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粉煤灰“工程型”及“产品型”资源化利用现状

发布于：2024-09-06 09:49:06 来自：环保工程/固废处理 [复制转发]

我国是煤炭资源大国，也是世界上最大的煤炭产出国和消费国，在未来长时间内我国煤炭的主体能源地位仍不会发生改变。我国开采出的煤炭有相当大一部分用于燃烧，而煤炭燃烧会排放大量的粉尘和有害气体，对生态环境和人体健康造成严重危害。粉煤灰作为燃煤后产出的主要固体废弃物，每年产量达 8~9 亿吨。

粉煤灰长期堆积不仅占用大量的土地，而且其中的有害物质经雨水冲刷浸入地表，对周围水资源和土壤环境造成严重影响，此外其扬尘还会对大气造成严重污染。同时，粉煤灰中富含铝、硅以及战略性关键金属等有价组分，呈现密度小、强度高、孔结构丰富等特点，具有较高的资源化利用价值。从可持续发展的角度看，粉煤灰的综合开发利用不仅可以消除对环境的不利影响，还可以创造巨大的经济效益。根据粉煤灰的物理化学特性，当前我国粉煤灰的资源化利用主要集中在建筑、农业、环境保护、有价组分回收、高附加值产品制备等方面。根据其利用属性进行划分，这些资源化利用途径大致可分为“工程型”和“产品型”两大类，其中“工程型”资源化利用主要涉及建筑、农业以及环境保护等领域，而“产品型”资源化利用则主要涉及回收粉煤灰中的有价物质或通过对粉煤灰改性制备高附加值产品等方面。

粉煤灰“工程型”资源化利用

1.1 在建筑工程中的应用

1.1.1 制砖

粉煤灰的化学组成与传统制砖原材料黏土接近，因此可用于制砖；且粉煤灰中含有更多的 Al2O3，所制成的砖耐火性更好，烧结成功率更高。目前粉煤灰砖已有拱壳空心砖、楼板空心砖、檩条空心砖、空心砖梁、花格空心砖、砖墙板以及吸声砖等 10 余种类型，其中烧结多孔砖和非承重空心砖产量和用量居多。

虽然粉煤灰砖的制备工艺较成熟且粉煤灰掺量较高，但受运输成本的影响，其销售半径和销售量受到限制。

1.1.2 作水泥及混凝土掺料

粉煤灰中含具有火山灰效应的活性物质（如 CaO、SiO2 和 Al2O3 等），因此可以作为混合材料和生料配料用于生产水泥或代替水泥作混凝土掺料。

对于生产水泥，粉煤灰的掺入会对常规硅酸盐水泥起到助磨效果，且细磨后的粉煤灰活性增强，更容易与水生成凝胶物质，使得水泥产品的抗折、抗压能力均有一定程度的增强。

粉煤灰作水泥及混凝土掺料已广泛用于工业与民用建筑，但目前粉煤灰的掺量有限，开发新型制备工艺及新型激发剂以消除高粉煤灰掺量对水泥及混凝土产品性能的不利影响是当前亟需解决的问题。

1.1.3 制路基及建筑的充填材料

粉煤灰易形成坚硬块，因此可以代替黏土用于路基及建筑填充，疏松多孔的粉煤灰制得的材料具有良好的保温及吸能效果。

1.1.4 制地质聚合物

地质聚合物是一种新型绿色凝胶材料，因其特殊的三维网状结构而具有多种特性，同时兼具能耗少、污染小、性能更先进等优点，有望作为水泥、陶瓷等的替代品应用于生产中。有研究表明，以粉煤灰为主要原料制备地质聚合物可使其获得更高的耐久性。

作为一种绿色环保材料，粉煤灰基地质聚合物的性能优越，且其环保性能及经济性能显著，应用前景广阔，市场潜力巨大。

1.2 在农业领域中的应用

1.2.1 改良土壤

粉煤灰的粒度小、比表面积大、具有多孔结构且富含多种微量元素，可用于改良土壤。如粉煤灰中含有 Fe2O3，可增加土壤磁性，改善土壤结构。若将粉煤灰掺杂在黏土性质的土壤中，可提高土壤的透气性及透水性；若掺杂在砂石性质的土壤中，则可提高土壤的固水保湿性。

1.2.2 生产肥料

粉煤灰中含有的 N、P、K、B、Zn、Mn、Fe、Cu、Mo 等元素对农作物生长具有促进作用，且粉煤灰中有效磷以及全磷含量明显高于土壤，因此可用于生产肥料。与传统肥料相比，粉煤灰肥料肥效好，肥效作用时间长，解决了有机肥肥效低、造成环境污染等问题。

