粉煤灰的利用技术研究进展综述

徐靖 李婷 梁晓玲

摘要：粉煤灰是火力发电厂中粉煤燃烧后产生的固体残留物，它是一种工业副产品.如果不能得到有效利用，它将是一种污染环境的废弃物.在过去的近二十年里，废弃物与副产品的应用受到越来越多的关注.本文主要对粉煤灰的一些基本性质进行了表述，物理和化学是其中最重要的性质，叙述了许多粉煤灰在建筑材料、沸石的合成、玻璃和陶瓷的生产、金属元素的提取、废气废水处理、土壤改善等领域的应用现状，提出了当前利用中存在的问题，并对粉煤灰综合利用的发展趋势做出了展望.

关键词：粉煤灰;废物;性质;应用

中图分类号：TQ038  文献标识码：A  文章编号：1673-260X（2019）06-0108-03

1 前言

在一些火力发电站，以煤粉燃烧作为动力来源，而其燃烧后排放的粉灰灰粒，属于当前经济水平的国家的工业固体废弃物.很大部分浪费的土地资源都是由于粉煤灰的大量堆积造成的浪费，进而可能形成其他一些资源的浪费，造成土地退化，对环境和人类健康带来危害.

目前，粉煤灰每年在整个地球的排放量是很多的，一般都会高于7.5亿吨，其中中国加上印度就占了大半，如图1所示.火力发电用得最多的能源就是煤，在完成发电后产生粉煤灰.

对我们国家当前社会发展水平与资源发现程度来说，煤依旧在我国能源中占很大比例，这就导致在以后的生产生活中我国还要继续大量的使用煤作为能源.放眼全球，我国是最大的煤炭消费国，大约占煤消耗总量的一半.根据前几年的记录，我国近年来的粉煤灰年排放量持续增加，且幅度较大，燃煤电厂不断发展，粉煤灰产生量还将继续增加.预计，2020年我国的粉煤灰产生量在5.5～5.7亿吨.

对于工业废弃物，不应只采取销毁或者扔掉的做法，可以对其加以利用，就有可能变成一些有利的资源，粉煤灰也不例外.因此思考正确合适的处理方法刻不容缓.例如，Jung-Ho Wee[1]利用CO2对于粉煤灰的捕獲、储存等的积极作用的表述.Devi Prasad Mishra[2]通过对粉煤灰物理化学性质的研究及矿物学分析，介绍了粉煤灰在填充地下煤矿井方面的应用.目前，粉煤灰已在水泥生产、建筑工程、农业及矿山充填等方面得到广泛应用，M.Ahmaruzzaman[3]对粉煤灰的综合利用技术进行了综述，并且着重介绍了其在去除某些金属元素领域的应用.

2 粉煤灰的矿物组成、物理性质及化学性质

原煤性质、燃烧条件等固有性质和人为条件的影响都会让粉煤灰的自身组成、性质有所不同.为了更好地对粉煤灰进行开发，那么对其矿物学、化学等诸多性质就不能视而不见，详细了解这些性质是非常必要的.

2.1 粉煤灰的矿物组成

粉煤灰在本质上就是一种混合材料，外形像火山灰，就是煤粉经过燃烧后形成的.从物相这方面讨论，其实晶体相和无定形相就是该混合物的结构.而且矿物组成不唯一，种类较多.石英、莫来石等都能成为晶体矿物石，无定形相由玻璃体、无定形碳和次生褐铁矿等组成，玻璃体为主体，约占粉煤灰总量的50%～80%，蕴含较高的化学内能，具有良好的化学活性.

2.2 粉煤灰的物理性质

粉煤灰外形跟水泥没什么区别，颜色差别可能较大，其中没有进行燃烧的碳的数量决定了颜色，一般在乳白色与灰黑色之间.粉煤灰的细度一般也是由这些表示的，关系就是：颜色深粒度细、含碳量相对就高.从形状的区别来分析，粉煤灰的颗粒一般都是大小、形状都不同的椭球形，人为设置的燃烧温度和冷却速率控制着颗粒大小.颗粒一般都是中空的，无定形颗粒和晶体占很大比例.正常情况下，粉煤灰颗粒平均直径小于10μm（图2）[4].其他方面，灰融温度一般在初始变形温度和流动温度之间，其他物理性质见表1，粉煤灰这些性质会使其在一些地方的应用不同，下边做具体分析.

