粉煤灰資源化綜合利用研究現狀

王 迪 喬 亮 龔 浩 陳圣賀 余軒和

（1.內蒙古科技大學礦業研究院；2.烏海市公烏素煤業有限責任公司）

據資料顯示，2019年全球煤炭總產量76億t，中國約38億t，全球占比接近50%。2019年我國煤炭消耗量28.10億t，2020年原煤產量38.4億t，煤炭進口量3.04億t，較2019年同比增長1.5%。

粉煤灰是燃煤電廠煤粉燃燒后所產生的一種固體顆粒，屬于大宗工業固體廢渣之一，也稱“飛灰”，排放量巨大。2016年和2017年，我國粉煤的排放量分別達到了6.55億t和6.86億t，不僅造成了環境污染，而且其中含有的重金屬對植被、人體都有極大的危害。目前，國內外對粉煤灰的利用程度有所差異，2016年全球粉煤灰產量約11.43億t，平均利用率約60%，其中，中國、美國、歐盟、印度的利用率分別約為70%，54%，90%，63%［1］。本文對粉煤灰的理化性質以及主要利用途徑進行論述，探討粉煤灰資源化存在的問題與發展前景，為我國粉煤灰的合理利用提供參考。

1 粉煤灰的特性

1.1 物化性質

粉煤灰是一種灰色、白色或黑色的粒徑不均勻的球狀物，由結晶體、玻璃體和少量未燃炭組成，同時也是一種堿性含量高的氧化物，具有結構致密、化學性質相對穩定的礦物，粒徑0.5～300μm。我國粉煤灰比表面積300～500 m2/kg，在平均密度上相對較小，約2.1 g/cm3［2］，化學成分主要包含Al2O3、SiO2、Fe2O3、CaO、MgO、K2O、SO3和未燃盡的碳，鉛、鎘、汞、砷等微量元素，以及鎵和鍺等稀有金屬物質。

1.2 礦物組成

粉煤灰中礦物組成取決于原煤的成分，主要受到原煤的形成、沉積的地質條件、原煤中無機成分的組成特性的影響，包括非晶相和結晶相以及少部分炭粒。非晶相中含有大量的玻璃微珠和海綿狀玻璃體構成的玻璃體，結晶相主要是莫來石（3Al2O3·2SiO2）、石英和赤鐵礦等成分。同時，粉煤灰的礦物組成也受燃煤電廠的技術設備和運作條件等因素的綜合影響。

2 粉煤灰的資源化綜合利用途徑

現階段，我國粉煤灰的綜合利用途徑主要是工程應用型和產品型兩種。工程應用型涵蓋了建筑、農業、環境等領域。產品型是近幾年新興的粉煤灰利用方式，通過對粉煤灰的高附加值精細提純從中提取氧化鋁、二氧化硅、稀有金屬鎵和鍺，極大程度拓寬了粉煤灰的利用途徑。關于粉煤灰資源化利用途徑，主要從以下幾個方面進行探討。

2.1 粉煤灰用于矸石山自燃滅火

煤矸石自燃會釋放出大量的有毒有害氣體，嚴重污染大氣環境，其受到雨水的沖刷，還會對生態和水資源造成污染。目前，國內外防治矸石山自燃主要是以黃土為原材料，通過表面封閉法、注漿滅火法、覆蓋法等進行治理。以烏海地區為例，由于烏海矸石山眾多，矸石山自燃嚴重，對當地的大氣環境造成了嚴重的污染，且烏海地區黃土資源極度匱乏。鑒于此，內蒙古科技大學張金山教授在多年粉煤灰研究的基礎上，利用當地粉煤灰等煤基固廢成功制備了代替黃土的注漿材料，已在工程中投入應用，且效果良好，實現了“以廢治廢”的綠色理念。

