淺析中國粉煤灰的綜合利用現狀

張祥成，孟永彪

（新疆大學化學化工學院，新疆烏魯木齊830046）

粉煤灰又稱飛灰，是火電廠燃煤發電所排放的一種固體廢棄物，也是一種黏土類火山灰質材料［1］。2016年和2017年，中國粉煤灰的產量分別為6.55億t和6.86億t，綜合利用率分別為74.20%和75.35%。根據灰色模型估計，2020年中國粉煤灰的產量將達到7.81億t，2024年將達到驚人的9.25億t。中國粉煤灰的產量不僅巨大，也存在嚴重的地區分布不平衡的問題。在中國東南部及一些發達地區，粉煤灰的利用率非常高，甚至出現供不應求的局面。而在中西部地區，如新疆、內蒙古、山西等地，煤炭產量高，粉煤灰產量也很大，但受經濟發展條件和運輸成本等條件的限制，其利用率不超過15%［2］。粉煤灰占用土地，污染水源，可對環境造成巨大的破壞。所以充分認識和利用粉煤灰，是推動中國電力工業及相關產業可持續發展的關鍵。在20世紀50年代，中國就已開始粉煤灰的利用，并在20世紀60年代成立專門的機構來開展這項工作。目前，粉煤灰主要是用于建材［3］、化工［4］、污 水和 煙氣處理［5-7］等工 業領域，也應用于土壤改良［8-9］、化肥生產［10］等農業領域。相比國外，中國的粉煤灰利用率較低，因此如何合理而高效地大規模綜合利用粉煤灰成為科研工作者一項亟待突破的艱巨任務。

1 粉煤灰的物化性質

1.1 物理性質

粉煤灰是外觀相似、顆粒較細而不均勻的多相物質［11］。在顯微鏡下發現粉煤灰為結晶體、玻璃體及少量未燃炭組成的混合體［12］。粉煤灰因煤源和成煤作用等因素的不同具有較大的性質差異。表1所示為幾項粉煤灰的基本物理性質。

表1 粉煤灰的物理性質

1.2 化學性質

粉煤灰是一種火山灰質混合材料，易與NaOH反應生成具有凝膠性能的化合物，可用于生產建筑材料。粉煤灰中主要的氧化物是SiO2和Al2O3，質量分數占80%以上［13］，其次還有少量的其他氧化物。粉煤灰的化學成分由于煤源、品種等因素的差異有所不同，其主要成分見表2。

表2 粉煤灰的主要化學組成 %

2 粉煤灰綜合利用

2.1 建筑建材方面的應用

2.1.1 粉煤灰水泥

粉煤灰主要由活性SiO2和Al2O3組成，因此可用作水泥生產中黏土組分的替代品。粉煤灰廣泛用于水泥生產，可以提高產量，降低成本，改善水泥某些性能。宿靜［14］通過對粉煤灰球磨得到不同粒徑的粉煤灰，并對比分析了這些粉煤灰樣品所制得水泥的抗壓強度，發現當粉煤灰摻量為60%（質量分數，下同）時，粒徑在18～23 μm的粉煤灰顆粒對水泥早期和中期抗壓強度的增進作用最大，28～32 μm的粉煤灰顆?？梢蕴岣咚嗪笃诳箟簭姸?。邱瑞芳等［15］以循環流化床鍋爐中排出的粉煤灰為原料，經蒸汽動能磨粉制得超細粉煤灰，發現在超細粉煤灰、熟料、石膏質量比為40∶57∶3的條件下，當粉煤灰粒徑為5 μm時，制得的水泥各項性能最好，強度達到PF52.5等級。

2.1.2 粉煤灰混凝土

實踐證明，在配制混凝土時加入適量的粉煤灰，可以改善混凝土的性能，提高產品質量，降低產品的生產成本和工程成本。趙志方等［16］采用絕熱模式和溫度匹配模式2種溫度歷程養護模式，完成參照混凝土和超高摻量混凝土的溫度應力實驗，結果發現隨著粉煤灰摻量的增加，熱膨脹系數減小。姚烈波［17］通過顆粒整形技術將廢棄砂石骨料制成Ⅰ類再生粗骨料，與一定比例的粉煤灰混合制得粉煤灰類再生混凝土，發現Ⅰ級粉煤灰再生混凝土與Ⅱ級粉煤灰再生混凝土相比，前者的抗凍性能要高，且當粉煤灰摻量為20%時，2種粉煤灰再生混凝土抗凍性能最好。