2.3 粉煤灰的化学性质

粉煤灰化学成分并不是完全都相同的，会因为燃煤产地差异，燃烧充分性不同有所区别，对大部分的粉煤灰，主要有Al2O3、SiO2、Fe2O3等各种氧化物以及未燃烧充分的碳组成.Al2O3、SiO2、Fe2O3含量会有很大区别，根据这方面，美国ASTM将其分为两种类型：F类（SiO2+Al2O3+Fe2O3≥70%，具有火山灰活性）和C类（SiO2+Al2O3+Fe2O3≥50%，具有水硬性）.粉煤灰中还含锗、镓、硼、镍、铀、铂等稀有元素.

粉煤灰的化学性质主要受到原煤产地的影响.原煤硫含量的多少是决定酸碱度的主要指标，一般在弱酸性与弱碱性之间.当前大部分的粉煤灰都是呈碱性的，因为其Al2O3含量比较高，这就更有利于我们从煤灰中提取Al2O3，提高对煤灰的利用.但是煤灰中还含有硫等有污染的元素，这是在利用煤灰时要考虑的主要因素.

3 粉煤灰的应用

3.1 金属元素的提取

粉煤灰中富含很多元素，例如铝、铁、钙、镁、钠、钾等，因此，从粉煤灰中提取金属元素是让粉煤灰变废为宝的一种很有前景的利用方式.

3.1.1 氧化铝的提取

一般相同产地的煤，经过燃烧产生的煤灰氧化物含量基本相同，产地不同，含量差别很大.大部分粉煤灰的氧化物含量有相同的大小顺序：SiO2> Al2O3>Fe2O3.氧化铝在粉煤灰中占很大比例，这就导致粉煤灰成为提取氧化铝的待选原料.铝土矿产慢慢减少，而对氧化铝的需求还在不断地提高，这使得如何在粉煤灰中提取Al2O3变得极为重要.所以，粉煤灰中Al2O3的提取利用有利于社会效益的提高，对环境无污染，最重要的是降低对铝矿石的依赖，解决铝资源的短缺.

从20世纪中叶开始，JW以高铝煤矸石、Al2O3>30%的粉煤灰为主要原料提取Al2O3[5]，全球许多专家学者也对粉煤灰提取铝进行大量实验研究.设计了许多提取Al2O3的工艺，主要分为两种方法：碱性烧结法、酸浸法.

3.1.1.1 碱性烧结法

莫来石、石英等非晶向物质在极高温下就形成了粉煤灰.粉煤灰中的莫来石是铝的主要来源，它是一种惰性物质.所以，对粉煤灰进行活化操作，对从中提取Al2O3有很大的促进作用，因此必须进行.高温煅烧法是经常采用的活化方式.在进行粉煤灰加热的时候，加入一些石灰，使得煅烧温度有所控制，也能加快提取速度.

3.1.1.2 酸浸法

碱性烧结法和酸浸法都可以用来从粉煤灰中提取氧化铝.碱性烧结法可以提高氧化铝的回收效率，使用此方法需要大量能量，且固体废弃物产生较多.另一种方法不仅没有许多固体废弃物，而且能分离Al2O3和SiO2，提取的Al2O3纯度较高，综上所述，酸浸法对于大规模生产Al2O3更加适合.但还存在一定缺点：提取效率不如第一种方法，使用氟化物可以提高效率，但对环境有很大污染.这就导致了不能将此方法在工厂内大范围应用.

酸浸法通常使用的酸是硫酸、盐酸和硝酸.反应机理如下：

提高Al2O3的提取效率是当前要研究的重点，人们做了许多实验研究.吴等人[6]通过降低温度、酸的浓度，采用高压酸浸出法从粉煤灰中提取Al2O3，理论获得的最优工艺条件是：粉煤灰粒径为74微米，硫酸浓度为50%，混合后放入高压反应釜，反应温度为180°C，反应时间4小时;在此条件下，氧化铝的提取率达到了82.4%（图3）.龚等人在酸浸法提取氧化铝的过程中用微波加热代替传统的加热方式，使Al2O3的提取率在80%左右，这是因为微波加热在一定程度上加速溶解粉煤灰中无机物质、有机物质.