2.2 在建筑工程中的應用

當前，絕大部分的粉煤灰主要應用于建筑工程中，如生產水泥、混凝土、建造材料以及工程填筑。作為一種輔助性膠凝材料，粉煤灰與黏土在化學成分上具有相似性，因此，作為原材料或添加劑［3］，可直接替代黏土生產水泥，也可替代一部分黏土用作生產水泥熟料。將部分粉煤灰替代水泥摻入混凝土中，對混凝土的界面結構有改善作用，從而在其強度、和易性、密實度和干燥收縮性上達到增強的作用。此外，在建造以及工程填筑中粉煤灰已成功大規模使用。

2.3 在農業中的應用

（1）改良土壤。粉煤灰中因其粉砂和黏土的粒徑結構、高持水力等優點，是土壤改良劑的合適選擇。在鹽堿地上，能夠改善土壤孔隙度、和易性和保水能力，進而防止鹽害幼苗。在黏土地和酸性土壤上，可中和酸性土壤，提高土壤的品質。Lee等評估了添加堿性粉煤灰的粉砂壤土和壤土沙土中的水稻生產力；結果表明，粉煤灰在調節土壤pH值中起到了良好的作用，進而促進了水稻對Si、P、K的吸收。此外，粉煤灰在治理沙化土地、固定流沙上的效果也十分顯著。

（2）制化肥。粉煤灰作為肥料可以改善土壤的理化性質，其有機成分能為植物生長提供有益成分。HaiFeng Su等［4］提出施用粉煤灰微生物肥可提高廢棄礦山的土壤肥力，并驗證了薏米和小葉紅楊的增綠效果。目前，由粉煤灰生產的化肥主要有硅肥、硅鈣肥、磁性復合肥、煤灰磷肥。硅肥能夠增強作物莖稈的機械強度，提高抗倒伏能力85%以上以及提高作物對病蟲害的抵抗力和成果率。硅鈣肥中主要是SiO2發揮作用，具有增產的效果。

（3）覆土造田。粉煤灰覆土造田就是將粉煤灰作為填充料引入山谷、洼地、低坑，覆土后進行種植農作物。在摻入粉煤灰的土壤上種植小麥、黃豆、蔬菜類、藥材類植物都比在土壤上種植要增產。段萬明對其原因進行研究得出，當粉煤灰摻入黏土后，使土壤性質發生改變，致使摻入粉煤灰的黏土底層具有透氣作用，透水性能提高；上層表面在抵抗蒸發、保水、保肥方面都比純灰種植要好。

2.4 在環境保護中的應用

（1）廢水處理。粉煤灰作為一種多孔炭粒材料，通過吸附作用可以很好地去除廢水中的磷、氟、重金屬離子、染料、表面活性劑、酚、油類等物質，去除率均可達75%以上［5］，其實現凈化的途徑主要是吸附、沉淀、過濾。粉煤灰在高酸堿度下，去除重金屬離子高達40%～90%。未燃的炭可以吸附印染廢水、染料、油類等物質，達到脫色、過濾的效果。

（2）廢氣處理。粉煤灰脫硫的方式主要有粉煤灰干式脫硫、噴霧干燥脫硫和增濕活化脫硫。一方面，由于粉煤灰中的CaO、MgO和Na2O等金屬氧化物水溶液呈堿性，可用于去除煙氣中的SO2；另一方面，粉煤灰中未燃的碳可用作活性炭吸附氮氧化物的前驅體，作為煙氣脫硫和脫氮的吸附劑，也可去除汞蒸氣［6］。

2.5 在分離回收中的應用

（1）空心微珠。空心微珠是從粉煤灰中提取出的一種球形漂珠，由于其原料易得、耐高溫、質輕等特點，廣泛應用于航空航天、機械、化學等領域［7］，其分離的方法分為干法分離和濕法分離。濕法分離利用水作為分離流體，其不足之處是分離工序繁多，只適用于水泥和混凝土摻合料。干法分離與濕法分離預期結果相似，分離率都約為70%［8］，其中風力篩選就是干法分離的一種。

