粉煤灰的利用技術(shù)研究進(jìn)展綜述

徐靖 李婷 梁曉玲

摘要：粉煤灰是火力發(fā)電廠中粉煤燃燒后產(chǎn)生的固體殘留物，它是一種工業(yè)副產(chǎn)品.如果不能得到有效利用，它將是一種污染環(huán)境的廢棄物.在過(guò)去的近二十年里，廢棄物與副產(chǎn)品的應(yīng)用受到越來(lái)越多的關(guān)注.本文主要對(duì)粉煤灰的一些基本性質(zhì)進(jìn)行了表述，物理和化學(xué)是其中最重要的性質(zhì)，敘述了許多粉煤灰在建筑材料、沸石的合成、玻璃和陶瓷的生產(chǎn)、金屬元素的提取、廢氣廢水處理、土壤改善等領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀，提出了當(dāng)前利用中存在的問(wèn)題，并對(duì)粉煤灰綜合利用的發(fā)展趨勢(shì)做出了展望.

關(guān)鍵詞：粉煤灰;廢物;性質(zhì);應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TQ038? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：1673-260X（2019）06-0108-03

1 前言

在一些火力發(fā)電站，以煤粉燃燒作為動(dòng)力來(lái)源，而其燃燒后排放的粉灰灰粒，屬于當(dāng)前經(jīng)濟(jì)水平的國(guó)家的工業(yè)固體廢棄物.很大部分浪費(fèi)的土地資源都是由于粉煤灰的大量堆積造成的浪費(fèi)，進(jìn)而可能形成其他一些資源的浪費(fèi)，造成土地退化，對(duì)環(huán)境和人類健康帶來(lái)危害.

目前，粉煤灰每年在整個(gè)地球的排放量是很多的，一般都會(huì)高于7.5億噸，其中中國(guó)加上印度就占了大半，如圖1所示.火力發(fā)電用得最多的能源就是煤，在完成發(fā)電后產(chǎn)生粉煤灰.

對(duì)我們國(guó)家當(dāng)前社會(huì)發(fā)展水平與資源發(fā)現(xiàn)程度來(lái)說(shuō)，煤依舊在我國(guó)能源中占很大比例，這就導(dǎo)致在以后的生產(chǎn)生活中我國(guó)還要繼續(xù)大量的使用煤作為能源.放眼全球，我國(guó)是最大的煤炭消費(fèi)國(guó)，大約占煤消耗總量的一半.根據(jù)前幾年的記錄，我國(guó)近年來(lái)的粉煤灰年排放量持續(xù)增加，且幅度較大，燃煤電廠不斷發(fā)展，粉煤灰產(chǎn)生量還將繼續(xù)增加.預(yù)計(jì)，2020年我國(guó)的粉煤灰產(chǎn)生量在5.5～5.7億噸.

對(duì)于工業(yè)廢棄物，不應(yīng)只采取銷毀或者扔掉的做法，可以對(duì)其加以利用，就有可能變成一些有利的資源，粉煤灰也不例外.因此思考正確合適的處理方法刻不容緩.例如，Jung-Ho Wee[1]利用CO2對(duì)于粉煤灰的捕獲、儲(chǔ)存等的積極作用的表述.Devi Prasad Mishra[2]通過(guò)對(duì)粉煤灰物理化學(xué)性質(zhì)的研究及礦物學(xué)分析，介紹了粉煤灰在填充地下煤礦井方面的應(yīng)用.目前，粉煤灰已在水泥生產(chǎn)、建筑工程、農(nóng)業(yè)及礦山充填等方面得到廣泛應(yīng)用，M.Ahmaruzzaman[3]對(duì)粉煤灰的綜合利用技術(shù)進(jìn)行了綜述，并且著重介紹了其在去除某些金屬元素領(lǐng)域的應(yīng)用.

2 粉煤灰的礦物組成、物理性質(zhì)及化學(xué)性質(zhì)

原煤性質(zhì)、燃燒條件等固有性質(zhì)和人為條件的影響都會(huì)讓粉煤灰的自身組成、性質(zhì)有所不同.為了更好地對(duì)粉煤灰進(jìn)行開發(fā)，那么對(duì)其礦物學(xué)、化學(xué)等諸多性質(zhì)就不能視而不見，詳細(xì)了解這些性質(zhì)是非常必要的.

2.1 粉煤灰的礦物組成

粉煤灰在本質(zhì)上就是一種混合材料，外形像火山灰，就是煤粉經(jīng)過(guò)燃燒后形成的.從物相這方面討論，其實(shí)晶體相和無(wú)定形相就是該混合物的結(jié)構(gòu).而且礦物組成不唯一，種類較多.石英、莫來(lái)石等都能成為晶體礦物石，無(wú)定形相由玻璃體、無(wú)定形碳和次生褐鐵礦等組成，玻璃體為主體，約占粉煤灰總量的50%～80%，蘊(yùn)含較高的化學(xué)內(nèi)能，具有良好的化學(xué)活性.

