粉煤灰资源化及综合利用可持续发展的研究

摘要：指出了随着时代的发展，粉煤灰的利用越来越广泛，但随之出现的问题也越来越多，当时人们还没有可持续发展的观念，粉煤灰的综合利用没有形成规模，且技术落后，产品并没有达到预期效果。提出了粉煤灰资源化是粉煤灰综合利用的前提条件，生产高附加值产品是粉煤灰综合利用的重要方向，最终要实现粉煤灰综合利用的可持续发展。

关键词：粉煤灰资源化;高附加值;绿色节能;可持续发展

中图分类号：TQ536.4 文献标识码：A 文章编号：1674-9944（2020）03-0195-02

1 引言

粉煤灰的数量相当庞大，全球每年约有18亿t粉煤灰产生，由于粉煤灰的物理化学特性，人们对它的使用也越来越广泛，对其研究也越来越深入，逐渐从实验室的理论研究发展到实际应用和工程建设。

粉煤灰综合利用主要有以下几个方面：①生产建筑材料;②建设工程方面的应用;③农林牧业中的应用;④污水处理中的应用;⑤粉煤灰生产沸石;⑥制备微晶玻璃;⑦粉煤灰提取有用矿物及制备硅铝合金等。虽然粉煤灰利用范围比较广泛，但是粉煤灰在我国的利用率依然很低，随着研究的不断深入，越来越发现粉煤灰的利用价值有很大的开发利用空间。国家建设发展对于水泥和墙体材料的用量逐渐增加，将粉煤灰用作建筑材料可以有效缓解建材市场的压力。

2 粉煤灰资源化利用

粉煤灰排量非常庞大，高达20亿t，面对如此巨大排量的粉煤灰，我国对于其利用只有28%～40%，大部分只能堆放存贮或者用于简单的充填，后续维护工作更加繁琐，加强粉煤灰资源化工作和资源高效率利用是实现粉煤灰可持续利用发展的开始，人们还需充分认识粉煤灰的潜在活性，树立粉煤灰资源化观念，不断推进粉煤灰资源化工作。

2.1 提高粉煤灰排放标准

粉煤灰本身并不等于资源，只有将其进行一定处理才能成为资源，但并不是所有粉煤灰都能进行资源化，只有达到一定品质，才能成为资源。而目前粉煤灰排放多是从环境保护和电力成本考虑，对粉煤灰的品质考虑较少，不利于粉煤灰的资源化，从粉煤灰建材资源化角度看，有很大的必要提高粉煤灰排放标准，使排放出的粉煤灰质量能够满足资源化的要求。

2.2 粉煤灰资源化改进方向

2.2.1 改性粉煤灰做水泥掺和料

利用粉煤灰生产水泥是国内外综合利用途经中的一种，为提高粉煤灰资源化的利用率，需要对粉煤灰原料进行一定的预处理。徐子芳[1]将超细粉煤灰、黏土、煤研石按照一定的比例制备成实验试块，同时用粉煤灰代替超细粉煤灰做了一組对比实验，实验结果表明：用超细粉煤灰制作的试块抗压强度为MU30优质品，超细粉煤灰活性较大，在烧结后，体积密度大，吸水率小，体内气孔减少，提高了导热效率，热稳定性良好。在实际生产应用的过程中，将粉煤灰超细化处理作为水泥掺和料，经破碎后，其表面产生一些缺陷，与水的接触面积增大，有利于将其内部的活性成分与晶体相打散、剥离，而且可以提升粉煤灰水泥材料的早期力学性能。

2.2.2 粉煤灰免烧砖

我国房屋墙体材料70%是用黏土砖，黏土砖的大量使用使我国墙体材料的生产能耗增加，同时加剧能源供需矛盾，而粉煤灰免烧砖的制作相对比黏土砖要简单，且能够消耗大量的粉煤灰，节约能源。胡维新等[2]用电石渣33%、粉煤灰42%、水泥25%等原料搅拌均匀，采用最佳配比，振捣成型，单块砖的最小抗压强度大于10MPa，总体性能达到JC239-2001《粉煤灰砖》标准要求。严岩就免烧砖原材料进行了详细的分析，水泥是强化免烧砖力学性能的重要材料，免烧砖追求制作工艺简单、环保、廉价等特点，需要在保证免烧砖强度的前提下，将水泥的掺量控制在最优。若粉煤灰中CaO含量高于3%，且同时有S_iO₂的存在，就使粉煤灰本身具有一定的水硬胶凝性能，单一的粉煤灰还可以与助凝剂、环保材料相结合，进一步保证免烧砖的质量。

