論粉煤灰的資源化利用

嚴瑞山

（洛陽市雙勇機器制造有限公司，河南洛陽471003）

論粉煤灰的資源化利用

嚴瑞山

（洛陽市雙勇機器制造有限公司，河南洛陽471003）

粉煤灰是結晶體、玻璃體及少量未燃碳組成的一個復合結構的混合體，是新發現的、數量巨大的、非常重要的礦產資源。資源化利用粉煤灰，既能夠化解粉煤灰所帶來的環境問題，又能夠將其作為一個新興的資源加以開發，制作多種實用性產品，符合中國可持續發展戰略和節能減排的要求。

粉煤灰；重要資源；資源化利用

粉煤灰是指煤炭在燃燒后殘留的固體顆粒物，包括灰和渣，作為一種資源，具有很高的使用價值，并為某些建筑材料和制品所不可缺少。作為主要的能源，我國還將在相當長的時期內燃煤發電，粉煤灰產量也將會隨之持續大幅度增加。因此，大力開展粉煤灰的資源化利用，是我國經濟持續發展的必然要求。

1 粉煤灰的形成

煤氣發生爐和半水煤氣發生爐、燃煤電廠及各類鍋爐燃燒的原料、燃料煤，是由泥炭或腐泥轉變而來[1]，是古代植物埋藏在地下，在缺氧和某些細菌的作用下，經過幾千年的漫長時間，在溫度、壓力及地址化學作用條件下而變成的[2]，是由有機物和無機物共同組成的。有機部分是由碳、氫、氧、氮、硫等元素構成的復雜的多種高分子物質的混合物[2]；無機物主要成分為高嶺石、方解石和黃鐵礦等，所含元素達數十種之多，最常見的有硅、鋁、鐵、鎂、鈣、鉀、硫、磷元素等。煤在燃燒時，其無機礦物經過分解、燒結、熔融及冷卻過程，冷卻后的粉煤灰基本上分成玻璃體及晶體礦物兩類，冷卻速度較快時，粉煤灰的玻璃體含量較大；相反，冷卻速度較慢，玻璃體容易析晶。一般晶體礦物為石英、莫來石、磁鐵礦、氧化鎂、生石灰及無水石膏等，非晶體礦物為玻璃體、無定形碳及次生褐鐵礦，其中玻璃體含量占40%以上。在顯微鏡下觀察，粉煤灰是結晶體、玻璃體及少量未燃碳組成的一個復合結構的混合體。

2 粉煤灰已經成為重要資源

根據部分燃煤電廠的粉煤灰化驗，發現粉煤灰主要成分為硅、鋁、鐵、鈣、鉀、鎂、鈦、硫等氧化物，表1為粉煤灰的元素組成表。

表1 粉煤灰的元素組成表（部分電廠化驗數據）%

隨著國民經濟發展，燃煤電廠規模不斷擴大，現在已有數座單機組發電100萬kW的電廠在建和投產，排出的新灰加上歷年排出的灰渣，數量已經達到數十億噸，按10億t測算：其中三氧化二鋁按20%計算就達2億t，二氧化硅按40%計算，達4億t，三氧化二鐵按10%計算，達1億t，氧化鈣按0.6%計算就達600萬t；氧化鎂按1.3%計算，達1300萬t；三氧化硫按0.4%計算，達400萬t；磷按0.4%計算，達400萬t；氧化鉀按1.8%計算，達1800萬t；氧化鈉按0.6%計算，達600萬t。10億t粉煤灰中，鋁、硅、鐵、鈣、鎂、鉀、硫、磷、鈉的含量就達8.42億t，特別是硅、鋁、鐵三種氧化物更達到了80%以上，這是新發現的、數量巨大的、非常重要的礦產資源。

眾所周知，我國是世界最大的鋼鐵生產國，但是國內的高品位鐵礦卻極少，大部分鐵礦原料都要從國外進口，世界鐵礦原料的價格上漲，對我國鋼鐵業產生了極大壓力，引起國內鋼材價格高升；中國鋁業股份有限公司總裁助理謝洪在廣西百色舉行的鋁業可持續發展論壇上說：“每噸氧化鋁消耗鋁土礦資源儲量3.3t，而我國保有的基礎儲量約7億t，只能維持不到10年的時間”。隨著我國礦石原料進口量的急劇增長和高度集中，鋼鐵業、鋁業穩定發展面臨的風險在不斷擴大，如果將粉煤灰很好利用，會緩解這些資源在國內緊缺的局面和降低行業穩定發展面臨的風險。

