中國(guó)粉體網(wǎng)訊 我國(guó)是一個(gè)“多煤少油”的國(guó)家，煤炭是我國(guó)的主要能源之一。
在火力發(fā)電過(guò)程中，煤炭經(jīng)1100～1700℃高溫燃燒后，絕大部分的可燃物在鍋爐內(nèi)燒燼，而以灰分為主的不燃物與高溫?zé)煔鈸诫s，由于這類不燃物處在高溫環(huán)境中，部分發(fā)生熔融，又在表面張力的作用下形成很多微小的球形顆粒，隨鍋爐尾部引風(fēng)機(jī)抽出，熔融的細(xì)粒因受到極冷而形成玻璃體狀態(tài)，最后通過(guò)除塵器的分離與收集，得到大小和形狀不規(guī)則、呈分散狀態(tài)的粉煤灰，又稱飛灰或煙道灰。
攝影│劉飛越
粉煤灰——“心肺之患”
據(jù)統(tǒng)計(jì)，1t原煤燃燒會(huì)生成200~300kg的粉煤灰，發(fā)電1kW·h耗費(fèi)的原煤將產(chǎn)生100g左右的粉煤灰，早在2017年我國(guó)粉煤灰年產(chǎn)量便已經(jīng)突破6.68億t。
由于大規(guī)模的粉煤灰堆積，導(dǎo)致土地被大量占據(jù)，這不僅對(duì)土壤的功能造成了影響，還導(dǎo)致了地下水的污染。此外，堆積的粉煤灰可能導(dǎo)致山體崩塌、滑坡以及泥石流等自然災(zāi)害，進(jìn)一步破壞了生態(tài)環(huán)境，且可能對(duì)呼吸道產(chǎn)生感染，對(duì)人體造成損害。
粉煤灰對(duì)環(huán)境的各種影響
可見(jiàn)，粉煤灰的堆積已成一大隱患。并且盡管我國(guó)的能源結(jié)構(gòu)正在發(fā)生變化，但煤炭消費(fèi)仍然很大，在未來(lái)幾年內(nèi)，粉煤灰的排放依舊居高不下。因此，粉煤灰的處置已正成為一個(gè)備受關(guān)注的問(wèn)題，如何實(shí)現(xiàn)粉煤灰的高附加值回收利用，實(shí)現(xiàn)綠色循環(huán)經(jīng)濟(jì)，成為了目前學(xué)術(shù)界研究的熱門課題。
粉煤灰里有寶貝
粉煤灰根據(jù)煤炭燃燒方式的不同，可以分為兩類:一類是在高溫(1300℃以上)下，煤炭燃燒產(chǎn)生的飛灰，主要由結(jié)構(gòu)緊密、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的礦物質(zhì)如莫來(lái)石和剛玉組成。另一類是在低溫(1000℃以下)下，煤炭燃燒產(chǎn)生的飛灰，主要由未燃燒的炭以及無(wú)定形的高嶺石和石英等晶態(tài)物質(zhì)組成。
粉煤灰的化學(xué)組成
我國(guó)不同產(chǎn)地粉煤灰的化學(xué)成分如下表所示�？梢钥闯觯勖夯业闹饕瘜W(xué)成分是Al2O3和SiO2，質(zhì)量分?jǐn)?shù)約占75%以上，還含有其他少量的金屬氧化物。
粉煤灰的主要成分（%）
粉煤灰的礦物相組成
按照是否為晶相進(jìn)行分類，礦物成分可分為晶相物質(zhì)與非晶相物質(zhì)。粉煤灰中的非晶相物質(zhì)主要包含玻璃體以及燃燒后殘留的碳，這其中玻璃體使得粉煤灰具有活性；晶相物質(zhì)主要包含石英、莫來(lái)石、石灰，還有少量的赤鐵礦、磁鐵礦、鈣長(zhǎng)石等。此外，粉煤灰的礦物組成受煤源、燃燒條件等因素影響而發(fā)生變化。
粉煤灰的礦物相組成
粉煤灰理化性質(zhì)
粉煤灰外觀和水泥相似，顏色隨含鐵量和殘余碳量的不同而變化，大部分呈灰色。粉煤灰顆�？蔀榱鉅睢⑶驙罨蚨嗫椎牟灰�(guī)則形狀，多為圓球狀，比表面積為0.2～0.4m2/g，孔隙率達(dá)50%～80%。由于粉煤灰的多孔結(jié)構(gòu)和球形粒徑，松散狀態(tài)下具有很好的滲透性，其滲透系數(shù)是黏性土的數(shù)百倍，其較大的比表面積和較高的孔隙率使得粉煤灰具有較高的吸附活性。
粉煤灰密度在1.9～2.9g/cm3，是由二氧化硅玻璃球組成的微細(xì)顆粒集合體。粉煤灰細(xì)粒根據(jù)形狀可分為球形顆粒與不規(guī)則顆粒，球形顆粒根據(jù)在水中沉降性能差異，又分為飄珠、輕珠和沉珠；不規(guī)則顆粒包括多孔狀玻璃體、多孔碳粒以及其他碎屑和復(fù)合顆粒。粉煤灰中含有0.2%～1.1%的空心微珠(密度僅為1.4g/cm3)，堆積密度為0.55～0.80g/cm3。另外，粉煤灰最大吸水量為417～1038g/kg，需水量比約為106%。