2.1.3 燒結粉煤灰磚

燒結粉煤灰磚是以粉煤灰和黏土為主要原料，輔以其他工業廢渣，經一系列工序燒結而成［18］。燒結粉煤灰磚具有質量輕、黏土消耗量少、焙燒周期短、質量好等優點。杜漫亞［19］在粉煤灰、黏土、激發材料的質量比為 7∶2∶1 的條件下，1 000 ℃下焙燒 2 h，制得粉煤灰燒結磚，通過與普通黏土磚對比發現，粉煤灰燒結磚用灰量大，磚的質量要比黏土燒結磚低5.5 kg/塊，此外它還具有成本低、燒結快、產量高等優點。海龍等［20］以玻璃粉為助溶劑，在煤矸石與粉煤灰質量比為3∶7的條件下制得燒結磚，得到最優的工藝條件：磚坯成型水分為12%（質量分數），成型壓力為30 MPa，燒成溫度為1 150℃，保溫時間為100 min，升溫速率為80℃/h，制得的磚塊符合相關國家質量標準。

2.1.4 粉煤灰砌塊

與黏土制品相比，粉煤灰砌塊質量輕、強度大、保溫性和耐久性好，還可以減少施工周期，降低施工成本。陳勝強等［21］在固定石灰和石膏用量的基礎上，考察了粉煤灰摻量對蒸壓粉煤灰空心砌塊的性能的影響，結果發現當粉煤灰摻量為65%時，砌塊的抗壓強度最大，達到了5.8 MPa，碳化系數為0.88，干燥收縮值為0.49 mm/m，密度為700～800 kg/m3，非常適用于中高層建筑填充墻。陳燕菲等［22］在固定水料比的基礎上，將不同量的水泥和粉煤灰加入到空心砌塊中，發現當水泥和粉煤灰的摻量分別為16%和4%時，砌塊抗壓強度為5.7 MPa，密實度等級達到國家標準的要求；當水泥摻量為20%時，增加粉煤灰摻量，砌塊抗壓強度和密度也有所增加，當粉煤灰摻量為5%時，抗壓強度最大，達到11.6 MPa。

2.1.5 粉煤灰砂漿

使用粉煤灰替代傳統建筑砂漿中的水泥和砂等組分，配置成粉煤灰砂漿可以有效降低施工成本，同時也能保證項目質量。吳福飛等［23］研究了粉煤灰摻量對砂漿性能的影響，發現當摻量為20%時，粉煤灰砂漿的抗壓強度比純水泥砂漿要高，此時粉煤灰的火山灰活性較高；摻量大于20%時，粉煤灰主要起到的是填充作用，所以粉煤灰砂漿的抗壓強度會有所降低。劉宇等［24］研究膠凝材料漿體時發現，當粉煤灰摻量為28.5%時，漿體的屈服應力由1.36 MPa減少為0.26 MPa，塑性黏度下降了25%，觸變環面積是未摻灰漿體的0.52倍。俞瑾等［25］在脫硫石膏基砂漿中摻入不同量的粉煤灰，發現砂漿的稠度有所增大，當粉煤灰摻量為20%時，砂漿的1 d和3 d抗壓強度達到最大值；當摻量為30%時，砂漿的28 d抗壓強度達到最大值。

2.1.6 粉煤灰陶瓷

以廢料陶瓷、建筑垃圾、河道淤泥等作為原料，通過采用先進的發泡方法和生產工藝條件，高溫焙燒制造出的泡沫陶瓷材料，具有氣孔率高、比表面積大、耐高溫和耐腐蝕等優點。陳芳［26］以粉煤灰（摻量為47.5%）、玻璃粉（摻量為42.5%）和瓷粉（摻量為10%）為主要原料，加入一定量的硼酸和硫酸作為發泡劑，制得抗壓強度達到8.01 MPa的優質泡沫陶瓷，并且吸水率小，氣孔率大。左緒俊等［27］在粉煤灰、Al2O3、淀粉、TiO2質量比為 40∶4∶5∶1 的條件下制得粉煤灰基多孔陶瓷膜，燒成溫度為1 200℃，保溫時間為0.5 h，所制得的陶瓷膜性能良好，平均孔徑為2 μm，水通量為 1 201 L/（m2·h·MPa），耐酸度和耐堿度都達到了95%以上。張冬梅等［28］以粉煤灰（摻量為42%）、廢瓷粉（摻量為30%）和山皮土（摻量為28%）為泡沫陶瓷基料，加入質量分數為6%的發泡劑SiC，采用原味發泡法制得孔隙率為70.66%、體密度為0.47 kg/m3、抗壓強度為2.22 MPa的泡沫陶瓷。