2.2.3 粉煤灰提取白炭黑

白炭黑别名水合二氧化硅，可以生产橡胶制品、医药、食品添加剂及日用化工等领域，而大部分粉煤灰中含量居于首位的就是S_iO₂，是制备白炭黑的优质原材料，实现了粉煤灰资源化利用。常用的方法有沉淀法、碳分法、气相法等。

沉淀法的研究较早，生产的白炭黑粒径较大，活性较小，主要方法是：①对粉煤灰预处理后碱溶，得到硅酸盐溶液，通过控制溶液pH值，制备硅胶液，陈化、过滤、烘干后制得白炭黑;②粉煤灰和碱性活化剂（如Na₂CO₃，CaCO₃等）混匀，进行缎烧后，热溶于浓盐酸，陈化后得到硅酸沉淀。

碳分法采用分步碳分法去除杂质，是在沉淀法的基础上优化了工艺，沉淀白炭黑，相比沉淀法，白炭黑的纯度有了更大的提高。

气相法主要流程为：将硅化合物通过H、O燃烧，再分离出粒度分布大的颗粒，最后脱酸，制备气相白炭黑，徐吉明等研究采用氟化钙和浓硫酸与焙烧过的粉煤灰在加热的条件下直接反应，生成SiF₄气体，如式（1），再通入有一定浓度的乙醇水溶液中水解，得到品质纯度高的白炭黑。

2.2.4 粉煤灰制农业化肥

在当前，人们为了提高粮食蔬菜的产量，肆意施用氮肥等化学肥料，给生态环境带来极大的危害，同时造成了土壤肥力减小、肥效降低。硅肥能够改善果品粮食蔬菜品质的作用。目前，粉煤灰硅肥主要分为3种：硅酸盐微肥、粉煤灰硅钾肥和粉煤灰硅钙肥3种。粉煤灰具有较强的吸附作用，是因为它的颗粒形貌和化学组成，利用其吸附性，按比例将N、P、K等肥料和粉煤灰混合，配制成不同的粉煤灰复合肥。其次，粉煤灰中S;Oz的含量是最多的，高达52%～60%，如果直接将粉煤灰洒在农田作物上，能够起到的效果仅为1%～2%，而粉煤灰硅肥可提高溶性硅含量，粉煤灰中的S_iO₂与物料中的碱性氧化物就会发生化学反应，继而生成硅酸盐。

2.3 开发超细研磨技术设备和工艺

研究表明，粉煤灰细度是影响其活性的最主要因素[3]，粉煤灰粉磨和超细粉磨是提高粉煤灰细度的有效途径，将粉煤灰超细粉磨至硅灰细度或更细，将极大提高粉煤灰的活性和其它性能，可替代硅灰配制高性能混凝土和制造其它特殊功能材料，增大粉煤灰的资源化利用范围和数量。现有超细粉磨设备和工艺存在许多不足，研究和开发新的满足粉煤灰超细粉磨要求的设备和工艺是急待解决的技术关键问题。

当前，须进一步加强宣传教育，使人们充分认识粉煤灰的潜在活性在建筑工程材料中的价值及其与建筑工程材料可持续发展的关系，树立粉煤灰资源化观念，不断推进粉煤灰建材资源化工作。

3 高附加值利用

3.1 制备轻骨料

目前，建筑工业为了能够减轻建筑物自重，减少建材的用量，使工程造价降低，提高机械化施工程度，对新型墙体材料的要求也发生了变化，逐渐向轻质、高强、预制和大面积的方向发展，绿色节能、容重轻、耐冲击力强的优质人造轻骨料研制成为建材开发的有个新热点。

