最優。若粉煤灰中CaO含量高于3%，且同時有S_iO₂的存在，就使粉煤灰本身具有一定的水硬膠凝性能，單一的粉煤灰還可以與助凝劑、環保材料相結合，進一步保證免燒磚的質量。

2.2.3 粉煤灰提取白炭黑

白炭黑別名水合二氧化硅，可以生產橡膠制品、醫藥、食品添加劑及日用化工等領域，而大部分粉煤灰中含量居于首位的就是S_iO₂，是制備白炭黑的優質原材料，實現了粉煤灰資源化利用。常用的方法有沉淀法、碳分法、氣相法等。

沉淀法的研究較早，生產的白炭黑粒徑較大，活性較小，主要方法是：①對粉煤灰預處理后堿溶，得到硅酸鹽溶液，通過控制溶液pH值，制備硅膠液，陳化、過濾、烘干后制得白炭黑;②粉煤灰和堿性活化劑（如Na₂CO₃，CaCO₃等）混勻，進行緞燒后，熱溶于濃鹽酸，陳化后得到硅酸沉淀。

碳分法采用分步碳分法去除雜質，是在沉淀法的基礎上優化了工藝，沉淀白炭黑，相比沉淀法，白炭黑的純度有了更大的提高。

氣相法主要流程為：將硅化合物通過H、O燃燒，再分離出粒度分布大的顆粒，最后脫酸，制備氣相白炭黑，徐吉明等研究采用氟化鈣和濃硫酸與焙燒過的粉煤灰在加熱的條件下直接反應，生成SiF₄氣體，如式（1），再通入有一定濃度的乙醇水溶液中水解，得到品質純度高的白炭黑。

2.2.4 粉煤灰制農業化肥

在當前，人們為了提高糧食蔬菜的產量，肆意施用氮肥等化學肥料，給生態環境帶來極大的危害，同時造成了土壤肥力減小、肥效降低。硅肥能夠改善果品糧食蔬菜品質的作用。目前，粉煤灰硅肥主要分為3種：硅酸鹽微肥、粉煤灰硅鉀肥和粉煤灰硅鈣肥3種。粉煤灰具有較強的吸附作用，是因為它的顆粒形貌和化學組成，利用其吸附性，按比例將N、P、K等肥料和粉煤灰混合，配制成不同的粉煤灰復合肥。其次，粉煤灰中S;Oz的含量是最多的，高達52%～60%，如果直接將粉煤灰灑在農田作物上，能夠起到的效果僅為1%～2%，而粉煤灰硅肥可提高溶性硅含量，粉煤灰中的S_iO₂與物料中的堿性氧化物就會發生化學反應，繼而生成硅酸鹽。

2.3 開發超細研磨技術設備和工藝

研究表明，粉煤灰細度是影響其活性的最主要因素[3]，粉煤灰粉磨和超細粉磨是提高粉煤灰細度的有效途徑，將粉煤灰超細粉磨至硅灰細度或更細，將極大提高粉煤灰的活性和其它性能，可替代硅灰配制高性能混凝土和制造其它特殊功能材料，增大粉煤灰的資源化利用范圍和數量。現有超細粉磨設備和工藝存在許多不足，研究和開發新的滿足粉煤灰超細粉磨要求的設備和工藝是急待解決的技術關鍵問題。

當前，須進一步加強宣傳教育，使人們充分認識粉煤灰的潛在活性在建筑工程材料中的價值及其與建筑工程材料可持續發展的關系，樹立粉煤灰資源化觀念，不斷推進粉煤灰建材資源化工作。

3 高附加值利用

3.1 制備輕骨料

目前，建筑工業為了能夠減輕建筑物自重，減少建材的用量，使工程造價降低，提高機械化施工程度，對新型墻體材料的要求也發生了變化，逐漸向輕質、高強、預制和大面積的方向發展，綠色節能、容重輕、耐沖擊力強的優質人造輕骨料研制成為建材開發的有個新熱點。