2.2 農業方面的應用

2.2.1 改良土壤

粉煤灰的粉砂粒占92%，黏性顆粒占8%，保水能力為57%，導熱系數小，親水性弱，容重低，孔隙率為70%。在黏質土壤中加入適量的粉煤灰，可以有效保存土壤中的水、氣、熱、肥。粉煤灰的加入也能夠提高土壤中微生物的活性，有利于植物的生長［29］。胡雅［30］使用不同改良材料，對復墾土壤做了改良研究，發現添加有機肥和粉煤灰混合材料，使0～15 cm土層中的有機質含量最多，且小麥連續2 a產量較高，說明這種混合材料對土壤的改良效果較好。范娜等［31］使用醋糟和粉煤灰對鹽漬地進行改良，發現二者在質量比為1∶1時能夠有效提高鹽漬地中速效鉀和速效磷的含量，和處理前相比，土壤容重下降了28.6%，提高了土壤通氣性，有利于植物生長。

2.2.2 粉煤灰制化肥

粉煤灰含有迄今已知的植物生長所需的16種主要元素和其他營養素，是一種優質的復合肥料。由于其含量少，要想只使用粉煤灰肥達到理想的增產效果，就必須施用大量粉煤灰，但粉煤灰施用過多也會對田地造成損害。據此，人們將粉煤灰進行加工處理，制成多種高效復和化肥。這種化肥具有非常好的增產效果，并且價格低廉，用量較少。目前，市面常見的有粉煤灰硅鈣肥、粉煤灰復混肥，粉煤灰磁化肥等，這些肥料的肥效較長，增產效果也較明顯。孫克剛等［32］研究粉煤灰磁化肥對雜交水稻產量的影響時發現，926 kg/hm3為粉煤灰磁化肥最佳施用量，水稻產量為9 131 kg/hm3，比當地傳統施肥增產870 kg/hm3，增幅為 70.6%。 龐喆等［33］將粉煤灰和有機肥混合使用，發現混合肥能夠提高土壤表層7.5 cm處溫度，與其他處理相比，混合肥處理水分利用率最大，為 23.52 kg/（hm2·mm），2 a 的玉米產量也提高了75%。

2.3 化工方面的應用

2.3.1 合成分子篩

分子篩是一種用堿、鋁、硅酸鈉等合成的泡沸石晶體。因其吸附能力強，可以篩分不同大小的分子，所以廣泛用于催化、吸附等領域。李曉光等［34］采用水熱合成法制備粉煤灰基X型沸石分子篩，確定合成的最佳條件為堿液濃度0.75 mol/L、硅鋁物質的量比為 2.8、固液比（mL/g）為 9、晶化溫度為 90℃、晶化時間為10 h，在此條件下實現了對NH4+的高效去除。郭培英［35］以粉煤灰為原料，采用酸法-堿法合成A型分子篩，確定最佳晶化溫度為95℃，晶化時間為6 h。

2.3.2 提取氧化鋁

粉煤灰中Al2O3的含量僅次于SiO2，因此，從粉煤灰提取鋁資源成為國內外學者研究的重點。目前，從粉煤灰中提取氧化鋁的工藝主要有堿法、酸法、酸堿聯合法。陳延信等［36］采用堿石灰燒結法從粉煤灰中提取氧化鋁，最佳工藝條件：m（Na2O）∶m（Al2O3）=1.10、m（CaO）∶m（SiO2）=1.00、燒結溫度為 1150℃、燒結時間為60 min，在此條件下粉煤灰熟料中Al2O3的溶出率可達96%左右，完全能滿足工業生產的要求。王錳［37］以高鋁粉煤灰為研究對象，采用單一酸法提取氧化鋁，確定最佳條件：質量分數為32%的鹽酸、酸灰比（mL/g）為 2.5、溫度為 170℃、時間為180 min，此時氧化鋁的浸出率達到最高，為76.04%；采用混合酸浸出氧化鋁，在同等條件下，HCl-H2SO4體系中氧化鋁的浸出率為83.07%，HCl-H3PO4體系中氧化鋁浸出率為74.78%，說明混合酸HCl-H2SO4體系浸出鋁的效果最好。

