论粉煤灰的资源化利用

严瑞山

（洛阳市双勇机器制造有限公司，河南洛阳471003）

论粉煤灰的资源化利用

严瑞山

（洛阳市双勇机器制造有限公司，河南洛阳471003）

粉煤灰是结晶体、玻璃体及少量未燃碳组成的一个复合结构的混合体，是新发现的、数量巨大的、非常重要的矿产资源。资源化利用粉煤灰，既能够化解粉煤灰所带来的环境问题，又能够将其作为一个新兴的资源加以开发，制作多种实用性产品，符合中国可持续发展战略和节能减排的要求。

粉煤灰；重要资源；资源化利用

粉煤灰是指煤炭在燃烧后残留的固体颗粒物，包括灰和渣，作为一种资源，具有很高的使用价值，并为某些建筑材料和制品所不可缺少。作为主要的能源，我国还将在相当长的时期内燃煤发电，粉煤灰产量也将会随之持续大幅度增加。因此，大力开展粉煤灰的资源化利用，是我国经济持续发展的必然要求。

1 粉煤灰的形成

煤气发生炉和半水煤气发生炉、燃煤电厂及各类锅炉燃烧的原料、燃料煤，是由泥炭或腐泥转变而来[1]，是古代植物埋藏在地下，在缺氧和某些细菌的作用下，经过几千年的漫长时间，在温度、压力及地址化学作用条件下而变成的[2]，是由有机物和无机物共同组成的。有机部分是由碳、氢、氧、氮、硫等元素构成的复杂的多种高分子物质的混合物[2]；无机物主要成分为高岭石、方解石和黄铁矿等，所含元素达数十种之多，最常见的有硅、铝、铁、镁、钙、钾、硫、磷元素等。煤在燃烧时，其无机矿物经过分解、烧结、熔融及冷却过程，冷却后的粉煤灰基本上分成玻璃体及晶体矿物两类，冷却速度较快时，粉煤灰的玻璃体含量较大；相反，冷却速度较慢，玻璃体容易析晶。一般晶体矿物为石英、莫来石、磁铁矿、氧化镁、生石灰及无水石膏等，非晶体矿物为玻璃体、无定形碳及次生褐铁矿，其中玻璃体含量占40%以上。在显微镜下观察，粉煤灰是结晶体、玻璃体及少量未燃碳组成的一个复合结构的混合体。

2 粉煤灰已经成为重要资源

根据部分燃煤电厂的粉煤灰化验，发现粉煤灰主要成分为硅、铝、铁、钙、钾、镁、钛、硫等氧化物，表1为粉煤灰的元素组成表。

表1 粉煤灰的元素组成表（部分电厂化验数据）%

随着国民经济发展，燃煤电厂规模不断扩大，现在已有数座单机组发电100万kW的电厂在建和投产，排出的新灰加上历年排出的灰渣，数量已经达到数十亿吨，按10亿t测算：其中三氧化二铝按20%计算就达2亿t，二氧化硅按40%计算，达4亿t，三氧化二铁按10%计算，达1亿t，氧化钙按0.6%计算就达600万t；氧化镁按1.3%计算，达1300万t；三氧化硫按0.4%计算，达400万t；磷按0.4%计算，达400万t；氧化钾按1.8%计算，达1800万t；氧化钠按0.6%计算，达600万t。10亿t粉煤灰中，铝、硅、铁、钙、镁、钾、硫、磷、钠的含量就达8.42亿t，特别是硅、铝、铁三种氧化物更达到了80%以上，这是新发现的、数量巨大的、非常重要的矿产资源。

众所周知，我国是世界最大的钢铁生产国，但是国内的高品位铁矿却极少，大部分铁矿原料都要从国外进口，世界铁矿原料的价格上涨，对我国钢铁业产生了极大压力，引起国内钢材价格高升；中国铝业股份有限公司总裁助理谢洪在广西百色举行的铝业可持续发展论坛上说：“每吨氧化铝消耗铝土矿资源储量3.3t，而我国保有的基础储量约7亿t，只能维持不到10年的时间”。随着我国矿石原料进口量的急剧增长和高度集中，钢铁业、铝业稳定发展面临的风险在不断扩大，如果将粉煤灰很好利用，会缓解这些资源在国内紧缺的局面和降低行业稳定发展面临的风险。

3 粉煤灰的资源化利用

由于粉煤灰中的矿物质含量多，严格界定应属于伴生矿物，不宜采用单一处理利用方案。

3.1 单一利用和资源利用的效益比较

例如：某电厂年排粉煤灰100万t，全部用于制砖生产线，可生产4亿块标准砖，每块砖利润0.1元，年创效益4000万元，利用粉煤灰制砖每吨可以创效益40元。

粉煤灰的资源利用效益：

（1）在Fe2O3含量8%的情况下，100万t粉煤灰中就有8万t的Fe2O3，建设一条年产6万t铁粉生产线，效益按400元/t计算，就是3000万元；利用粉煤灰中的铁元素选铁，可以创效益40元/t。

