“無廢城市”背景下粉煤灰資源化利用途徑研究進展

高 佼，劉 娜，王 浩

（青島工學院 機電工程學院，山東 青島 266300）

2021年11月，在《中共中央國務院關于深入打好污染防治攻堅戰的意見》中提出要穩步地推進“無廢城市”的建設工作。“無廢城市”的要求不是“零”固體廢棄物的產生，也不象征著固體廢棄物能夠全部被資源化利用，而是一種城市管理的理念，它的終極目標是：達到整個城市固體廢棄物源頭產量最小、資源化利用較充分和無害化處置。“無廢城市”的建設不僅使城市生活垃圾的處理成為熱點，而且將大宗固體廢物的綜合利用推到臺前。在《“無廢城市”建設試點工作方案》中明確對大宗固體廢棄物提出要求，鼓勵推動其資源化利用。提高粉煤灰、工業副產石膏、煤泥和煤矸石等常見的工業固廢的資源利用率再次成為熱點。

雖然2021年世界能源結構都在加速向綠色低碳方向轉型，但是煤炭依然是主要能源。國家統計局2月28日發布的數據顯示，2021年末全國發電裝機容量為237 692萬kW，其中火電裝機容量為129 678萬kW，占比54.6%。粉煤灰是利用煤發電時產生的一種工業副產品，產量巨大，年產量高達6.86億t，而且在未來很長一段時間內產量將居高不下。然而，我國粉煤灰的平均綜合利用率與發達國家相比偏低，僅為70%。粉煤灰如不及時處理，不僅會浪費大量的土地資源，而且會引起環境問題。近年來，許多學者發現，粉煤灰具有很好的利用價值，為此，很多企業開始研究粉煤灰的再生利用，昔日的“廢渣渣”成為如今的“香餑餑”。

本文在“無廢城市”的背景下，簡述了粉煤灰的來源、性質和分類，綜述了粉煤灰資源利用的幾種途徑，分析了粉煤灰再利用存在的問題并展望了粉煤灰再利用的未來趨勢。

1 粉煤灰來源、分類及性質

粉煤灰是燃煤發電過程中，煤中各種無機成分與有機成分在高溫燃燒后形成的一種工業碎末。燃煤發電時，煤粉在反應爐中，經過燃燒、灰渣燒結、破裂、顆粒的融入及快速冷卻成珠這一系列的反應過程形成粉煤灰。不同種類的粉煤灰物理和化學性質差異巨大，與燃燒方式、煤種、煤中成分和收集方式均相關。一般情況下，粉煤灰主要由莫來石礦物顆粒、未燃盡的碳顆粒和非晶質球形顆粒組成，粒徑在0.005～0.2 mm之間，具有密度較小且比表面積較大的特點。粉煤灰大多數呈堿性，pH范圍為1.2～12.5。粉煤灰可以呈現灰色、深紅色、棕色或黃色等多種顏色，具體顏色的變換與未燃盡的碳和氧化鐵的含量有關。燃煤發電時，煤的性質很大程度上決定了粉煤灰的化學成分，顯然全國不同地區粉煤灰的化學成分也存在著巨大的差別，但主要成分都是SiO、AlO、FeO。表1為我國幾個典型地區火電廠粉煤灰的主要化學成分。

表1 我國典型地區電廠粉煤灰樣品的主要化學成分Tab. 1 Chemical composition of coal fly ash from some typical power plants in China

粉煤灰的分類方式有多種：① 根據粉煤灰中SiO、AlO和FeO的含量將其分為兩類，分別是C型和F型，三種氧化物質量分數大于70%的稱為F型，三種氧化物質量分數在50%～70%之間的稱為C類；② 根據粉煤灰pH的大小，可將其分為3類，pH在1.2～7.0之間的為酸性粉煤灰，pH在8～9之間的為弱堿性粉煤灰，pH在11～13之間的為強堿性粉煤灰；③根據粉煤灰含水量大小分為濕灰、陳灰和干灰；④ 根據粉煤灰中AlO質量分數的不同又可以將粉煤灰分為普通型和高鋁型兩大類，當粉煤灰中SiO和AlO的總質量分數在80%左右時，AlO的質量分數小于27%，稱其為普通型，而AlO的質量分數在45%～65%之間的稱其為高鋁型。

