粉煤灰的資源化利用

（東北大學冶金學院 遼寧沈陽 110819）

0 引言

現今，潮汐能、風能、太陽能、生物質能等越來越多的被用來發電，但我國的電能仍然依賴火力發電。煤炭是火力發電的主要來源，而粉煤灰是發電廠的主要固體廢棄物。盡管中國經濟進行供給側結構性改革，但煤炭需求量仍在不斷攀升，僅2019年原煤產量就高達37.5億t。據估計，2020年底我國原煤產量達到39億t，而粉煤灰的年產量將達到9億 t[1]，累計堆積量將突破30億t。粉煤灰不但造成土地、水質污染，且近年來的霧霾問題也與粉煤灰造成的污染[2]有較大聯系。可以說處理好粉煤灰對我國經濟發展與環境保護有重大意義。

目前我國粉煤灰利用率在七成以上，普遍是低端建材、回填、水泥、化工等操作性不強、經濟效益低下的領域，而類似粉煤灰提取氧化鋁、粉煤灰冶煉鋁硅合金/硅鐵合金/硅鐵鋁合金、高端建材（陶瓷）等粉煤灰的高、深層次利用領域只占5%左右[3]。為積極應對粉煤灰帶來的環境污染挑戰，需要對粉煤灰因地制宜的處置，提高電廠和固廢處理企業的關聯度。確保低端應用領域穩步消化粉煤灰，高端領域穩步發展形成大規模產業化帶動低端領域的轉型。

1 粉煤灰的理化性質及礦物組成

1.1 粉煤灰的物理性質

粉煤灰由細小的顆粒狀飛灰組成，呈玻璃狀，主要為球形。表1展示了粉煤灰的具體物理性質。粉煤灰空隙較大且不致密，密度與顆粒組成密切相關，密實顆粒比重越大，密度越大；比表面積大，在0.8～19.5 m2/g之間，疏松多孔。

表1 粉煤灰的物理性質[4]

1.2 粉煤灰的化學性質

粉煤灰的化學性質受粉煤灰收集方式、燃燒條件、細度的影響[5]，酸堿度與原煤硫含量有關，在水中的pH呈現在1.2～12.5，粉煤灰的各組分含量也會受制于煤炭來源、燃燒形式、收集方式。絕大多數的粉煤灰在氧化鋁、二氧化硅、氧化鐵三者的含量上有所區別，所以美國材料與試驗協會（ASTM）將其分為兩種類型見表2所示。

表2 粉煤灰的分類

1.3 粉煤灰的礦物組成

粉煤灰主要由晶相和非晶相組成，其中晶相包括石英相和莫來石相。非晶相包括玻璃體、碳及次生褐鐵礦。其中石英相基本沒有活性，玻璃體中活性物質較多，因而粉煤灰的活性主要依賴于玻璃體。表3為我國粉煤灰的礦物組成。

2 粉煤灰的綜合利用

近年來，我國大力提倡粉煤灰的資源化利用，已經探索形成了較為穩定的粉煤灰消化體系，如圖1所示。

當前粉煤灰主要利用途徑是做水泥、低端建材以及混凝土的原料，還有3%用于鋪路和礦山回填，9%的粉煤灰用于其他新興應用，類似提取鋁資源、陶瓷、吸附劑、農業改良等。

2.1 建材方面

粉煤灰可以代替部分粘土生產水泥，按照一定比例的替代可以降低水泥生產過程中的碳排放和電能損耗，節約成本，同時提高產出水泥的耐腐蝕性、抗滲性以及干縮性。采用粉煤灰替代硅酸鹽水泥生產綠色混凝土也是如今較為熱門的應用之一。摻了粉煤灰的混凝土減少了用水量，增強了混凝土的可泵性，可以大幅提高混凝土強度、耐久性、抗滲性、抗融凍性，市場前景十分廣闊。

表3 我國粉煤灰的礦物組成范圍[6] 單位：wt%

目前我國粉煤灰的利用受制于地區發展不均衡，在東南沿海城市粉煤灰的利用率極大，供不應求導致價格飛漲。而內蒙、山西等地煤炭資源豐富，燃煤電廠居多，粉煤灰堆積如山無法得到有效利用。“十三五”以來，建筑業趨于飽和，水泥限產，限制了粉煤灰的利用。需要尋找新的工藝提高粉煤灰的利用率，降低粉煤灰堆積帶來的環境影響。大摻量粉煤灰 （摻50%以上粉煤灰）正受到科研人員的關注，攻克大摻量粉煤灰前期強度不夠致使工期延長這一難題是生產大摻量粉煤灰來穩定粉煤灰的利用率的關鍵。