日本用粉煤灰制造燒結輕骨料，先測定了粉煤灰中可燃物的含量，若該含量低于4%～8%（重量），則需要加入一定量的燃料。在粉煤灰中加入5%～15%的氧化鐵，混合后即可燒結成輕骨料。而美國生產的不燒結粉煤灰輕骨料所用原料為粉煤灰、水泥、填料、水、外加劑。將上述原料研磨成顆粒狀，在含氧氣體中，低于150℃溫度下固化。我國生產輕骨料主要有三個方法：①焙燒法生產粉煤灰陶粒;②蒸養法生產粉煤灰陶粒;③非鍛燒法生產粉煤灰陶粒，這三種方法生產的粉煤灰陶粒及其生產過程都各有特點，從用灰量和制作工藝來看，非鍛燒法生產的粉煤灰陶粒優勢都比較明顯，其粉煤灰用量高達90%，工藝主要是以粉煤灰為主，只需要摻加適量的激發劑（作用是激發粉煤灰的活性），經配料、攪拌、研磨（細加工）、成球、自然養護，最終得到陶粒[5]。

3.2 制微晶玻璃

微晶玻璃（又稱玻璃陶瓷）是一類重要的無機非金屬材料，具有豐富的色澤和良好的質感，高強度的破裂安全性使它在受到強烈沖擊后造成的裂口遲鈍不傷手。它在建筑裝飾、機械工業、電子工業、生物醫學、航天工業、核工業、化學工業等領域有廣泛的應用前景。封鑒秋等[4]以鋼渣和粉煤灰為主要原料制備微晶玻璃材料，鋼渣與粉煤灰的摻量可達80%，其中鋼渣用量為50%。最佳的工藝參數為：基礎玻璃的熔制溫度1450℃，核化溫度750℃，晶化溫度904℃，核化和晶化時間1.5h。

3.3 提煉氧化鋁

為緩解中國鋁資源短缺等問題，同時減少粉煤灰的堆積量、改善環境，從粉煤灰中提取氧化鋁成為必須要做的事情。通過調查，得知在多數電廠出產的粉煤灰中， Al₂O₃的含量基本在30%以上，有的電廠粉煤灰中Al₂O₃含量高達50.71%，其含量已經達到我國中級鋁土礦的品位。

從粉煤灰中提取鋁鹽或氧化鋁的方法可以用燒結法、酸法等其他方法。燒結法是將粉煤灰和燒結劑在高溫條件下反應生成可溶性的鋁鹽，然后通過NaCO₃溶液浸出，最終變成不溶的2CaO·SiO₂和易溶于碳酸鈉溶液的12CaO·7Al₂O₃，從而實現硅鋁的分離。其過程相對簡單，不會對設備造成嚴重的腐蝕，但該過程容易產生較多的廢棄物，如鈣硅渣等。劉蓮花在原有方法的基礎上進行了改進，為了增強其分散性，在水中加入了分散劑，將粉煤灰進行超細化研磨提高其活性，最終獲得了含量約70%的Al₂O₃，與傳統方法相比，大幅度降低了污染量、殘渣量和能耗量，節約了生產成本。相比燒結法，酸法的成本較低，無需脫硅工藝，分離硅和鋁產生的廢渣少，但是對設備材質要求比較嚴格[5]。

參考文獻：

[1]徐子芳.解一涵.超細粉煤灰燒結性能機理研究[J].非金屬礦，2018，41（2）：7～10.

[2]胡維新，章天剛，張效忠.的電石渣—粉煤灰新型環保免燒磚的配比及力學性能研究[J].化工新材料，2011.8，39（8）：84～85.

[3]范金生.粉煤灰輕骨料的生產與應用[J].山東建材，2014.

[4]易龍生.王浩，王鑫，等.粉煤灰建材資源化的研究進展[J].硅酸鹽通報，2012，31（1）：88～91.

[5]陳明宇.綠色混凝土的發展與應用[J].山東建筑，2013，39（27）：92～93.

收稿日期：2020-01-06

作者簡介：李庭月（1994-），男，碩士研究生，研究方向為礦產資源綜合利用。