综上所述，对粉煤灰利用的方法有许多，但从中提取金属元素不失为一个错的选择，这种方法还能提高经济效益.不尽人意的是，即使我们已经对此做了大量的实验研究，依然是不完美的，实验表明，提取过程有有毒的物质存在，对环境和水源有极大的污染.因此，在此领域的发展还有很长的路要走，需要不断提高提取工艺的技术及效率.

3.2 沸石的合成

粉煤灰与火山岩的组成成分中，Al2O3、SiO2的含量都远远大于其他氧化物，因组成相似，所以有相近的物理化学性质.天然沸石是从火山岩发展而来的，粉煤灰作为火山岩的代替物就可以作为合成沸石的材料.粉煤灰合成沸石后，该沸石就可以有净化水、空气等用处，这又是粉煤灰的利用方法.

1985年Holer和Wirschingin首次成功将粉煤灰转化成了沸石[7]，發展了粉煤灰利用的一种有效途径.随后，研究者们提出了各种改进粉煤灰制备沸石的方法，合成许多用处不同的沸石.已经在媒体上报道的合成沸石有：八面沸石、钙十字沸石等多种类型.文献[8]告诉我们，碱性水热法是最早的合成沸石的方法.Murayama等人[9]通过碱性水热法合成了P型沸石和菱沸石，这些人觉得粉煤灰的合成机理是：硅酸盐玻璃网络结构在OH-作用下溶解，Al3+、Si4+聚集生成硅铝酸盐凝胶，然后形成了[SiO4]4-和[AlO4]5-四面体，而这些四面体是组合成三维沸石的基本结构单元;最后，在K+等离子作用下，结晶生成特定盐基化沸石.

4 结论

粉煤灰是燃煤电厂中粉煤在高温燃烧后产生的一种无机残渣.近年来，全球粉煤灰大量堆积，为人类带来了相应的环境问题.如果处理不妥当，生物的健康和环境都将会受到威胁.因此，粉煤灰作为一种可以加工生产多种有用产品的原料而受到了广泛关注.人们正在努力搜寻着粉煤灰可能的利用领域.

本文意在对粉煤灰的利用技术提供一个详细的介绍，重点介绍了其在以下领域的应用：提取金属元素、合成沸石的生产.

然而，大多数报道出来的粉煤灰的利用方法经济效益低，而且处在商业化的初级阶段.因此，寻找合适的粉煤灰利用方法使其转化为商业应用是十分必要的，这将带来好的经济效益和环境效益.

参考文献：

〔1〕Jung-Ho Wee. A review on carbon dioxide capture and storage technology using coal fly ash[J].Applied Energy 106 （2013） 143–151.

〔2〕Devi Prasad Mishra， Samir Kumar Das. A study of physico-chemical and mineralogical properties of Talcher coal fly ash for stowing in underground coal mines[J]. M A T E R I A L S C H A R A C T E R I Z A T I O N 6 1 （2010）1252–1259.

〔3〕M. Ahmaruzzaman. A review on the utilization of fly ash[J]. Progress in Energy and Combustion Science 36 （2010） 327–363.

〔4〕Sudha Jala， Dinesh Goyal. Fly ash as a soil ameliorant for improving crop production—a review[J]. Bioresource Technology 97 （2006） 1136–1147.

〔5〕Hosterman JW， Patterson SH， Good EE. World nonbauxite aluminum resources excluding alunite. Washington： US Government Printing Office; 1990 （p. 51）.

〔6〕WU Cheng-you， YU Hong-fa1， ZHANG Hui-fang. Extraction of aluminum by pressure acid-leaching method from coal fly ash[J]. Trans. Nonferrous Met. Soc. China 2012;22：2282-2288.

〔7〕H. Höller， U. Wirsching， Zeolites formation from fly ash， Fortschr Mineral 63（1985） 21–43.

〔8〕Annie Shoumkova， Valeria Stoyanova. Zeolites formation by hydrothermal alkali activation of coal fly ash from thermal power station “Maritsa 3”， Bulgaria[J]. Fuel 103 （2013） 533–541.

〔9〕Norihiro Murayama， Hideki Yamamoto， Junji Shibata. Mechanism of zeolite synthesis from coal fly ash by alkali hydrothermal reaction[J]. Int. J. Miner. Process. 64 （2002） 1–17.