总的来看，粉煤灰的主产区往往存在土壤贫瘠的问题，粉煤灰用于农业领域可在减少其本身对土地占用的同时改良土壤，实现粉煤灰的就地消纳，避免长途运输造成的经济损失及环境污染，发展当地农业经济。但粉煤灰在土壤中也存在可溶性盐迁移的问题，如何降低粉煤灰在土壤中的潜在毒性，也是需要重点关注的问题。

1.3 在环境保护中的应用

1.3.1 废气处理

利用粉煤灰生产的脱硫剂可通过物理吸附和化学反应协同作用实现烟道气脱硫，其脱硫效果优于纯石灰脱硫剂和市售一级活性炭。一方面，粉煤灰在水溶液中可与碱金属发生反应，生成大比表面积的多孔结晶物，从而促进 Ca2+和 SO2 反应，起到脱硫作用；另一方面，在干式脱硫装置中，粉煤灰可以作为良好的吸附剂来吸附并脱除废气中的 SO2。

用粉煤灰处理废气虽然可以实现以废治废，但受现有技术的限制，目前尚未实现大规模工业应用。

1.3.2 废水处理

粉煤灰具有吸附作用，可用于废水处理，但粉煤灰原样的吸附能力有限，因此一般通过改性来提高其吸附性能。改性处理后的粉煤灰具有絮凝和过滤作用，不仅对废水中的 Hg2+、Pb2+、Zn2+等重金属离子有较好的吸附效果，而且对含油废水、含有机物废水、印染废水等具有较好的除污效果。

需要注意的是，应对吸附了重金属等污染物的粉煤灰进行适当处理，一方面可回收有价资源，另一方面可防止造成二次污染。

1.3.3 矸石山灭火

长期堆放的煤矸石易发生自燃，释放大量有毒有害气体，从而造成环境污染，威胁生命健康安全。目前国内防止煤矸石自燃所用的原材料以黄土为主，通过表面封闭法、注浆灭火法及覆盖法等进行治理。利用粉煤灰替代黄土制作注浆材料，可有效解决矸石山的自燃问题，且在制备的粉煤灰复合胶中注入少量草籽还会有植被长出，其良好的防灭火效果以及绿色环保理念为粉煤灰的利用带来新的思路。

粉煤灰“产品型”资源化利用

2.1 有用组分提取与回收

2.1.1 回收空心微珠

在煤高温燃烧时，其中的硅酸铝铁熔滴冷却后单相结晶形成粉煤灰空心微珠，其具有特殊的中空结构，同时还具有密度小、热阻大、耐磨以及隔音等优良性质，是理想的无机填充材料，已广泛应用于建材、温控等领域。目前回收粉煤灰中空心微珠的方法主要有干选（风选、磁选等）和湿选（浮选、重选等）两大类，其工艺相对简单，成本低，易于实现工业化。

2.1.2 回收磁珠

粉煤灰磁珠中的铁主要以磁铁矿和赤铁矿形式存在，且占比约为 3.9∶1.1。磁珠中铁元素含量不稳定，波动范围达 15.51%~51.20%，造成这种波动的原因主要是实心磁珠铁含量高，而空心磁珠铁含量低，因此可通过将空心磁珠磨碎后分选提纯以提高其铁含量，从而使波动范围缩小。

回收后的磁珠可用作磁种材料及制备磁性吸附剂的原材料，也可在污水处理中用于磁絮凝处理、催化降解及重金属吸附等。

2.1.3 回收未燃碳

煤炭燃烧过程中会有少量炭未燃尽而残留下来，成为粉煤灰的一部分。粉煤灰中的未燃碳呈多孔的海绵状和蜂窝状，具有良好的吸附性，不仅可作为燃料使用，还能用作活性炭材料来处理废水和废气等。

2.1.4 提取铝

从高铝粉煤灰中提取氧化铝可应对一部分日益增长的铝资源需求。从粉煤灰中提铝的常用方法包括酸法（盐酸、硫酸、氟化物强化浸出法）、碱法（烧结法、水化学法、焙烧—酸浸法）以及酸碱联合法；此外，乙酰丙酮气相提取法、真空热还原技术以及利用硅酸盐细菌生物浸提等新方法也有报道。