日本用粉煤灰制造烧结轻骨料，先测定了粉煤灰中可燃物的含量，若该含量低于4%～8%（重量），则需要加入一定量的燃料。在粉煤灰中加入5%～15%的氧化鐵，混合后即可烧结成轻骨料。而美国生产的不烧结粉煤灰轻骨料所用原料为粉煤灰、水泥、填料、水、外加剂。将上述原料研磨成颗粒状，在含氧气体中，低于150℃温度下固化。我国生产轻骨料主要有三个方法：①焙烧法生产粉煤灰陶粒;②蒸养法生产粉煤灰陶粒;③非锻烧法生产粉煤灰陶粒，这三种方法生产的粉煤灰陶粒及其生产过程都各有特点，从用灰量和制作工艺来看，非锻烧法生产的粉煤灰陶粒优势都比较明显，其粉煤灰用量高达90%，工艺主要是以粉煤灰为主，只需要掺加适量的激发剂（作用是激发粉煤灰的活性），经配料、搅拌、研磨（细加工）、成球、自然养护，最终得到陶粒[5]。

3.2 制微晶玻璃

微晶玻璃（又称玻璃陶瓷）是一类重要的无机非金属材料，具有丰富的色泽和良好的质感，高强度的破裂安全性使它在受到强烈冲击后造成的裂口迟钝不伤手。它在建筑装饰、机械工业、电子工业、生物医学、航天工业、核工业、化学工业等领域有广泛的应用前景。封鉴秋等[4]以钢渣和粉煤灰为主要原料制备微晶玻璃材料，钢渣与粉煤灰的掺量可达80%，其中钢渣用量为50%。最佳的工艺参数为：基础玻璃的熔制温度1450℃，核化温度750℃，晶化温度904℃，核化和晶化时间1.5h。

3.3 提炼氧化铝

为缓解中国铝资源短缺等问题，同时减少粉煤灰的堆积量、改善环境，从粉煤灰中提取氧化铝成为必须要做的事情。通过调查，得知在多数电厂出产的粉煤灰中， Al₂O₃的含量基本在30%以上，有的电厂粉煤灰中Al₂O₃含量高达50.71%，其含量已经达到我国中级铝土矿的品位。

从粉煤灰中提取铝盐或氧化铝的方法可以用烧结法、酸法等其他方法。烧结法是将粉煤灰和烧结剂在高温条件下反应生成可溶性的铝盐，然后通过NaCO₃溶液浸出，最终变成不溶的2CaO·SiO₂和易溶于碳酸钠溶液的12CaO·7Al₂O₃，从而实现硅铝的分离。其过程相对简单，不会对设备造成严重的腐蚀，但该过程容易产生较多的废弃物，如钙硅渣等。刘莲花在原有方法的基础上进行了改进，为了增强其分散性，在水中加入了分散剂，将粉煤灰进行超细化研磨提高其活性，最终获得了含量约70%的Al₂O₃，与传统方法相比，大幅度降低了污染量、残渣量和能耗量，节约了生产成本。相比烧结法，酸法的成本较低，无需脱硅工艺，分离硅和铝产生的废渣少，但是对设备材质要求比较严格[5]。

参考文献：

[1]徐子芳.解一涵.超细粉煤灰烧结性能机理研究[J].非金属矿，2018，41（2）：7～10.

[2]胡维新，章天刚，张效忠.的电石渣—粉煤灰新型环保免烧砖的配比及力学性能研究[J].化工新材料，2011.8，39（8）：84～85.

[3]范金生.粉煤灰轻骨料的生产与应用[J].山东建材，2014.

[4]易龙生.王浩，王鑫，等.粉煤灰建材资源化的研究进展[J].硅酸盐通报，2012，31（1）：88～91.

[5]陈明宇.绿色混凝土的发展与应用[J].山东建筑，2013，39（27）：92～93.

收稿日期：2020-01-06

作者简介：李庭月（1994-），男，硕士研究生，研究方向为矿产资源综合利用。