粉煤灰綜合利用，爛泥扶上墻
建材及建工領(lǐng)域
早在20世紀(jì)30年代，粉煤灰就已經(jīng)開(kāi)始被應(yīng)用于建筑行業(yè)。研究表明，近年來(lái)，我國(guó)粉煤灰在資源化利用過(guò)程中用于建材及建工領(lǐng)域的占比最大，這其中主要用于水泥及混凝土制備、墻體材料制作、微晶玻璃制作、筑路工程、水利工程等領(lǐng)域。
粉煤灰的主要建材化利用途徑
（1）水泥熟料
利用粉煤灰生產(chǎn)水泥熟料是早期國(guó)內(nèi)外粉煤灰綜合利用途經(jīng)之一，粉煤灰的化學(xué)組成與黏土（主要為SiO2和Al2O3）相似，因而可替代黏土進(jìn)行水泥生料組分配伍，用于水泥熟料生產(chǎn)。粉煤灰中的殘余碳可在熟料燒制過(guò)程中作為燃料，從而減少燃料的消耗。
粉煤灰燒制水泥工藝流程
與傳統(tǒng)燒制水泥工藝相比，粉煤灰配料燒制水泥熟料工藝的燒成溫度可降低80～100℃，且相比黏土制成的硅酸鹽水泥，粉煤灰水泥具有質(zhì)地細(xì)膩、不易開(kāi)裂、干燥收縮率低、水化熱低、抗硫酸鹽性能好等優(yōu)勢(shì)。
（2）水泥或混凝土摻合料
粉煤灰還可取代水泥熟料，用作水泥或混凝土摻合料，從而降低水泥熟料的消耗，同時(shí)提高混凝土的流動(dòng)性、力學(xué)性能與耐久性能。
粉煤灰用作水泥或混凝土摻合料研究現(xiàn)狀
粉煤灰與水泥水化反應(yīng)機(jī)理
（3）功能化混凝土
為滿足日益復(fù)雜的工程需求，需要通過(guò)調(diào)控添加劑種類和成分配比來(lái)實(shí)現(xiàn)混凝土的性能優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)混凝土的高強(qiáng)度、高性能和多功能化發(fā)展。摻入粉煤灰可以制備功能化混凝土，如超高性能混凝土、自密實(shí)混凝土、泡沫混凝土及加氣混凝土等。
粉煤灰基功能性混凝土工藝流程
（4）粉煤灰磚
我國(guó)房屋墻體材料70%以上用的是黏土磚，黏土磚的生產(chǎn)與利用具有較高的能耗。粉煤灰磚由粉煤灰、沙子和水泥或石灰作為黏結(jié)材料組成，具有輕質(zhì)，抗壓強(qiáng)度高，耐久性好，制作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。在施工過(guò)程中，增加粉煤灰磚的使用，可降低工程預(yù)算、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、提高工程效率、縮短工期。
（5）輕骨料、陶瓷玻璃材料
利用粉煤灰生產(chǎn)人造輕骨料和陶瓷玻璃等制品，具有成本低廉、性能優(yōu)異、輕質(zhì)、導(dǎo)熱系數(shù)小、熱穩(wěn)定性強(qiáng)等特性，利用價(jià)值較高。
粉煤灰陶粒以粉煤灰為主要原料(占85%左右)，摻入適量石灰(或電石渣)、石膏、外加劑等，通過(guò)混勻、成球、焙燒或養(yǎng)護(hù)(免燒)制備而成的一種人造輕骨料。粉煤灰陶粒具有輕質(zhì)(堆積密度<1000kg/m3)、高強(qiáng)(抗壓強(qiáng)度一般1.5～15MPa，高強(qiáng)粉煤灰陶�？蛇_(dá)25～40MPa)、多孔、保溫隔熱、抗酸抗堿、抗凍抗震等優(yōu)良性能，已廣泛應(yīng)用于建筑建材、環(huán)保、生態(tài)、化工等領(lǐng)域。
使用粉煤灰以及碎玻璃制成的泡沫玻璃，具有質(zhì)量輕、剛度高、抗變形、保溫隔熱等優(yōu)點(diǎn)，其形狀可按照實(shí)際工程使用需求定制，實(shí)用性廣。
以粉煤灰為原料制備的新型泡沫陶瓷，在燒結(jié)過(guò)程中會(huì)經(jīng)歷自發(fā)泡反應(yīng)，經(jīng)1200°C燒結(jié)得到的泡沫陶瓷具有完全封閉孔結(jié)構(gòu)，同時(shí)粉煤灰中內(nèi)源有害重金屬被封裝于玻璃相中，重金屬浸出遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)限值。