3 粉煤灰的資源化利用

由于粉煤灰中的礦物質含量多，嚴格界定應屬于伴生礦物，不宜采用單一處理利用方案。

3.1 單一利用和資源利用的效益比較

例如：某電廠年排粉煤灰100萬t，全部用于制磚生產線，可生產4億塊標準磚，每塊磚利潤0.1元，年創效益4000萬元，利用粉煤灰制磚每噸可以創效益40元。

粉煤灰的資源利用效益：

（1）在Fe2O3含量8%的情況下，100萬t粉煤灰中就有8萬t的Fe2O3，建設一條年產6萬t鐵粉生產線，效益按400元/t計算，就是3000萬元；利用粉煤灰中的鐵元素選鐵，可以創效益40元/t。

（2）在Al2O3和SiO2含量70%的情況下，100萬t粉煤灰中就有70萬t的Al2O3和SiO2，建設一條年產30萬t的鋁硅合金生產線，效益按2000元/t計算，就是6億元；利用粉煤灰中的鋁硅元素冶煉鋁硅合金，可以創效益600元/t。

（3）建設一條40萬t的復合肥生產線，效益按300元/t計算，就是1.4億元。利用粉煤灰中的硅、鉀、磷元素制復合肥，可以創效益140元/t。

（4）資源利用后余下的粉煤灰和冶煉渣還可以做磚或建材。

利用粉煤灰，從工業上解決了冶金和鋁硅合金原料的緊張局面，從農業上給當地的農民種田帶來了實惠并進行了土壤改良，從企業自身來講，利用100萬t粉煤灰，效益達到7.8億元，比原來單一做磚的4000萬元增加了7.3億元。目前全國每年排出粉煤灰6億t以上，采取這樣的資源利用方案就可以多創造4380億元的經濟效益。

據中國資源綜合利用協會粉煤灰專委會有關粉煤灰資源利用效益比較資料顯示：粉煤灰用于回填或土建材料，效益不足10元/t；粉煤灰用于墻體材料或水泥混合材料，效益每噸達幾十元；粉煤灰用于混凝土摻和材料，效益達40～100元/t；粉煤灰用于分子篩，效益達4000元/t以上；粉煤灰用于復相陶瓷，效益達到每噸上萬元。因此，資源化利用出效益，更出高效益。

3.2 粉煤灰在農業方面的利用

20世紀80年代起，我國電力部門和農科院所經過多年試驗和研究證明，粉煤灰比水容量接近或略高于土壤，與土壤水分相比，粉煤灰水分更容易被植物利用，施用粉煤灰可以對土壤理化性質產生重大影響。

（1）降低粘土中粘粒含量4%～8.9%，改良土壤。

（2）減少粘土堆積密度0.16g/cm3。

（3）增加土壤的孔隙度7.4%。

（4）提高土壤14cm深度土層內溫度0.4～1.3℃。

（4）提高土壤含水量和田間持水量6.1%。

（6）調節土壤的固液氣三相比為1∶1.24∶0.43，使大小孔隙比處于最適宜的比例內。

（7）減小土壤的膨脹率7.4%，提高土壤的滲透性，防止土壤流失。

（8）增加土壤有效磷含量1～6倍，具有明顯增產效果。

（9）增加土壤中的硅、銅、鋅、鉬、錳、硼等營養元素含量，有利于作物生長。

（10）調整土壤的pH值，對酸性、堿性土壤進行改良。

施用粉煤灰改良后的土壤進行種植，可以使小麥增產4.6%～20.7%，平均增產13.14%；玉米增產7.8%～14.4%，平均增產11.64%；水稻增產8.6%～23.4%，平均增產16%；黃豆增產8.6%～32.9%，平均增產20.74%；谷子、山芋、棉花、蔬菜等也都有一定的增產效果[3]。因此利用粉煤灰制作農用肥料對于我國農業大國來講是大有發展的，更是改良多年使用化肥造成土壤污染和板結的重要途徑。