2.2 粉煤灰的物理性質(zhì)

粉煤灰外形跟水泥沒(méi)什么區(qū)別，顏色差別可能較大，其中沒(méi)有進(jìn)行燃燒的碳的數(shù)量決定了顏色，一般在乳白色與灰黑色之間.粉煤灰的細(xì)度一般也是由這些表示的，關(guān)系就是：顏色深粒度細(xì)、含碳量相對(duì)就高.從形狀的區(qū)別來(lái)分析，粉煤灰的顆粒一般都是大小、形狀都不同的橢球形，人為設(shè)置的燃燒溫度和冷卻速率控制著顆粒大小.顆粒一般都是中空的，無(wú)定形顆粒和晶體占很大比例.正常情況下，粉煤灰顆粒平均直徑小于10μm（圖2）[4].其他方面，灰融溫度一般在初始變形溫度和流動(dòng)溫度之間，其他物理性質(zhì)見表1，粉煤灰這些性質(zhì)會(huì)使其在一些地方的應(yīng)用不同，下邊做具體分析.

2.3 粉煤灰的化學(xué)性質(zhì)

粉煤灰化學(xué)成分并不是完全都相同的，會(huì)因?yàn)槿济寒a(chǎn)地差異，燃燒充分性不同有所區(qū)別，對(duì)大部分的粉煤灰，主要有Al2O3、SiO2、Fe2O3等各種氧化物以及未燃燒充分的碳組成.Al2O3、SiO2、Fe2O3含量會(huì)有很大區(qū)別，根據(jù)這方面，美國(guó)ASTM將其分為兩種類型：F類（SiO2+Al2O3+Fe2O3≥70%，具有火山灰活性）和C類（SiO2+Al2O3+Fe2O3≥50%，具有水硬性）.粉煤灰中還含鍺、鎵、硼、鎳、鈾、鉑等稀有元素.

粉煤灰的化學(xué)性質(zhì)主要受到原煤產(chǎn)地的影響.原煤硫含量的多少是決定酸堿度的主要指標(biāo)，一般在弱酸性與弱堿性之間.當(dāng)前大部分的粉煤灰都是呈堿性的，因?yàn)槠銩l2O3含量比較高，這就更有利于我們從煤灰中提取Al2O3，提高對(duì)煤灰的利用.但是煤灰中還含有硫等有污染的元素，這是在利用煤灰時(shí)要考慮的主要因素.

3 粉煤灰的應(yīng)用

3.1 金屬元素的提取

粉煤灰中富含很多元素，例如鋁、鐵、鈣、鎂、鈉、鉀等，因此，從粉煤灰中提取金屬元素是讓粉煤灰變廢為寶的一種很有前景的利用方式.

3.1.1 氧化鋁的提取

一般相同產(chǎn)地的煤，經(jīng)過(guò)燃燒產(chǎn)生的煤灰氧化物含量基本相同，產(chǎn)地不同，含量差別很大.大部分粉煤灰的氧化物含量有相同的大小順序：SiO2> Al2O3>Fe2O3.氧化鋁在粉煤灰中占很大比例，這就導(dǎo)致粉煤灰成為提取氧化鋁的待選原料.鋁土礦產(chǎn)慢慢減少，而對(duì)氧化鋁的需求還在不斷地提高，這使得如何在粉煤灰中提取Al2O3變得極為重要.所以，粉煤灰中Al2O3的提取利用有利于社會(huì)效益的提高，對(duì)環(huán)境無(wú)污染，最重要的是降低對(duì)鋁礦石的依賴，解決鋁資源的短缺.

從20世紀(jì)中葉開始，JW以高鋁煤矸石、Al2O3>30%的粉煤灰為主要原料提取Al2O3[5]，全球許多專家學(xué)者也對(duì)粉煤灰提取鋁進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)研究.設(shè)計(jì)了許多提取Al2O3的工藝，主要分為兩種方法：堿性燒結(jié)法、酸浸法.

3.1.1.1 堿性燒結(jié)法

莫來(lái)石、石英等非晶向物質(zhì)在極高溫下就形成了粉煤灰.粉煤灰中的莫來(lái)石是鋁的主要來(lái)源，它是一種惰性物質(zhì).所以，對(duì)粉煤灰進(jìn)行活化操作，對(duì)從中提取Al2O3有很大的促進(jìn)作用，因此必須進(jìn)行.高溫煅燒法是經(jīng)常采用的活化方式.在進(jìn)行粉煤灰加熱的時(shí)候，加入一些石灰，使得煅燒溫度有所控制，也能加快提取速度.

