粉煤灰陶粒的制备技术及研究进展

引言

粉煤灰是燃煤电厂排放的固体废弃物，随着煤电的发展，排放量逐年增加，每年将产生6亿吨以上，产量居世界第一，是中国最大的固体污染源。大量的粉煤灰堆存不仅占用土地，还对周边水、土壤等环境造成严重威胁。与国外发达国家相比，中国粉煤灰综合利用率较低，而且综合利用技术和层次也比较低，数据见图1，2021年约为79%，主要以水泥添加剂、建材加工、混凝土添加为主。因中国区域经济发展不平衡，粉煤灰存在严重的区域分布不均衡问题，主要集中在宁夏、内蒙古、新疆、山西、陕西等煤电大区，产生量大，消纳能力有限，利用率相对较低，面临粉煤灰堆存、产能过剩等问题。使得“粉煤灰如何资源化利用、高附加值利用”成为痛点。因此开发新的高值化下游产品及拓宽应用领域势在必行。

 

 

 

目前，各省市极大多数电厂配套粉煤灰处理利用设施或项目，以大规模消纳粉煤灰制备加气块、ALC等建筑材料为主要利用途径，如何成功提高产品附加值成为粉煤灰行业的首要突破任务。据不完全统计，2021年，中国粉煤灰综合利用量约5.58亿t，综合利用率79.26%，其中粉煤灰用于水泥、混凝土和建材深加工产品占粉煤灰利用量的比例分别为40%、15%和25%，其他利用方式占到20%。

为加快推进工业固废规模化高效利用，国家印发了很多鼓励政策，对粉煤灰等固体废物制备的材料进行税收减免，提升固体废弃物综合利用率[3]。各地政府也对工业固废的利用给予不同程度的补助，提升绿色建筑、装配式建筑占新建建筑的比例，提高一般工业固体废弃物利用水平，促进粉煤灰、煤矸石、煤泥等综合性资源化利用，提升分级分质资源化利用效率，使煤炭生产过程中固体废弃物达到零排放，因地制宜开展固废的高端化、绿色化、循环化节能减排利用。

陶粒按主要原料的不同分为黏土陶粒、页岩陶粒、粉煤灰陶粒、煤矸石陶粒、尾矿陶粒等，按产品强度分为普通陶粒、高强陶粒。目前中国陶粒产能约1600万m?/a，生产企业主要集中在河南、安徽、山东、江苏、浙江及两湖地区，如图2所示，主要以粉煤灰、页岩、尾矿、污泥等为主要原料。普通陶粒价格约为160~250元/立方米，高强陶粒价格约为300~400元/立方米。内蒙古、山西、陕西等地粉煤灰较多，目前多数“以储为主”，利用其制备陶粒是发展循环经济、解决粉煤灰消纳、实现粉煤灰资源高值化利用的有效途径。

 

 

 

粉煤灰陶粒因其密度小、质轻、保温、隔热、耐火性、抗震性、抗冻性、耐久性和吸水率低等优异性能，在废水处理、环境处理、隔音材料、保温材料、建筑材料、回填等领域应用广泛。本文对粉煤灰陶粒的制备技术、发展现状及应用领域进行了详细的分析，并对目前行业存在的问题和发展趋势进行展望，为粉煤灰陶粒的研究提供参考。

1.粉煤灰陶粒的制备技术

利用粉煤灰制备陶粒是拓宽粉煤灰综合利用、发展循环经济的重要途径。高强度的陶粒可达25~40MPa，内部多孔且致密，质量轻，有很好的保温隔热性，耐火抗震性，应用于多领域[4]。目前国内粉煤灰陶粒的制备方法主要有焙烧法和免烧法，工艺技术相对成熟，产品性能好。

1.1 焙烧法

焙烧陶粒是以粉煤灰为主原料，加入添加剂，通过破碎、混合、造粒成型、高温焙烧、冷却等工艺技术制备而成，工艺流程见图3。粉煤灰陶粒一般为球形或圆柱状，颜色会因添加成分和焙烧温度的不同有所变化。

 

 