目前从粉煤灰中提铝的效率及纯度均较高，但需要格外注意的是，该过程中往往会产生二次污染，发展绿色环保、低能耗技术仍是粉煤灰提铝行业面临的重要研究课题。

2.1.5 提取关键金属

粉煤灰中除了富含铝、硅、铁等常量元素外，还经常含有某些战略性关键金属元素（稀土金属、稀有金属、稀散金属等），从粉煤灰中提取关键金属可从一定程度上缓解我国战略性矿产资源紧缺的局面。我国个别地区粉煤灰中的稀土元素氧化物含量超过 1g/L，具有较好的工业开发价值。

需要注意的是，粉煤灰组成复杂，若单独提取某一关键金属元素其成本可能偏高，因此应考虑粉煤灰中有价物质的综合回收，形成多产品、低成本的循环经济利用模式。

2.2 高附加值产品制备

2.2.1 制备沸石

粉煤灰中富含 SiO2 和 Al2O3，是合成沸石的适宜原料，但其合成的沸石一般纯度低，不能直接利用，因此要先通过物理法（研磨、磁选等）或化学法（碱溶、酸洗、氧化等）对粉煤灰进行预处理来提高其制备沸石的纯度。

2.2.2 制备多孔陶瓷

多孔陶瓷是一种具有三维网络骨架结构、高气孔率的陶瓷体，可广泛应用于催化及过滤等领域。粉煤灰松散多孔，比表面积较大，可用于制备多孔陶瓷。

2.2.3 制备微晶玻璃

Al2O3 和 SiO2 是微晶玻璃的重要组成成分，而粉煤灰中富含的 Al2O3 和 SiO2 主要为硅铝玻璃体，具有较好活性，因此粉煤灰在适当条件下可以制备出性能优良的微晶玻璃。

2.2.4 作橡胶填料

天然或合成橡胶的补强剂为炭黑，粉煤灰与炭黑性质接近，利用改性粉煤灰填充橡胶，在节约炭黑的同时还可改善橡胶电绝缘、热稳定等性质。

总结

我国粉煤灰的“工程型”资源化利用主要集中在建筑（制砖、做水泥及混凝土掺料、制建筑和路基填充材料、制地质聚合物）、农业（改良土壤及生产化肥）以及环境保护（处理废气废水及矸石山灭火）等领域。其中，粉煤灰在建筑行业的利用已经基本成熟，其可降低建材行业对天然原材料的需求量，节约资源，减少成本，具有消纳量大、无需进行二次处理、工艺设备简单、资金投入少等优点，但其产品多处于低端产业链，附加值低；此外，受现有工艺条件的限制，粉煤灰在某些建材应用方面的掺量有限，因此如何提升其掺量仍需进一步研究。粉煤灰在农业领域的利用可实现粉煤灰的就地消纳，减少运输成本及环境污染，改良贫瘠土地、增加土壤肥力，发展当地农业经济，但粉煤灰的无毒化处理以减少其中有害物质在土壤中的运移是需要重点关注和研究的课题。粉煤灰在环境保护领域的利用可实现“以废治废”，但其吸附了废气及废水中有害物质后的二次处理及利用问题值得进一步关注和深思。

粉煤灰的“产品型”资源化利用主要包括回收粉煤灰中的有价物质（空心微珠、磁珠、未燃碳、氧化铝、关键金属等），以及通过对粉煤灰改性制备高附加值产品（沸石、多孔陶瓷、微晶玻璃、橡胶填料等）。从粉煤灰中回收微珠、漂珠、未燃碳等成分所用方法多为物理分选法，能耗低、污染少，但提高回收率及产品纯度仍是需要继续努力的方向；从粉煤灰中提取氧化铝及关键金属，有利于减少对相关原矿石的依赖程度，在消纳固废的同时节约矿产资源，但如何降低金属提取的初期投入及成本、如何提高金属的分离效率及分离纯度、如何避免提炼过程及提炼后剩余矿渣的二次污染等问题，是需要重点攻克的技术难题。对于利用粉煤灰制备高附加值产品，目前还处在快速发展阶段，具有很大的发展潜力，理应成为粉煤灰综合利用的优先发展方向，但受加工技术、加工成本及市场需求量的限制，其大规模工业生产还有很长的路要走，因此开发低成本制备技术、丰富产品种类、拓宽产品的应用领域和规模是值得重点关注和加快研究的重要课题。

来源：粉煤灰产业联盟。

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全部回复（1 ）

只看楼主我来说两句 抢板凳

yj蓝天沙发

好资料，对于粉煤灰的综合利用具有很好的学习作用，学习了，谢谢楼主分享

2024-09-07 07:26:07
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