（2）回收磁珠。粉煤灰磁珠是一種磁性陶瓷微珠，因富含Fe、Fe2O3、Fe3O4而具有磁性，同時又具有多微孔結構，所以成為一種重要的礦產資源。磁珠占粉煤灰含量的4%～18%，密度3.1～4.2 g/cm3。工業上分選磁珠的方法主要是干式磁選和濕式磁選。目前，國內和山東各電廠以濕式磁選為主。磁珠可廣泛用于磁種材料、磁性吸附劑的原材料中，在污水處理中也有所應用，如磁絮凝處理、催化降解及重金屬吸附。

（3）回收炭。粉煤灰中的炭粒大部分以單體的形式存在，密度1.6～1.8 g/cm3，呈海綿狀和蜂窩狀，多孔、親油疏水，具有良好的吸附性。目前，我國火力發電廠排放的粉煤灰中殘炭量僅3%～5%，且品質較好。分離炭的方法分為干法和濕法，干法主要是燃燒法、電選法、流態法，濕法主要是浮選法。回收炭廣泛用于燃料或碳衍生材料、建材摻合料，活化后可用作吸附劑，造粒后可用作焦炭填料［9］。

2.6 高附加值精細化的應用

（1）合成沸石。粉煤灰是沸石合成的良好前體。粉煤灰基沸石的合成方法主要有一步水熱法、兩步水熱法、堿熔融法、鹽熔融合成法、微波輔助水熱法、晶種法等。一步水熱法、兩步水熱法屬于單純水熱法。堿熔融法是將NaOH與粉煤灰混合，一般生成A型和X型沸石。A型沸石在洗滌助劑領域應用廣泛，X型沸石作為吸附劑在石油化工、精細化工領域應用廣泛。

（2）提取稀有金屬。粉煤灰中含有許多高附加值的稀有金屬，如鎵（Ga）、鍺（Ge）、釩（V）、鎳（Ni），提取金屬鎵、鍺和釩通常在高溫高壓條件下進行。鎵廣泛應用于光電以及商業中，目前提取鎵的方法主要有還原熔煉法、酸浸法和堿浸法。金屬鍺廣泛應用于制造發光二極管、紅外光學、光纖等方面，提取方法主要有沉淀法、萃取法、氧化還原法等。袁春華等采用堿熔-碳酸化法提取鎵，提取率高達89.14%。劉匯東等采用水浸法、酸浸法提取鎵，提取率分別達84.70%和80.07%。

（3）制備陶瓷。目前，我國以粉煤灰為原材料制備的陶瓷主要是傳統陶瓷、玻璃以及玻璃陶瓷。苗慶東等以粉煤灰制備的陶瓷泡沫材料具有強度高、大孔徑導熱系數低的優點。粉煤灰也是制備多孔陶瓷的優勢原料，吳立凡等通過試驗得出，當粉煤灰和造孔劑摻量分別為45%和30%、燒結溫度為1 200℃時，多孔陶瓷綜合性能最好。

2.7 其他方面的應用

在催化劑領域，粉煤灰作為一種富含Si、Al的復合載體，相比單一載體在催化劑中有著突出的優勢。目前，粉煤灰負載催化劑在脫氧、脫氮、H2生產、加氫裂化和烴類氧化中都表現出了良好的催化活性。此外，粉煤灰在噪聲防治中也有所應用，主要用于制備泡沫玻璃、粉煤灰雙層GRC隔墻板、粉煤灰輕質隔聲內墻板和粉煤灰纖維棉防火吸聲吊頂板等材料。

3 展望與結論

粉煤灰不僅僅是廢棄物，利用得當將成為寶貴的資源。我國是燃煤大國且穩居世界第一，未來燃煤電廠將持續占據首要地位，由此將造成粉煤灰大量堆積、資源浪費和環境污染等一系列問題。目前，我國粉煤灰大批量用于建筑領域，雖然出臺了相應的國家政策與標準，但與此同時將會造成二次污染。由于粉煤灰回收技術成本高，粉煤灰在高附加值領域的應用正處于研發階段，利用率低于5%。未來，應拓寬粉煤灰資源化利用的領域，集中于高附加值的研究利用，走綠色發展道路。