2 粉煤灰資源化利用技術研究進展

當前，粉煤灰在多個領域中被利用，比較成熟的是作為建筑材料，但其利用程度有限，因此我國粉煤灰的利用率依然較低。為了加快企業利用粉煤灰的腳步，國家發展與改革委員會發布了《加快推進大宗固體廢棄物綜合利用示范建設》等一系列的文件。

2.1 工程建設領域

目前粉煤灰在工程建設領域的應用主要是在建筑業。在建筑業的應用包括水泥生產、摻入混凝土、新型粉煤灰墻體制作、功能性涂料等。在水泥生產中摻入粉煤灰，不僅可以提高其透水性與抗收縮性，而且可以起到節能降耗的作用。在混凝土加入一定量的粉煤灰，不僅可以有效減小水量和水泥的用量，而且可以改善其硬化強度和干燥收縮性能。新型粉煤灰墻體中90%的原料都是粉煤灰。在寧夏銀川市興安區的錦繡絲路農業科技園，科技人員將粉煤灰微發泡技術、保溫技術和相變儲能技術應用到溫室大棚的設計改造中，研發出了保溫儲熱性能良好的新型相變蓄熱粉煤灰墻體，在室外溫度為-20 ℃時，棚內溫度可達7 ℃以上。粉煤灰在涂料中的應用可以分為作為涂層填料應用和對其成分的利用為兩種。粉煤灰可以在經過簡單的改性處理后作為填料添加，從而得到功能性的涂料。可以利用粉煤灰成分中的硅鋁酸鹽制備性能優異的無機涂層，并應用在各類基材中提高涂層的抗腐蝕性和耐磨性。

2.2 采礦業

采用水力壓裂法生產天然氣和石油時，粉煤灰可以作為壓裂支撐劑。在石油和天然氣生產時，一般最后一步都是把天然砂或者人造砂泥漿用泵送入裂縫中，目的是防止裂縫在油井作業期間閉合，同時保證導水率足夠大，方便油、氣和水輕松通過。目前，有一種粉煤灰支撐劑被研究開發出來代替傳統的壓裂支撐劑，它的生產不僅可以降低壓裂成本，回收大量的天然氣和石油，而且可能產生更高的利潤率。

2.3 農業領域

目前粉煤灰在農業領域也有應用，主要分為制作肥料和改良土壤兩個方面。

2.3.1

土壤摻入粉煤灰后，其保墑能力變強，而且容重降低，變得比較疏松，土壤結構得到改善；粉煤灰根據其pH的大小分為酸性和堿性，酸性土壤可以用堿性粉煤灰改良，堿性土壤可以用酸性粉煤灰改良，土壤的pH得到改善，進而提高了農作物的產量；粉煤灰添加到土壤中后，土壤中微生物活性得到改善，從而加快了農作物吸收利用土壤中養分的速率。土壤中摻入粉煤灰，不僅可以起到固化土壤中重金屬的作用，而且還可以有效促進農作物對土壤中重金屬的吸收。

2.3.2

農作物生長需要大量的鉀、鈣和鎂等，而粉煤灰中正好含有這些元素，因此可以把粉煤灰制作成農作物生長所需要的肥料。實踐證明，使用粉煤灰制作的肥料后，農作物產量增加，同時提高了其抗病蟲害和抗倒伏的能力，農作物的長勢良好。

2.4 催化領域

水、土壤和水中的有機污染物通過強氧化物、微生物或者紫外線和可見光分解掉的場景稱為有機降解。光催化和非光催化等有機降解過程需要催化劑，同時有機合成過程也需要催化劑，粉煤灰可以通過改性成為催化劑，但制作成本較高，要普遍推廣存在一定的難度。

2.5 綠色環保領域

粉煤灰可以通過改性變成孔隙率高、比表面積大的多孔材料，適合作為吸附劑應用于環保領域。它可以用于廢水處理、煙氣中氮氧化物、SO和汞等有機物的脫除，而且還可以捕集CO，為“雙碳”目標作出有力貢獻。張中華通過水熱合成法將粉煤灰制作成沸石分子篩和固態胺類吸附劑，并對其吸附二氧化碳的容量進行了檢測，實驗結果表明粉煤灰合成的4A型、5A型和13X型沸石的吸附劑具有吸附量高的特點，為我國的碳減排工作做好了技術儲備。Xuan等通過實驗發現：粉煤灰經過硝酸改性后，活性增強，溫度達到280 ℃時，脫除煙氣中NO的效率高于90%。Rathnayake等通過研究發現：粉煤灰經熟石灰改性后，能除去煙氣中的SO。在廢水處理方面，廢水中含有Pb、Cu和Zn等離子，粉煤灰比表面積較大，孔隙發達，可吸附廢水中的這些離子。同時，廢水中的氟離子和氯離子被經氯化鐵和氧化鈣等金屬鹽改性后的粉煤灰去除的效果較好。在脫除無機汞方面，Yang等將粉煤灰上負載6%的CuCl，得到一種催化劑。該催化劑在溫度為150℃時，對汞的脫除效率可達90%以上。