3.3 粉煤灰制作無機非金屬材料——微晶玻璃

微晶玻璃是我國剛剛開發的一種新型的建筑材料，它的學名稱為玻璃陶瓷。微晶玻璃和常見的玻璃看起來大不相同。它具有玻璃和陶瓷的雙重特性，普通玻璃內部的原子排列是沒有規則的，這也是玻璃易碎的原因之一。而微晶玻璃象陶瓷一樣，由晶體組成，也就是說，它的原子排列是有規律的。所以，微晶玻璃比陶瓷的亮度高，比玻璃韌性強。做一個微晶玻璃與天然石材的對比實驗：把墨水分別倒在大理石和微晶玻璃上，稍等片刻，微晶玻璃上的墨汁可以輕易地擦掉，而大理石上的墨跡卻留了下來。這是為什么呢？表面粗糙的大理石、花崗巖等天然石材盡管加工打磨得光滑閃亮，但是條紋中仍然可以藏污納垢，微晶玻璃就沒有這種問題。大理石的主要成分是碳酸鈣，用它做成建筑物，很容易與空氣中的水和二氧化碳發生化學反應，日久大理石建筑物必然變色，而微晶玻璃幾乎不與空氣發生反應，可以歷久長新。微晶玻璃具有良好的機械性能和物理性能，其硬度為莫氏6～9，耐壓強度為6.3t/cm2,抗折強度為487～1380kg/cm2,抗沖擊強度為2.4～3.8kg/cm2,光澤度為70～120，膨脹系數為61～77.4（10/℃），吸水率＜0.07%，耐磨損失為0.49g/cm2，而且有很好的耐酸、耐堿性能，微晶玻璃集中玻璃、陶瓷及天然石材的三重優點，優于天然石材和陶瓷，因此被廣泛用于制作建材、板材、管材等，可用于建筑幕墻及室內高檔裝飾，還可做機械上的結構材料，電子、電工上的絕緣材料，大規模集成電路的底板材料、微波爐耐熱系列器皿、化工與防腐材料和礦山耐磨材料等，它還可和其他金屬材料配合用于制作高強度軸承、高壓容器、高壓管道、發酵罐、建筑的無鋼筋樓板、空心間壁墻板、發動機汽缸以及航天發動機、宇航船外殼、火箭噴口等高精尖產品，低膨脹系數的微晶玻璃可用于激光導航陀螺、光學望遠鏡等重要科技和軍工領域，是21世紀最具發展前途的新型材料。

選用粉煤灰作為制備微晶玻璃的主要原料，是因為粉煤灰在高倍電子顯微鏡下觀察，是化學性質穩定的玻璃球珠，它的化學成分與微晶玻璃的化學成分相似，含有微晶玻璃的主要化學成分，如 SiO2：24%～64%，Al2O3：10%～44%，CaO：1%～30%，以及含有MgO，Fe2O3，SO3和放射性元素鐳—226、釷—232等元素，這些都是制備微晶玻璃的必備成分。粉煤灰的上述化學成分依不同地區的煤質、燃燒時是否加石灰石，以及加入量及其化學成分含量，有所變化。

利用火力發電廠的粉煤灰制做微晶玻璃，不僅為生產微晶玻璃提供了最容易得到的廉價原料，而且為粉煤灰資源化利用開辟了一條新的途徑，對于微晶玻璃新材料的開發利用具有重要意義。

3.4 粉煤灰資源化利用方案實施時的注意事項

由于粉煤灰化學成分含量多，適用范圍廣，可以應用在許多領域。但是，由于多方面原因，實際應用起步很晚，許多技術鮮為人知，應用領域也很陌生。因此在搞資源化利用方案時，要建立化驗室和實驗室。對資源化利用的方案要根據當地實際情況和市場情況，以及工業布局來多方考慮、充分論證、慎重確定；對工藝流程和機器裝備要借鑒多個領域、多個行業已有的經驗和機器裝備來改進和選用；在可能的情況下盡量采取總包和大包工程的方式來實施。這樣，通過合同關系、經濟關系的確定，一方面促進參與單位和人員的責任心，另一方面促進資源化利用方案的高效、完善，從而不斷改進粉煤灰資源化利用的各類方案和相關生產線，使設計院所、機械設備制造廠家、安裝公司通過實踐，在方案設計中有所改進，有所提高。

4 結語

粉煤灰是新的、數量巨大和重要的資源，它具有伴生礦產的性質和特點，單一利用不能達到較好效果，要盡快完善相關的技術、工藝、裝備等配套方面的工作，才能搞好粉煤灰的資源化利用。這樣既能夠化解粉煤灰所帶來的環境問題，又能夠將其作為一個新興資源加以開發，制作多種實用性產品，這將對節能降耗、節能減排起到極大的促進作用，是加快經濟發展、建設資源節約型社會和循環型社會的最好體現。

[1]陳鵬.中國煤炭性質、分類和利用[M].北京：化學工業出版社，2001.

[2]向英溫，楊先林.煤的綜合利用知識問答[M].北京：冶金出版社，2002.

[3] 王福元.吳正嚴.粉煤灰利用手冊[M].北京：中國電力出版社，2004.

Ontheresourceutilizationofflyash

YANRuishan
（LuoyangShuangYongMachineryManufacturingCo.,Ltd.,Luoyang471003,China）

Flyashisahybridcompositestructure.Therearecrystalline,vitreousandasmallamountofunburned carboncomposition.Flyashisanewlydiscovered,ahugenumberofveryimportantmineralresources.Utilizationoffly ash,bothtoresolveitsenvironmentalproblems,butalsotobedevelopedasanewresourceandproducedavarietyof practicalproducts.Thisisconsistentwithsustainabledevelopmentandenergysavingrequirements.

flyash;importantresources;resourceutilization

X773

A

1674-0912（2014）02-0037-03

2013-12-24）

嚴瑞山（1942-），男，北京市人，獲得“粉煤灰提取鋁硅合金的工藝方法”和“大型壓球機”兩項發明專利，從事工業固體廢棄物的處理與利用工作。