（2）在Al2O3和SiO2含量70%的情况下，100万t粉煤灰中就有70万t的Al2O3和SiO2，建设一条年产30万t的铝硅合金生产线，效益按2000元/t计算，就是6亿元；利用粉煤灰中的铝硅元素冶炼铝硅合金，可以创效益600元/t。

（3）建设一条40万t的复合肥生产线，效益按300元/t计算，就是1.4亿元。利用粉煤灰中的硅、钾、磷元素制复合肥，可以创效益140元/t。

（4）资源利用后余下的粉煤灰和冶炼渣还可以做砖或建材。

利用粉煤灰，从工业上解决了冶金和铝硅合金原料的紧张局面，从农业上给当地的农民种田带来了实惠并进行了土壤改良，从企业自身来讲，利用100万t粉煤灰，效益达到7.8亿元，比原来单一做砖的4000万元增加了7.3亿元。目前全国每年排出粉煤灰6亿t以上，采取这样的资源利用方案就可以多创造4380亿元的经济效益。

据中国资源综合利用协会粉煤灰专委会有关粉煤灰资源利用效益比较资料显示：粉煤灰用于回填或土建材料，效益不足10元/t；粉煤灰用于墙体材料或水泥混合材料，效益每吨达几十元；粉煤灰用于混凝土掺和材料，效益达40～100元/t；粉煤灰用于分子筛，效益达4000元/t以上；粉煤灰用于复相陶瓷，效益达到每吨上万元。因此，资源化利用出效益，更出高效益。

3.2 粉煤灰在农业方面的利用

20世纪80年代起，我国电力部门和农科院所经过多年试验和研究证明，粉煤灰比水容量接近或略高于土壤，与土壤水分相比，粉煤灰水分更容易被植物利用，施用粉煤灰可以对土壤理化性质产生重大影响。

（1）降低粘土中粘粒含量4%～8.9%，改良土壤。

（2）减少粘土堆积密度0.16g/cm3。

（3）增加土壤的孔隙度7.4%。

（4）提高土壤14cm深度土层内温度0.4～1.3℃。

（4）提高土壤含水量和田间持水量6.1%。

（6）调节土壤的固液气三相比为1∶1.24∶0.43，使大小孔隙比处于最适宜的比例内。

（7）减小土壤的膨胀率7.4%，提高土壤的渗透性，防止土壤流失。

（8）增加土壤有效磷含量1～6倍，具有明显增产效果。

（9）增加土壤中的硅、铜、锌、钼、锰、硼等营养元素含量，有利于作物生长。

（10）调整土壤的pH值，对酸性、碱性土壤进行改良。

施用粉煤灰改良后的土壤进行种植，可以使小麦增产4.6%～20.7%，平均增产13.14%；玉米增产7.8%～14.4%，平均增产11.64%；水稻增产8.6%～23.4%，平均增产16%；黄豆增产8.6%～32.9%，平均增产20.74%；谷子、山芋、棉花、蔬菜等也都有一定的增产效果[3]。因此利用粉煤灰制作农用肥料对于我国农业大国来讲是大有发展的，更是改良多年使用化肥造成土壤污染和板结的重要途径。