粉煤灰主要由非晶质矿物玻璃体组成，约为50%~90%，玻璃体含量越高，其活性越高，晶体矿物包括石英、莫来石等。在高温下玻璃体熔融，相互黏连，冷却后形成莫来石相，大大增强了陶粒的强度。粉煤灰中含有丰富的SiO₂、Al₂O₃，这些成分可以为陶粒提供强有力的骨架，有利于形成强度更高的陶粒。Na₂O、K₂O、CaO、MgO等助溶组分在高温下使陶粒表面熔融，形成粘稠外壳，陶粒内部生成的气体不易逃脱，减少陶粒的表面缝隙，从而提高烧结强度，降低烧结温度。原料中的有机质、残C、CaCO₃、MgCO₃、Fe₂O₃和人为添加的高温产气类物质在烧制过程中起到膨胀的作用，形成大量气孔从而可降低陶粒的表观密度，不同温度下主要发生了表1的一系列反应。适宜的原料配比是烧制所需功能性陶粒的关键因素，工艺参数的设置如预热温度、预热时间、升温速率、焙烧温度、焙烧时间等也会对陶粒的性能产生极大影响。

 

 

 

涂魏巍以粉煤灰、膨润土、玻璃粉、稻糠粉为原料，按质量比38:50:5:7制备出600kg/m3的粉煤灰陶粒，实验经检测筒压强度为5.6~5.8MPa；按质量比43:47:5:5制备出700kg/m3的粉煤灰陶粒，经检测筒压强度为6.6~6.9MPa；按质量比48:44:5:3制备出800kg/m3的粉煤灰陶粒，经检测筒压强度为7.9~8.2MPa，吸水率均小于7%。焙烧工艺均经过三个阶段，1）干燥阶段：物料从室温升至200℃，主要让生料球水分蒸发。2）预热阶段：物料从200℃升至1000℃，生料中的有机物进行去除，并加热到膨胀前的温度。3）烧成阶段：物料从1000℃升至1200~1350℃，保温20min，主要发生硫酸盐的分解，氧化铁反应分解，矿物之间反应生成新的矿物等，促使物料发生适度膨胀，又不能因温度过高，黏度过低而发生结块和结窑，这是烧制成功的关键。

王勇海等[8]采用钒渣、黏土、粉煤灰按6:1:3的配比，制备出高强度的陶粒。实验预热温度400℃，预热时间30min，焙烧温度1160℃，焙烧时间20min，可制得高强陶粒筒压强度为11.58MPa，堆积密度为1014.7kg/m3，吸水率为5.61%。赵翔等[9]以粉煤灰和黏土为原料制备可用于水处理填料的超轻粉煤灰陶粒。研究表明，以30%粉煤灰，60%黏土，2%发泡剂，5%秸秆粉为主要原料，在600℃温度下预热20min，1240℃烧结30min所制备的粉煤灰陶粒密度1.10g/cm3，表面有显著气孔，内部空隙致密，适宜微生物的附着和生长特性，用于水处理填料。王志英[10]以粉煤灰、煤矸石为主要原料，外加氧化锆、氧化锰等添加剂，烧结制备出低密度高强度的陶粒。实验表明添加剂可降低焙烧温度，易形成低温共熔体，促进矿物的生长，增强陶粒的强度，筒压强度可达16MPa。LIU等[11]以粉煤灰、城市污泥、淤泥按质量比为5:5:3混合进行造粒，在700℃预热40min，使得大量气体缓慢释放，以防高温下陶粒炸裂。随后在1210℃焙烧30min，于15min内冷却至1170℃，制备得到密度等级为700、强度等级为40MPa、吸水率为6%的高强度低密度陶粒。

作者也对粉煤灰陶粒制备开展了相关研究，以准格尔煤田燃煤电厂排放的粉煤灰和粉煤灰“一步酸溶法”提取氧化铝的固废残渣即白泥为主要原料，经过造粒、烧结等工序制备出低吸水率高强度的陶粒产品，是一种性能优异的炮孔填充剂和低爆速铵油炸药的钝化剂。实验原料配比为80%白泥和20%粉煤灰，在1150℃焙烧30min，制备的陶粒密度为1.1g/cm3，吸水率为4%，表面成陶瓷状，内部孔隙丰富致密，颗粒强度达到200N，是一种很好地高强度陶粒。