2.2 吸附方面

粉煤灰作為低成本的吸附劑在處理工業廢水中得到廣泛關注，它的比表面積大，呈多孔狀，有較高的吸附性。于開寧等[8]利用石灰石處理粉煤灰，對焦化廢水的脫色率達94.22%。王海雁等[9]優化粉煤灰結合二次污泥對生活污水的處理使得廢水中COD降低62%。此外，粉煤灰還被合成沸石、吸附劑用來吸附氟化物、氨、氮、有毒金屬等。

我國粉煤灰吸附領域的發展僅限于基礎研究，難以進行大規模的應用，主要是使用過后的吸附劑處理難的問題。目前完善吸附劑后續處理的同時還應加大對廢氣、廢油、吸波材料等領域的研究，增加粉煤灰的多元化利用途徑，這對粉煤灰的清潔利用至關重要。

2.3 農業改良方面

研究表明，粉煤灰中的硅、硼、銅、鉬等元素對植物生長有不可或缺的作用[10]，并且粉煤灰的海綿狀孔洞會提高土壤的導水率和透氣性，降低土壤堆積密度[11]，保持土壤溫度。據調查，施加粉煤灰化肥的農田產量增加，農作物的抗蟲、抗倒伏能力提高，有利于農作物的生長，極大促進農業經濟發展。粉煤灰的農業改良會幫助山西、內蒙等地消化粉煤灰，避免長途運輸造成的損失及環境污染，且發展了當地的經濟，擺脫粉煤灰對于建筑行業的依賴。

2.4 元素提取方面

鑒于粉煤灰中鋁含量僅次于硅，引發了從粉煤灰中提取氧化鋁的熱潮。目前較為成熟的方法為酸浸法、堿法和酸堿聯合法。蒙西高新技術集團利用堿法在我國已建立年產20萬t氧化鋁的生產線；2008年，神華集團利用酸堿聯合法生產出了純度高的氧化鋁。酸浸法的優點是操作簡單，流程短，但由于粉煤灰中的鋁大多在莫來石相中，活性低，結構穩定，使得酸浸提取困難。堿法雖然是目前中試最具規模的方法，但是產生大量的硅酸鈣殘留物，浪費資源且污染環境，不易大規模工業化。酸堿聯合法雖集合了酸法和堿法提取氧化鋁的優點，但存在流程復雜、酸堿反應物無法循環利用、二次污染等問題，距離工業化生產存在差距。

目前嘗試了很多辦法將粉煤灰中的二氧化硅轉化為含硅合金產品。Liu等[12]在1 223 K環境下用粉煤灰在氟化物熔融鹽中制備鋁硅合金，然而最終產物組成復雜，分離困難。Lu等[13]利用碳熱還原粉煤灰制備鋁硅合金，還原溫度高達2 473 K，高溫增加了生產困難，成本過高。Xue等[14]以氧化鐵為活化劑采用碳熱還原法，在1 623 K環境下成功制得硅鐵合金并提取氧化鋁，氧化鋁含量高達91.33%。但由于需要使用昂貴的氬氣降低產品的氣體分壓，難以工業化生產。該團隊又提出在真空條件下提取氧化鋁并制備硅鐵合金的辦法。如圖2所示，可以看出在1 273 K條件下，已經出現了氧化鋁和硅鐵合金，可以證明真空條件的確可以降低還原溫度，促進氧化鋁的提取和硅鐵合金的生成。

真空熱還原處理粉煤灰技術的確可以促進粉煤灰的全資源化利用，且不會產生二次污染，大大降低了硅酸鈣殘渣的產生，是十分清潔的處理工藝。然而真空熱技術的運行成本高，設備投入大，無法處理大量的粉煤灰。

3 結論

解決粉煤灰的資源化利用是一個社會性的難題，關鍵在于采取可推廣的工業化工藝，實現對粉煤灰的長久利用。應全面考慮環境影響、成本和技術三方面的問題，做到以下幾點：

（1）科研人員應抓緊對粉煤灰的應用研究，尋找可規模化利用的工藝，擺脫粉煤灰對建筑業依賴。

（2）政府應推出扶持政策促進當地企業與電廠的關聯合作，減少粉煤灰的排放和堆積。

（3）大力發展其他新能源用以替代依賴火力發電，從根源上治理粉煤灰的排放問題。