3.3 粉煤灰制作无机非金属材料——微晶玻璃

微晶玻璃是我国刚刚开发的一种新型的建筑材料，它的学名称为玻璃陶瓷。微晶玻璃和常见的玻璃看起来大不相同。它具有玻璃和陶瓷的双重特性，普通玻璃内部的原子排列是没有规则的，这也是玻璃易碎的原因之一。而微晶玻璃象陶瓷一样，由晶体组成，也就是说，它的原子排列是有规律的。所以，微晶玻璃比陶瓷的亮度高，比玻璃韧性强。做一个微晶玻璃与天然石材的对比实验：把墨水分别倒在大理石和微晶玻璃上，稍等片刻，微晶玻璃上的墨汁可以轻易地擦掉，而大理石上的墨迹却留了下来。这是为什么呢？表面粗糙的大理石、花岗岩等天然石材尽管加工打磨得光滑闪亮，但是条纹中仍然可以藏污纳垢，微晶玻璃就没有这种问题。大理石的主要成分是碳酸钙，用它做成建筑物，很容易与空气中的水和二氧化碳发生化学反应，日久大理石建筑物必然变色，而微晶玻璃几乎不与空气发生反应，可以历久长新。微晶玻璃具有良好的机械性能和物理性能，其硬度为莫氏6～9，耐压强度为6.3t/cm2,抗折强度为487～1380kg/cm2,抗冲击强度为2.4～3.8kg/cm2,光泽度为70～120，膨胀系数为61～77.4（10/℃），吸水率＜0.07%，耐磨损失为0.49g/cm2，而且有很好的耐酸、耐碱性能，微晶玻璃集中玻璃、陶瓷及天然石材的三重优点，优于天然石材和陶瓷，因此被广泛用于制作建材、板材、管材等，可用于建筑幕墙及室内高档装饰，还可做机械上的结构材料，电子、电工上的绝缘材料，大规模集成电路的底板材料、微波炉耐热系列器皿、化工与防腐材料和矿山耐磨材料等，它还可和其他金属材料配合用于制作高强度轴承、高压容器、高压管道、发酵罐、建筑的无钢筋楼板、空心间壁墙板、发动机汽缸以及航天发动机、宇航船外壳、火箭喷口等高精尖产品，低膨胀系数的微晶玻璃可用于激光导航陀螺、光学望远镜等重要科技和军工领域，是21世纪最具发展前途的新型材料。

选用粉煤灰作为制备微晶玻璃的主要原料，是因为粉煤灰在高倍电子显微镜下观察，是化学性质稳定的玻璃球珠，它的化学成分与微晶玻璃的化学成分相似，含有微晶玻璃的主要化学成分，如 SiO2：24%～64%，Al2O3：10%～44%，CaO：1%～30%，以及含有MgO，Fe2O3，SO3和放射性元素镭—226、钍—232等元素，这些都是制备微晶玻璃的必备成分。粉煤灰的上述化学成分依不同地区的煤质、燃烧时是否加石灰石，以及加入量及其化学成分含量，有所变化。

利用火力发电厂的粉煤灰制做微晶玻璃，不仅为生产微晶玻璃提供了最容易得到的廉价原料，而且为粉煤灰资源化利用开辟了一条新的途径，对于微晶玻璃新材料的开发利用具有重要意义。

3.4 粉煤灰资源化利用方案实施时的注意事项

由于粉煤灰化学成分含量多，适用范围广，可以应用在许多领域。但是，由于多方面原因，实际应用起步很晚，许多技术鲜为人知，应用领域也很陌生。因此在搞资源化利用方案时，要建立化验室和实验室。对资源化利用的方案要根据当地实际情况和市场情况，以及工业布局来多方考虑、充分论证、慎重确定；对工艺流程和机器装备要借鉴多个领域、多个行业已有的经验和机器装备来改进和选用；在可能的情况下尽量采取总包和大包工程的方式来实施。这样，通过合同关系、经济关系的确定，一方面促进参与单位和人员的责任心，另一方面促进资源化利用方案的高效、完善，从而不断改进粉煤灰资源化利用的各类方案和相关生产线，使设计院所、机械设备制造厂家、安装公司通过实践，在方案设计中有所改进，有所提高。

4 结语

粉煤灰是新的、数量巨大和重要的资源，它具有伴生矿产的性质和特点，单一利用不能达到较好效果，要尽快完善相关的技术、工艺、装备等配套方面的工作，才能搞好粉煤灰的资源化利用。这样既能够化解粉煤灰所带来的环境问题，又能够将其作为一个新兴资源加以开发，制作多种实用性产品，这将对节能降耗、节能减排起到极大的促进作用，是加快经济发展、建设资源节约型社会和循环型社会的最好体现。

[1]陈鹏.中国煤炭性质、分类和利用[M].北京：化学工业出版社，2001.

[2]向英温，杨先林.煤的综合利用知识问答[M].北京：冶金出版社，2002.

[3] 王福元.吴正严.粉煤灰利用手册[M].北京：中国电力出版社，2004.

Ontheresourceutilizationofflyash

YANRuishan
（LuoyangShuangYongMachineryManufacturingCo.,Ltd.,Luoyang471003,China）

Flyashisahybridcompositestructure.Therearecrystalline,vitreousandasmallamountofunburned carboncomposition.Flyashisanewlydiscovered,ahugenumberofveryimportantmineralresources.Utilizationoffly ash,bothtoresolveitsenvironmentalproblems,butalsotobedevelopedasanewresourceandproducedavarietyof practicalproducts.Thisisconsistentwithsustainabledevelopmentandenergysavingrequirements.

flyash;importantresources;resourceutilization

X773

A

1674-0912（2014）02-0037-03

2013-12-24）

严瑞山（1942-），男，北京市人，获得“粉煤灰提取铝硅合金的工艺方法”和“大型压球机”两项发明专利，从事工业固体废弃物的处理与利用工作。