1.2 免烧法

免烧陶粒是指在陶粒制备过程中，不经过焙烧，以粉煤灰、水泥为主要原料，添加外加剂和粘结剂混合造粒制备而成，通过自然养护、蒸汽养护或蒸压养护的方式得到，制备工艺流程见图4。免烧粉煤灰陶粒一般为灰黑色，表面没有光泽，主要应用于水处理和吸音材料等。免烧制备工艺的原料利用率高、流程简单、无需大型设备、生球初始强度高、绿色环保，具有更广阔的发展前景，符合国家循环经济发展理念，但目前市场生产粉煤灰陶粒主要以焙烧法为主，免烧陶粒的研究起步较晚，多处于实验阶段。

 

 

免烧粉煤灰陶粒是通过化学激发的方式，经过养护过程，促使粉煤灰中的活性氧化物与碱性物质发生反应，与钙Ca²⁺反应生成C-S-H和C-A-H水硬胶凝性产物，从而使陶粒强度增加，主要反应如下。免烧陶粒制备后要进行烘干，脱去自由水，使固体颗粒紧缩，有助于提高颗粒强度。影响粉煤灰免烧陶粒性能的主要因素有粉煤灰性质、添加剂和发泡剂的种类和添加配比、养护方式、养护温度、养护时间等工艺条件，通过调节这些因素可制备出不同性能和用途的陶粒产品。

 

 

朱万旭等制备的新型免烧粉煤灰陶粒，确定试验最佳配比为粉煤灰:水泥:膨胀珍珠岩:其他添加剂:界面改性剂=213:42:19:27:9，陶粒经自然养护28天后测试，筒压强度一般在0.4~1.6MPa，堆积密度500~650kg/m3，吸水率好。又将其制备成多孔水泥基陶粒吸音试块，吸音效果良好，在低频500Hz左右吸音效果最佳。张睿泽等探索了粉煤灰免烧陶粒的制备工艺，确定较优原料组成为粉煤灰43%、水泥29%、石灰10%、石膏7%、珍珠岩颗粒7%、珍珠岩粉末4%，制得免烧陶粒堆密度为500~650kg/m3。免烧陶粒的生产成本、能耗低于传统烧结陶粒，节能环保。NARATTHA等以添加量达90%的粉煤灰为主要原料，与水泥、石灰等添加剂制备出免烧陶粒的最大抗压强度为557N，密度为1.76g/cm3。添加水泥和石灰可提供更多的水化硅酸钙（C-S-H），这会使孔隙尺寸减小，从而增大粉煤灰陶粒的致密度，增强强度。高淑燕以粉煤灰为主要原料，水泥、生石灰和石膏为激发剂，按质量比25:1:5:2进行混合造粒，以微波辐照作为加热方式，制备了免烧陶粒。还采用双氧水作为发泡剂用于调控陶粒的孔结构，研究表明双氧水用量小于10%时，陶粒的堆积密度和筒压强度均随着双氧水用量的增加而降低，之后随着双氧水用量的增加而增加。双氧水的加入可提高免烧陶粒的气孔率和保温隔热性能，从而实现密度和强度的调控。

1.3 工艺对比

粉煤灰焙烧陶粒和免烧陶粒在制备工艺和产品性能上各有差异，见表2，这也就导致在应用领域的不同，通过对工艺的基础研究和调控，以期制备出性能更为优良的高附加值陶粒产品。

 

 

 

目前国内粉煤灰陶粒多采用焙烧法制备，工艺技术成熟，陶粒性能优异。高强度粉煤灰陶粒强度高达40MPa，密度可实现调控，为0.5~1.2g/cm3，可应用于轻骨料，代替混凝土中部分砂石，用于骨架材料、建筑回填使用等场景，全国需求量可达到千万吨级。轻质烧膨粉煤灰陶粒作为吸附剂主要用于污水厂水处理，呈现价格高、市场小特点，全国仅有百万吨级市场需求。重质粉煤灰陶粒主要代替砂子和石子，价格低、重量大（800~1100g/cm3），对标砂石骨料市场。但是焙烧法也存在一些问题，比如生产成本高，能耗大，设备占地面积大，易造成二次污染等。