2.6 高分子復合材料

粉煤灰的化學成分和傳統填料的成分比較接近，而且具有活性高的特點，對其表面進行改性比較容易，所以通過表面處理后與高分子材料的表面較易結合，從而可改善高分子材料的性能，也能降低其成本，因此在高分子材料中摻入粉煤灰有很大的發展前景。目前應用較多的是將粉煤灰填充到聚乙烯、聚炳烯、聚氯乙烯和橡膠中得到性能良好的高分子復合材料，實現變廢成寶。Ahmad等利用雙螺旋擠出機制備了粉煤灰/高密度聚乙烯復合材料。

2.7 有價組分分離

粉煤灰高值化利用的障礙是其復雜的化學成分。比如，在某一領域中，粉煤灰中的某種成分可能起到積極作用，但在另一領域中，該成分反而起到消極作用。粉煤灰中的有價組分包括：未燃盡的碳、空心微珠和磁性物質等，這些組分均可以利用分離技術得到。Vassilev采用連續分離法成功地將空心微珠、未燃盡的碳和磁鐵礦等有價組分從粉煤灰中分離出來。

2.8 有價金屬提取

大量的有價金屬蘊藏在粉煤灰中，例如Ge、Li、La和Ga等，通訊、軍工、催化和交通多個領域均需利用這些稀有元素。神華集團有限責任公司的研究人員將Ga和Li元素成功地從粉煤灰中提取出來。

我國粉煤灰資源化利用途徑中消納粉煤灰最多的是工程建設領域中的水泥項目，高達44%；其次是磚、墻體和混凝土項目達26%，比如北京冬奧會現場國家越野滑雪中心的技術樓，采用添加粉煤灰做成的加氣混凝土砌塊磚，實現節能、節地和廢物利用；在農業領域的利用比例僅占比5%，其他領域更少。我國在基建領域仍然具有很大的發展空間，特別是西部地區，粉煤灰未來可以大規模的應用在我國的基建領域。隨著我國對環保要求的日益嚴格，粉煤灰在環保領域的應用很具發展前景，但由于中西部地區正是環保的薄弱地區，而且粉煤灰制備工藝復雜，導致其在環保領域尚未實現規模化工業應用，可以采取粉煤灰分選-炭黑-制備活性炭-工業廢水凈化的產業鏈。表2為粉煤灰主要利用途徑，附加值越高的利用途徑，其處理成本較高，粉煤灰的消納量較少，問題也較多，而且研究多數處于實驗室階段，尚未實現工業化利用。

表2 粉煤灰主要利用途徑比較Tab. 2 Comparison of main utilization ways of coal fly ash

3 結論和展望

目前，雖然我國粉煤灰的應用涉及的領域較廣且綜合利用率高達70%，但產業化應用主要是在工程建設領域，大多數情況下是作為摻雜物的應用。粉煤灰高值化利用技術遇到瓶頸，存在技術成本較高、受限于粉煤灰特性和引發二次污染等問題，所以其高值化研究一直處于實驗室研究階段，未能實現產業化應用。未來，為了實現粉煤灰在多個領域的商業化應用，不僅需要政府一系列的政策支持，而且需要持續完善粉煤灰資源化和一體化應用的體系。

為了提高我國粉煤灰的利用率可以采取的措施有：① 我國應公開所有產灰企業的年產灰量和其利用率，做到信息透明和數據可查，使其接受公眾監督，進而加快各產灰單位利用粉煤灰的腳步；② 我國利用粉煤灰的政策大多是鼓勵性的，應出臺強制性利用粉煤灰的政策；③ 建議政府為粉煤灰的資源化利用提供更為實際的支持手段。例如，可以采用運輸費用優惠政策，使粉煤灰產品的運輸半徑擴大；也可以對粉煤灰資源化利用單位實行電價優惠政策，使企業的耗能成本降低，進而提高其用灰積極性。