3.1.1.2 酸浸法

堿性燒結(jié)法和酸浸法都可以用來(lái)從粉煤灰中提取氧化鋁.堿性燒結(jié)法可以提高氧化鋁的回收效率，使用此方法需要大量能量，且固體廢棄物產(chǎn)生較多.另一種方法不僅沒(méi)有許多固體廢棄物，而且能分離Al2O3和SiO2，提取的Al2O3純度較高，綜上所述，酸浸法對(duì)于大規(guī)模生產(chǎn)Al2O3更加適合.但還存在一定缺點(diǎn)：提取效率不如第一種方法，使用氟化物可以提高效率，但對(duì)環(huán)境有很大污染.這就導(dǎo)致了不能將此方法在工廠內(nèi)大范圍應(yīng)用.

酸浸法通常使用的酸是硫酸、鹽酸和硝酸.反應(yīng)機(jī)理如下：

提高Al2O3的提取效率是當(dāng)前要研究的重點(diǎn)，人們做了許多實(shí)驗(yàn)研究.吳等人[6]通過(guò)降低溫度、酸的濃度，采用高壓酸浸出法從粉煤灰中提取Al2O3，理論獲得的最優(yōu)工藝條件是：粉煤灰粒徑為74微米，硫酸濃度為50%，混合后放入高壓反應(yīng)釜，反應(yīng)溫度為180°C，反應(yīng)時(shí)間4小時(shí);在此條件下，氧化鋁的提取率達(dá)到了82.4%（圖3）.龔等人在酸浸法提取氧化鋁的過(guò)程中用微波加熱代替?zhèn)鹘y(tǒng)的加熱方式，使Al2O3的提取率在80%左右，這是因?yàn)槲⒉訜嵩谝欢ǔ潭壬霞铀偃芙夥勖夯抑袩o(wú)機(jī)物質(zhì)、有機(jī)物質(zhì).

綜上所述，對(duì)粉煤灰利用的方法有許多，但從中提取金屬元素不失為一個(gè)錯(cuò)的選擇，這種方法還能提高經(jīng)濟(jì)效益.不盡人意的是，即使我們已經(jīng)對(duì)此做了大量的實(shí)驗(yàn)研究，依然是不完美的，實(shí)驗(yàn)表明，提取過(guò)程有有毒的物質(zhì)存在，對(duì)環(huán)境和水源有極大的污染.因此，在此領(lǐng)域的發(fā)展還有很長(zhǎng)的路要走，需要不斷提高提取工藝的技術(shù)及效率.

3.2 沸石的合成

粉煤灰與火山巖的組成成分中，Al2O3、SiO2的含量都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他氧化物，因組成相似，所以有相近的物理化學(xué)性質(zhì).天然沸石是從火山巖發(fā)展而來(lái)的，粉煤灰作為火山巖的代替物就可以作為合成沸石的材料.粉煤灰合成沸石后，該沸石就可以有凈化水、空氣等用處，這又是粉煤灰的利用方法.

1985年Holer和Wirschingin首次成功將粉煤灰轉(zhuǎn)化成了沸石[7]，發(fā)展了粉煤灰利用的一種有效途徑.隨后，研究者們提出了各種改進(jìn)粉煤灰制備沸石的方法，合成許多用處不同的沸石.已經(jīng)在媒體上報(bào)道的合成沸石有：八面沸石、鈣十字沸石等多種類型.文獻(xiàn)[8]告訴我們，堿性水熱法是最早的合成沸石的方法.Murayama等人[9]通過(guò)堿性水熱法合成了P型沸石和菱沸石，這些人覺(jué)得粉煤灰的合成機(jī)理是：硅酸鹽玻璃網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在OH-作用下溶解，Al3+、Si4+聚集生成硅鋁酸鹽凝膠，然后形成了[SiO4]4-和[AlO4]5-四面體，而這些四面體是組合成三維沸石的基本結(jié)構(gòu)單元;最后，在K+等離子作用下，結(jié)晶生成特定鹽基化沸石.

4 結(jié)論

粉煤灰是燃煤電廠中粉煤在高溫燃燒后產(chǎn)生的一種無(wú)機(jī)殘?jiān)?近年來(lái)，全球粉煤灰大量堆積，為人類帶來(lái)了相應(yīng)的環(huán)境問(wèn)題.如果處理不妥當(dāng)，生物的健康和環(huán)境都將會(huì)受到威脅.因此，粉煤灰作為一種可以加工生產(chǎn)多種有用產(chǎn)品的原料而受到了廣泛關(guān)注.人們正在努力搜尋著粉煤灰可能的利用領(lǐng)域.

本文意在對(duì)粉煤灰的利用技術(shù)提供一個(gè)詳細(xì)的介紹，重點(diǎn)介紹了其在以下領(lǐng)域的應(yīng)用：提取金屬元素、合成沸石的生產(chǎn).

然而，大多數(shù)報(bào)道出來(lái)的粉煤灰的利用方法經(jīng)濟(jì)效益低，而且處在商業(yè)化的初級(jí)階段.因此，尋找合適的粉煤灰利用方法使其轉(zhuǎn)化為商業(yè)應(yīng)用是十分必要的，這將帶來(lái)好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益.

參考文獻(xiàn)：

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