相对于焙烧法，免烧法制备的粉煤灰陶粒工艺占地面积小，绿色环保，但是目前该工艺尚未完全成熟，强度低（＜7.5MPa），吸水率高（＞15%），主要应用于环保领域中，可作为吸附材料和吸音材料。近年来，研究人员开始加大对绿色环保的免烧陶粒的研究工作，以期制备出性能更好、更环保的功能性粉煤灰陶粒。浙江中劲环保科技有限公司利用自主研发设备，采用水热合成创新技术路线，利用粉煤灰等固废制备新型功能性建筑骨料—云砼石，符合国家GB/T17431.1—2010《轻集料》的标准。

2.陶粒的国家标准

陶粒的堆积密度、孔隙率、筒压强度、吸水率等是测试陶粒性能的主要技术指标，并决定其使用价值和应用范围。按照GB/T17431.2—2010《轻集料及其试验方法第2部分轻集料试验方法》标准对陶粒进行性能测试，依据GB/T17431.1—2010《轻集料及其试验方法第1部分轻集料》标准对粉煤灰陶粒进行性能比较。

粉煤灰陶粒根据应用范围的不同应当参照不同的国家或行业标准。应用于混凝土砌块行业时，遵循GB/T36534—2018《陶粒发泡混凝土砌块》、GB/T15229—2011《轻集料混凝土小型空心砌块》和JG/T504—2016《陶粒加气混凝土砌块》相关标准。应用于水处理领域时，参照CJ/T299—2008《水处理用人工陶粒滤料》和QB/T4383—2012《陶粒滤料》相关标准。应用于建材领域中，参照GB2838—1981《粉煤灰陶粒和陶沙》、JC/T785—1981《粉煤灰陶粒和陶沙》标准、JGJ12—2006《轻骨料混凝土结构技术规程》、JC/T2214—2014《钢筋陶粒混凝土轻质墙板》和JC/T2459—2018《陶粒泡沫混凝土》等相关标准。应用于压裂支撑剂时，参照SY/T5108—2006《压裂支撑剂性能指标及测试推荐方法》、SY/T5108—2014《水力压裂和砾石充填作业用支撑剂性能测试方法》等相关标准。

 

粉煤灰陶粒制品在内蒙古、陕西、山西等北方地区将成为发展的热点，不仅是国家和地区政策支持，对于企业和行业的发展具有很好的推动和鼓励作用。但现行标准在很多方面还是空白，制定时间过于久远，根据现行行业发展未能及时修订，陶粒行业缺乏绿色评价标准和生产技术规范等。这些问题需要我们进一步细化完善，以推动行业产品的推广使用。

3.粉煤灰陶粒的应用

由于粉煤灰陶粒的优异特性，比如密度可调、强度高、吸水率低、孔隙率大、比表面积大，具有良好的保温性、吸音性、抗冻性、耐久性、抗震性和耐火性，因而被广泛的应用于建筑材料、环境保护、生物化工等领域中。轻质粉煤灰陶粒目标市场主要集中在水处理、园林绿化、海绵城市、坑基回填等领域，用户群体单体需求量小、价格高、持续性强等特点，主要瞄准的大城市的污水处理厂、水务公司、装配式建筑构件企业。重质陶粒主要应用于大体积混凝土、高层建筑、功能性骨料等场景，主要用户为工程公司、建筑公司和混凝土搅拌站等企业，重点围绕城市建设。

3.1 在建筑领域的应用

粉煤灰陶粒充当骨料或填充剂应用于建材中，可以制成建筑物中砌块、外墙板、内隔墙条板、楼板、梁柱等，也可用于制备陶粒混凝土用于基础建设。为了使粉煤灰陶粒的性能满足建筑建材制品应用需求，可按实际需要改变工艺参数制备不同粒度、密度和强度等级的大孔、全轻、超轻、高强陶粒，使其具有高强、质轻、抗渗、耐久、保温、隔热的优良性能。