2.3.3 提取稀有金屬

粉煤灰中含有鎵、鋰、釩、鎳等微量稀有金屬元素，對這些微量元素進行提取和高附加值利用，是實現粉煤灰精細化利用的重要途徑。Sandra Vitolo等［38］通過煅燒、酸洗、氧化沉淀的方法來分離回收粉煤灰中的釩，發現在850℃下釩的回收率達到83%。劉匯東等［39］將粉煤灰與無水碳酸鈉混合，在860℃下煅燒0.5 h，采用水浸法提取鎵，提取率達到84.70%，采用酸浸法提取稀土，提取率達到80.07%。侯永茹等［40］將粉煤灰、碳酸鈉和碳酸鈣在質量比為1∶1∶0.8的條件下灼燒 1.5 h，溫度為 1 200 ℃，再用二氧化錳分子篩對粉煤灰中的鋰進行吸附，吸附率為80%～85%。

2.4 環保方面的應用

粉煤灰中所含物質多呈不規則多孔形式，比表面積大，同時粉煤灰中還含有一些活性基團，這就使其具有較強的吸附能力，能夠作為吸附劑處理污水和煙氣［41］。粉煤灰的吸附主要表現在物理吸附和化學吸附2個方面［42］，正常情況下，物理吸附及化學吸附作用同時存在，但在溶液濃度、溫度、吸附時間等不同條件下體現出的優勢不同。

2.4.1 污水處理

李蕊等［43］采用硫酸、黏土和碳酸鈣對粉煤灰進行改性，發現改性粉煤灰對廢水中Ni2+的去除率要比未改性粉煤灰高30%左右，且在pH=6、吸附時間為2 h、反應溫度為120℃的條件下，Ni2+的去除效果最好，去除率可達到97.68%。駱欣等［44］將粉煤灰與Na2CO3按質量比3∶1混合，在800℃下煅燒2 h，得到改性粉煤灰，用改性粉煤灰吸附廢水中的Pb（Ⅱ），發現當粉煤灰投加量為0.2 g、吸附時間為0.5 h時，Pb（Ⅱ）的脫除率達到了97.77%，且Pb（Ⅱ）溶液pH為4～10時，Pb（Ⅱ）的脫除效果最好，脫除率均達到96%以上。張瀮升［45］利用原狀粉煤灰和經H2SO4預處理后的改性粉煤灰吸附工業廢水中的Cu2+，發現同等條件下原狀粉煤灰吸附效率最高為67.02%，而改性后粉煤灰吸附效率最高為96%，且在溶液pH=5、溫度為28℃、時間為2 h時吸附效果最好。

2.4.2 煙氣處理

張德見等［46］采用火法-濕法對粉煤灰改性，發現改性后的粉煤灰可以有效地處理瀝青煙氣，吸附率保持在95%以上，吸附速度幾乎不受氣速影響。改性后的粉煤灰比表面積為140 m2/g，孔隙率為83.1%，而原狀粉煤灰的比表面積只有2.8 m2/g，孔隙率為33.1%。鄧慧敏等［47］將粉煤灰基脫汞吸附劑在質量分數為5%的NaCl溶液中浸漬3 h，得到改性吸附劑，將吸附劑用于三段式煙氣脫汞實驗時發現，汞的脫除率能達到78.90%。郭慧嫻等［48］將煅燒后的粉煤灰與適量的 Ca（OH）2、Na2SiO3·9H2O 和蒸餾水混合，經水熱化合反應之后得到改性粉煤灰，用改性粉煤灰作為吸附劑脫除煙氣中的SO2，發現在相同條件下，當粉煤灰含濕率為30%時，脫硫率最高，在反應的前20 min內，脫硫率都在96%以上。

3 結語

粉煤灰不是廢棄物，而是一種寶貴的資源。因此，要依靠科學技術，從保護環境、節約資源的角度全面利用這一豐富的資源。國家要在政策上加大扶持力度，制定政策法規來鼓勵產灰企業對粉煤灰進行有效利用。目前，中國粉煤灰的利用主要是在建筑建材和農業等中低層次方面，而在提取稀有金屬、生產高附加值產品等高層次方面的利用尚有很大不足，因此要加大研發的投入，積極利用國際先進技術和裝備，研發新產品，建立技術創新體系，生產具有高附加值的產品，不斷擴大利用面，提高利用率。隨著社會的發展，科學技術的進步，以及國家相關政策的支持，粉煤灰將會成為一種造福于人類的寶貴資源。