（6）輕質(zhì)耐火保溫材料
粉煤灰高溫性能穩(wěn)定，粉煤灰中的SiO2和Al2O3是其耐高溫的主要來(lái)源，其耐火度高達(dá)1610～1630℃，可用于制備輕質(zhì)耐火材料。在建筑材料中摻入適量的粉煤灰可有效改善其耐高溫性能。以粉煤灰為主要原材料，摻入適量的煤矸石和鋁灰，通過(guò)高溫?zé)Y(jié)可以制備出粉煤灰基耐火建筑材料，抗壓強(qiáng)度可達(dá)33.6MPa，耐1200℃高溫，制品的力學(xué)性能和使用性能較好。
有價(jià)組分的提取
粉煤灰中含有硅、鋁、鐵、碳、鎵、鍺等多種有用元素，利用粉煤灰為原料提取有價(jià)元素是實(shí)現(xiàn)粉煤灰高附加值利用的重要途徑，也是粉煤灰綜合利用的主要研究方向。
（1）提取氧化鋁
鋁和鋁合金及精細(xì)氧化鋁產(chǎn)品因優(yōu)異的特性被廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)生活的方方面面，包括交通運(yùn)輸、建筑、機(jī)械制造、電子等領(lǐng)域。經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，我國(guó)已成為全球第一大鋁產(chǎn)品生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)。
然而相對(duì)于龐大的消費(fèi)量，在原料端，我國(guó)鋁土礦資源匱乏且品位低，可露天開(kāi)采的鋁土礦不多，作為鋁消費(fèi)大國(guó)，每年都需進(jìn)口大量的鋁土礦，對(duì)外進(jìn)口率長(zhǎng)期在40%~50%。粉煤灰中大量的氧化鋁，尤其高鋁粉煤灰中Al2O3的含量可達(dá)50％，接近中等品位鋁土礦中的含量，因此可以作為非鋁土礦資源生產(chǎn)Al2O3。所以，在粉煤灰綜合利用中提煉氧化鋁，能有效緩解國(guó)內(nèi)鋁土礦資源緊張的形勢(shì)。
（2）提取SiO2
粉煤灰中SiO2的含量大都在40%以上，是豐富廉價(jià)的硅源載體。作為粉煤灰中含量較多的成分之一，加強(qiáng)硅基產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，能夠有效擴(kuò)大粉煤灰資源化利用途徑，從而提高粉煤灰的資源化利用價(jià)值。目前針對(duì)粉煤灰制備硅基材料的研究還較少，主要集中在制備白炭黑、二氧化硅氣凝膠等方面。
（3）鎵的提取
粉煤灰中的鎵主要賦存于玻璃相中，可以通過(guò)直接酸浸的方式來(lái)分離，鎵會(huì)以配合物的形式存在于浸出液中，但鎵的回收率較低。
（4）鋰的提取
隨著鋰需求的持續(xù)增加，從粉煤灰、含鋰廢渣等固體廢棄物中回收鋰已成研究熱點(diǎn)，從粉煤灰中分離鋰的技術(shù)主要為酸法浸出。
粉煤灰中提取Li工藝流程圖（a）硫酸焙燒法（b）碳酸鈉燒結(jié)法
（5）稀土元素的提取
稀土元素包括鑭系元素(ＲEE)、鈧(Sc)和釔(Y)共17種元素，能與有色金屬等組成一系列高科技新型功能材料。稀土氧化物在高鋁粉煤灰中的含量達(dá)800～900μg/g，而傳統(tǒng)離子吸附礦床的工業(yè)品位為600～1500μg/g，因此從粉煤灰中回收稀土金屬潛在價(jià)值極大。主要分離技術(shù)有酸法、酸堿聯(lián)合等方法。
制備鋁硅復(fù)合材料
粉煤灰中Al2O3和SiO2的總含量很高，有的甚至可以達(dá)到80%以上，因此除了開(kāi)發(fā)氧化鋁、二氧化硅產(chǎn)品外，高附加值的硅鋁復(fù)合材料的制備也是粉煤灰綜合利用的關(guān)鍵。
（1）沸石分子篩
粉煤灰在組成上與分子篩十分接近，為其成為合成分子篩的原料提供了可能。以粉煤灰為原料合成沸石分子篩，不僅能夠提高粉煤灰的利用價(jià)值，而且能夠降低分子篩的生產(chǎn)成本，有利于加快其工業(yè)化進(jìn)程。
（2）地質(zhì)聚合物