PATEL等研究了烧结粉煤灰陶粒对轻质混凝土的性能影响。当采用烧结粉煤灰陶粒替代天然粗骨料制备混凝土，抗压强度损失较小，但是从耐久性的实验结果发现，酸侵蚀会导致陶粒混凝土强度降低，而氯化物侵蚀影响较小，说明粉煤灰陶粒混凝土不适宜暴露在酸性环境中，但在盐水环境下有很好的适应性。GESO?LU等采用强度为870N的免烧陶粒制备混凝土，其最大抗压强度达60MPa，对应的静态弹性模量为28GPa，可进一步实现混凝土密度的降低。

在粉煤灰陶粒替代天然骨料生产建材制品过程中，可适量加入具有火山灰性质的微粉，如矿粉、硅粉、沸石粉等，可提高制品的致密度，从而提升产品强度，还可提高产品的抗冻性和隔热性能、降低吸水性。未来，要进一步研究原料配比和优化工艺参数，如何降低生产陶粒的成本，增强陶粒的性能，这样才能拓宽陶粒的应用领域。

3.2 在环保领域的应用

粉煤灰陶粒可作为吸附剂或填料用来处理废水、废气和噪音。为满足实际需要，粉煤灰应具有较大的孔隙率，高的比表面积和强度，长时浸水不易破碎。粉煤灰陶粒表面粗糙多孔，有利于微生物的附着生长，将陶粒作为载体，进行生物挂膜，对废水中的氮磷有很好的去除效果，也对重金属铜、锰、镉吸附效果明显。

 

屈湃等在碱性激发剂（氢氧化钠和硅酸钠）下制备的粉煤灰免烧陶粒表面沸石化，比表面积增大，筒压强度为4.2MPa，对含Cu²⁺模拟废水进行吸附实验，发现Cu²⁺去除率可达99.6%。赵翔等以粉煤灰和黏土为原料，加入发泡剂（硫酸钠和碳酸镁）和造孔剂（秸秆粉）经焙烧制得超轻粉煤灰陶粒，表面粗糙多孔，内部孔隙发达，骨架粗壮，有利于微生物的附着生长，可用于水处理的吸附反应。秦娟等以造纸白泥和粉煤灰为主原料，制备的环保陶粒以钙铝黄长石、钙长石为主要矿物相，具有良好的供碱释钙能力，在化学沉淀与物理吸附协同作用下，除磷效果明显，吸附9h后磷去除率达到92.79%。酆磊以粉煤灰为主要原料，添加水泥、石膏、生石灰、膨胀珍珠岩等，制备的免烧粉煤灰陶粒吸音效果良好。研究表明尺寸为2.8~8mm的陶粒吸音系数约0.45，尺寸为0.5~2.5mm的陶粒吸音系数为0.52。因为陶粒尺寸越小，内部孔隙越小，声音在其传播过程中碰撞增强，声损严重，导致吸音效果增强。施云芬等以改性的粉煤灰为主原料，掺杂膨润土、石灰石及水泥，经焙烧工艺制得陶粒，进行SO2气体吸附性能检测。研究显示质量比为改性粉煤灰∶膨润土∶石灰石∶水泥=10∶1∶1∶0.4条件下制备的陶粒比表面积为32.8m2/g，陶粒表面粗糙，内部多孔，该陶粒对SO2最大吸附率为74.8%。

粉煤灰陶粒作为一种新型的优良水处理滤料，不仅具有吸附容量大、平衡时间短、操作简单等优点，还具备好的再生能力。国内外科研工作者对其再生开展了大量的研究工作，最广泛的陶粒再生技术有高温煅烧法、酸洗法、碱洗法、超声波法、生物再生法等。

3.3 在化工领域的应用

在石油开采过程中，支撑剂随同高压溶液进入地层充填在岩层裂隙中，起到支撑裂隙不因应力释放而闭合的作用，从而保持高导流能力，使油气畅通，增加产量。一般要求压裂支撑剂具有高强度、低密度、低破碎率，耐腐蚀、圆球度好、反应性差等特点。粉煤灰陶粒具备上述优异性能，可作为石油压裂支撑剂，替代现行的铝矾土陶粒和石英砂。根据不同油井的设计要求，粉煤灰陶粒一般为0.4~0.8mm，圆球度≥0.9，酸溶解度＜7%，而且颗粒均匀，表面光滑，其浊度值≤100FTU，以获得尽可能高的导流能力。行业标准SY/T5108—2006《压裂支撑剂性能指标及测试推荐方法》中规定了用于石油天然气压裂施工所用压裂支撑剂的选择、使用及相关陶粒压裂支撑剂性能的评价测试。

