中國粉體網(wǎng)訊 我國是一個“多煤少油”的國家,，煤炭是我國的主要能源之一。
在火力發(fā)電過程中,，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煙氣摻雜,，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)機抽出,，熔融的細粒因受到極冷而形成玻璃體狀態(tài)，最后通過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,，1t原煤燃燒會生成200~300kg的粉煤灰，發(fā)電1kW·h耗費的原煤將產(chǎn)生100g左右的粉煤灰,，早在2017年我國粉煤灰年產(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,，進一步破壞了生態(tài)環(huán)境，且可能對呼吸道產(chǎn)生感染,，對人體造成損害,。
粉煤灰對環(huán)境的各種影響
可見，粉煤灰的堆積已成一大隱患,。并且盡管我國的能源結(jié)構(gòu)正在發(fā)生變化,，但煤炭消費仍然很大，在未來幾年內(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備受關(guān)注的問題,，如何實現(xiàn)粉煤灰的高附加值回收利用,，實現(xiàn)綠色循環(huán)經(jīng)濟，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)量分數(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,、莫來石、石灰,，還有少量的赤鐵礦,、磁鐵礦,、鈣長石等。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�,、球狀或多孔的不規(guī)則形狀，多為圓球狀,，比表面積為0.2～0.4m2/g,，孔隙率達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顆粒集合體。粉煤灰細粒根據(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30年代,，粉煤灰就已經(jīng)開始被應(yīng)用于建筑行業(yè)。研究表明,，近年來,，我國粉煤灰在資源化利用過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)地細膩,、不易開裂、干燥收縮率低,、水化熱低,、抗硫酸鹽性能好等優(yōu)勢。
（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，同時提高混凝土的流動性,、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，需要通過調(diào)控添加劑種類和成分配比來實現(xiàn)混凝土的性能優(yōu)化,，實現(xiàn)混凝土的高強度,、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)，抗壓強度高,，耐久性好,，制作簡單等優(yōu)點。在施工過程中,，增加粉煤灰磚的使用,，可降低工程預(yù)算,、減輕勞動強度、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)定性強等特性，利用價值較高,。
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,，通過混勻、成球,、焙燒或養(yǎng)護(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(抗壓強度一般1.5～15MPa,，高強粉煤灰陶�,？蛇_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,，其形狀可按照實際工程使用需求定制，實用性廣,。
以粉煤灰為原料制備的新型泡沫陶瓷,，在燒結(jié)過程中會經(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,，重金屬浸出遠低于標準限值,。
（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源,，其耐火度高達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，通過高溫燒結(jié)可以制備出粉煤灰基耐火建筑材料,，抗壓強度可達33.6MPa,，耐1200℃高溫，制品的力學(xué)性能和使用性能較好,。
有價組分的提取
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元素是實現(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
鋁和鋁合金及精細氧化鋁產(chǎn)品因優(yōu)異的特性被廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟生活的方方面面,，包括交通運輸,、建筑、機械制造,、電子等領(lǐng)域,。經(jīng)過多年發(fā)展，我國已成為全球第一大鋁產(chǎn)品生產(chǎn)國和消費國,。
然而相對于龐大的消費量,，在原料端，我國鋁土礦資源匱乏且品位低,，可露天開采的鋁土礦不多,，作為鋁消費大國，每年都需進口大量的鋁土礦,，對外進口率長期在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,，能有效緩解國內(nèi)鋁土礦資源緊張的形勢,。
（2）提取SiO2
粉煤灰中SiO2的含量大都在40%以上，是豐富廉價的硅源載體,。作為粉煤灰中含量較多的成分之一,，加強硅基產(chǎn)品的開發(fā)，能夠有效擴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值,。目前針對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，可以通過直接酸浸的方式來分離,，鎵會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，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,，有的甚至可以達到80%以上,，因此除了開發(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，是水泥的良好替代品,。利用粉煤灰制備地質(zhì)聚合物也是近年來研究的一個熱點,。
（3）微晶玻璃
微晶玻璃是一種獨特的新型材料，其集中了玻璃和陶瓷的特點,，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)用主要是通過改善土壤的理化性質(zhì),，對黏質(zhì)、酸性土壤進行改良,。在寧夏農(nóng)墾賀蘭山農(nóng)牧場的一項研究結(jié)果顯示,，未改良的對比田畝產(chǎn)248kg，加了3t粉煤灰基改良材料的稻田,，畝產(chǎn)高達719.5kg,，比沒有改良的稻田的畝產(chǎn)（248kg）增加了近2倍。
環(huán)境保護領(lǐng)域
粉煤灰在環(huán)境保護領(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家,，利用率將近100%,；其次為歐盟15國，綜合利用率約92%,；韓國,、美國粉煤灰綜合利用率分別達到85%、60%。根據(jù)國家發(fā)展改革委統(tǒng)計,，2020年我國粉煤灰綜合利用率為78%,，且我國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)項目少,。
因而,，發(fā)展實用性強的高附加值利用技術(shù)是我國目前粉煤灰綜合利用的主要發(fā)展方向。
參考來源：
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[10]時雅倩等.粉煤灰建材化增值利用：最新技術(shù)與未來展望
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/山川）
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