地質(zhì)聚合物是由硅氧四面體和鋁氧四面體所構(gòu)成的網(wǎng)格狀聚合體，具有環(huán)保、能耗低、耐久性好等特點(diǎn)，是水泥的良好替代品。利用粉煤灰制備地質(zhì)聚合物也是近年來(lái)研究的一個(gè)熱點(diǎn)。
（3）微晶玻璃
微晶玻璃是一種獨(dú)特的新型材料，其集中了玻璃和陶瓷的特點(diǎn)，主要是由天然礦物制備而成，生產(chǎn)成本較高。Al2O3和SiO2是硅鋁酸鹽類微晶玻璃的重要組成部分，而粉煤灰的礦物組成則主要就是鋁硅玻璃體，因此，粉煤灰是制備微晶玻璃的理想替代原料。
農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用
粉煤灰在農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用主要是通過(guò)改善土壤的理化性質(zhì)，對(duì)黏質(zhì)、酸性土壤進(jìn)行改良。在寧夏農(nóng)墾賀蘭山農(nóng)牧場(chǎng)的一項(xiàng)研究結(jié)果顯示，未改良的對(duì)比田畝產(chǎn)248kg，加了3t粉煤灰基改良材料的稻田，畝產(chǎn)高達(dá)719.5kg，比沒(méi)有改良的稻田的畝產(chǎn)（248kg）增加了近2倍。
環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域
粉煤灰在環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域主要用于改善水質(zhì)，處理煙氣中的有害成分，還用于礦井回填工程。根據(jù)粉煤灰獨(dú)特的多孔結(jié)構(gòu)和超大的比表面積，可將其用于吸附空氣或污水中的有害組分；根據(jù)粉煤灰的粒度分布及火山灰特性，可將其用于礦井回填，避免開(kāi)采后的礦井發(fā)生塌陷。
小結(jié)
在粉煤灰綜合利用方面，日本是全球粉煤灰綜合利用率最高的國(guó)家，利用率將近100%；其次為歐盟15國(guó)，綜合利用率約92%；韓國(guó)、美國(guó)粉煤灰綜合利用率分別達(dá)到85%、60%。根據(jù)國(guó)家發(fā)展改革委統(tǒng)計(jì)，2020年我國(guó)粉煤灰綜合利用率為78%，且我國(guó)粉煤灰的利用仍然以建材為主，產(chǎn)品附加值較低，雖然眾多高等院校、科研單位開(kāi)展了大量高值化資源化利用技術(shù)研究，但大部分并未深度結(jié)合產(chǎn)業(yè)實(shí)際情況，新技術(shù)、新成果由于成本高、工藝復(fù)雜等原因，不適于工業(yè)化生產(chǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)商品化、產(chǎn)業(yè)化的技術(shù)項(xiàng)目少。
因而，發(fā)展實(shí)用性強(qiáng)的高附加值利用技術(shù)是我國(guó)目前粉煤灰綜合利用的主要發(fā)展方向。
參考來(lái)源：
[1]于波等.粉煤灰提取氧化鋁的資源化利用
[2]馮葉等.粉煤灰提取氧化鋁工藝的研究進(jìn)展
[3]王衛(wèi)江等.從粉煤灰提取氧化鋁的技術(shù)現(xiàn)狀及工藝進(jìn)展
[4]張宇娟等.高鋁粉煤灰提取氧化鋁工藝研究進(jìn)展
[5]張力等.粉煤灰綜合利用進(jìn)展及前景展望
[6]李琴等.我國(guó)粉煤灰利用現(xiàn)狀及展望
[7]袁鵬.我國(guó)粉煤灰綜合利用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)
[8]柴磊等.粉煤灰資源化利用研究進(jìn)展
[9]王麗萍等.粉煤灰中鋁硅資源化利用研究進(jìn)展
[10]時(shí)雅倩等.粉煤灰建材化增值利用：最新技術(shù)與未來(lái)展望
（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/山川）
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