LI等[27]以粉煤灰为原料，加入6%AlF₃，在1200℃下焙烧制得的粉煤灰陶粒最大抗弯强度达59.1MPa，堆密度1.32g/cm3、孔隙率为26.8%。AlF₃的添加可促进莫来石相的形成，从而提高颗粒的强度，降低圆球破碎率。杜杰等以铝矾土、粉煤灰、煤矸石为原料，制备出了适用于煤层压裂的陶粒支撑剂，并对其进行树脂覆膜预固化处理。研究结果表明：当铝矾土加入量为40%、粉煤灰20%、煤矸石40%、烧结温度在1350℃时，制备出的陶粒支撑剂体积密度为1.37g/cm3，视密度为2.63g/cm3，35MPa闭合压力下的破碎率为6.98%，通过树脂包覆陶粒后,其强度进一步提升,破碎率低至2.23%。CHEN等在粉煤灰陶粒制备中添加了MnO₂，研究发现MnO₂可以促进莫来石晶相的生长，提高陶粒支撑剂的致密性，增强其强度。当MnO₂添加量为4%、烧结温度为1380℃时，52MPa压力下陶粒的破碎率仅为3.10%。

多项研究表明粉煤灰陶粒充当石油压裂支撑剂，一般选取烧结法制备，因为烧结法制备的陶粒强度较高，密度低、酸溶性低，破碎率低，圆整度较好，表面光滑，流动性好，更适合做压裂支撑剂。

4.存在问题及展望

中国粉煤灰综合利用经历了“以储为主-储用结合-以用为主”三个发展阶段，主要以生产水泥、填料、混凝土、建筑材料等为主，在综合利用过程中会面临很多问题：1）粉煤灰产地和市场的地理距离太远；2）粉煤灰综合利用技术较低；3）高附加值产品较少；4）粉煤灰综合利用相关标准不完善，主要集中在传统的建筑产业，缺少高价值新型产品、应用领域及非建筑方面的标准；5）缺乏强制性应用的政策支撑。这些问题的存在会给粉煤灰的技术研究和推广应用带来很大的限制。

 

因此建议采取有效的措施逐步解决，以推动固废的绿色广泛应用。1）出台固废产品运输费用的优惠政策，扩大产品运输半径和应用范围；2）延伸粉煤灰综合利用产业链，进一步提高利用技术水平；3）开发新型的粉煤灰产品和高值化利用技术，提升粉煤灰的经济价值；4）完善粉煤灰综合利用相关标准和应用体系，建立新产品及其应用领域的标准；5）国家或地方应给予给多的鼓励和保护政策。

同种材料，一般孔隙率越大，强度就会越低，对于密度和强度之间的矛盾关系，可通过工艺、原料优化来实现统筹兼顾。通过原料改性、添加添加剂和造孔剂，优化工艺技术条件和参数，可进一步提升粉煤灰陶粒的产品性能、降低能耗和成本。相信在不久的将来，粉煤灰陶粒更加适用于多领域的需求，实现环保效益和经济效益的共赢。

5.总结

粉煤灰陶粒是粉煤灰综合利用的重要途径之一。粉煤灰陶粒替代天然骨料，是实现资源可持续使用的有效途径，也缓解了固废堆存对环境产生的压力。目前主要任务是加大对粉煤灰陶粒的功能特性的研究，包括从原料粉煤灰、添加剂等方面的配比及作用机理展开研究，通过提升陶粒强度、降低密度、提升比表面积、抗破碎率等，进一步开发多功能粉煤灰陶粒的应用范围，特别是非建筑建材领域，完善粉煤灰陶粒的标准体系，这是实现资源可持续发展的有效途径和开辟粉煤灰高值化利用、发展循环经济的重要途径。