粉煤灰綜合利用探究

董 蓉

(德宏州生態環境局，云南 芒市 678400 )

1 引言

粉煤灰是指工廠燒煤或者利用煤泥、煤矸石等資源后收集到的飛灰及底爐渣。它的形態為球狀細小顆粒，是燃煤企業產生的主要固體廢物之一。近年來，我國粉煤灰產生量逐年增加，但綜合利用量變化不大， 2015、2016、2017、2018年重點發表調查工業企業粉煤灰產生量分別為4.4、4.5、4.9、5.3億t，綜合利用量3.8、3.8、3.8、4億t[1～4]。2015～2018年綜合利用率由86.4%降低為74.9%。處理后剩余的粉煤灰堆存量逐年增加，其處理壓力逐年增大。

圖1 粉煤灰產生利用時間

2 物化性質

我國火電廠粉煤灰主要為球狀，粒徑在0.5～200 μm之間。其中主要由二氧化硅、氧化鋁、氧化亞鐵、氧化鐵、氧化鈣、氧化鈦等成分組成，元素組成(質量分數)如表1。

粉煤灰的物理性質中，細度和粒度對粉煤灰的其他性質影響較大，且粉煤灰中顆粒越細，其反應活性也越好，顆粒細度影響早期水化反應，而化學成分影響的是后期反應[5]。粉煤灰物理性質一般比重在1.8～2.6 g/cm3、粒徑在0.5～300 μm、孔隙率60～75%、松散干容550～650 kg/m3、比表面積2700～3500 cm2/g、密度2～2.3 g/cm3。

3 粉煤灰綜合利用方法

近日，國家對《粉煤灰綜合利用管理辦法》又進行了修訂，為的是能夠更好地促進對粉煤灰的綜合利用。對于粉煤灰的利用包括從粉煤灰中直接提取物質，農業生產用于土地改良，作為肥料添加劑等，工業上生產水泥、混凝土、輕質建筑材料等產品，環保方面，生產制備吸附劑，用于廢水及廢氣的凈化。

表1 粉煤灰元素組成

3.1 從粉煤灰中直接提取氧化鋁

氧化鋁是一種硬度非常高的化合物，常用于生產制造耐火材料 。粉煤灰中含有大量的氧化鋁成分，一般含量在15%～50%，采用一定的方法可從中提取氧化鋁。提取方法按添加物性質，可分為堿法，酸法及鹽法。

堿法是將粉煤灰置身于堿性環境下，進行反應提取，主要包括燒結法和堿溶法。

石灰石燒結法是燒結法中較為重要的方法之一，該方法是將粉煤灰與石灰石混合后焙燒得到不溶的化合物硅酸二鈣及易溶的化合物鋁酸鈣，再通過碳酸鈉溶液，生成偏鋁酸鈉溶液及硅酸二鈣沉淀，最終通過碳分、高溫煅燒的方式獲得氧化鋁產品。

堿溶法則利用了堿將其中可溶物與不溶物分離，蘇雙青等[6]探究了兩步堿溶法提取Al2O3工藝方法,用中等濃度氫氧化鈉溶液與粉煤灰反應后，進行過濾分離，溶出部分非晶態二氧化硅，減少了雜質產生。

酸法包括鹽酸法及硫酸法等，硫酸對粉煤灰中的含鋁礦物具有良好的溶出性能，將粉煤灰與硫酸在一定條件下配比反應，溶出其中的含鋁物質，生成硫酸鋁溶液，經過除雜后得到硫酸鋁精制液，再經過濃縮結晶煅燒獲得氧化鋁，產生的酸氣經酸洗收后循環使用。高桂梅等[7]在溫度160 ℃、HCl/ HAFA 質量比0.95的條件下用硫酸直接浸取粉煤灰中氧化鋁，反應4 h后，氧化鋁的溶出率達到最大約95 %。硫酸對于氧化鋁溶解效率高，但后期帶來的除雜問題較為困難。吳建寧等[8]使用高錳酸鉀沉淀法進行除雜，通過加入過量高錳酸鉀溶液氧化其中的亞鐵離子, 再以硫酸錳去除過量的高錳酸鉀, 沉淀過濾后即可獲得精制液, 實驗獲得的晶體產品中鐵含量僅為0.1%。

“一步酸溶法”利用鹽酸低溫溶出粉煤灰中的鐵，再使用樹脂除雜后濃縮結晶得到氧化鋁，樹脂可經洗滌后循環使用，洗脫液中鐵離子進行分離提純。

鹽法，采用的溶解介質為硫酸銨 ，將其與粉煤灰配比溶解后，在中低溫條件下焙燒，使鋁轉化為鋁鹽，固液分離后通入氨氣，得到氫氧化鋁，再經煅燒結晶得到氧化鋁。李來時等[9]使用該法將獲得的硫酸鋁銨經3次重結晶后, 所制備的氧化鋁純度大于99.9%。

3.2 農業方面應用

粉煤灰是重要的農業資源，具有較好的物化性質, 可用于土壤的酸堿性質改良，可提高土壤溫度，增加含水率，同時能降低土壤粘結性，有利于作物的生長，粉煤灰可直接施用來改善土壤環境，也可與其余有機物配合施用。

粉煤灰自身的養料成分不多，直接施用于農作物，效果不太明顯,需進一步添加其他有機物，重新組合成復合肥料，才具有好的效果，可用于制硅鉀肥、硅鈣肥和氮磷鉀復合肥等。經過粉煤灰復合肥實驗，添加入粉煤灰可提升農作物產量，一般提升2%～13%，效果比普通肥料要好。

粉煤灰還可以生產磁性化肥, 可通過化肥的磁化效果增強肥效, 大大增加作物產量。將氮、磷、鉀及植物所需元素添加進去，生產出磁化復合肥，該種復合肥具有高于普通肥料的肥效，且具有植物所需的元素，在磁效應作用下，大大增強了施用效果，提升作物產量，有實驗表明, 磁化復合肥施用之后, 蔬菜可以增產10%～35%，小麥增產10%～15%，玉米增產5%～13%，并且添加氮磷元素的利用效果有效提高, 促進了作物的產量提升, 同時減少了肥料施用量， 提高單位農業生產的經濟、社會效益。

3.3 應用于建筑業

粉煤灰結構穩定，活性強，質輕，可以應用于建筑行業中，作為水泥、混凝土添加劑，粉煤灰墻體材料等。粉煤灰中含有大量的硅鋁成分，作為粘土的替代物，可增加水泥活性及透水性，緩解早期及后期干縮，在煅燒熟料過程中殘余炭也能得到利用，從而降低能耗。添加入混凝土中，可改善其減水效果，提高抗壓及抗彎折強度。

目前有很多新型材料都使用了粉煤灰，比如常見的如輕質墻體材料生產，在石灰，石膏原料中，添加入一定量的粉煤灰進行蒸壓處理，生產出的產品質輕、滲透性及隔熱性好，剛度高，可廣泛替代粘土實心磚，是節能環保型產品。

3.4 應用于環保業

粉煤灰的礦物組成主要以玻璃體的形式存在，具有良好的化學活性，主要包括石英、莫來石、磁鐵礦、方解石等成分，其次為礦物結晶體，粉煤灰粉煤灰內部孔隙多，比表面積大，且存在大量的硅鋁活性位，用于生產吸附劑，對于煙氣中二氧化硫、氮氧化物、有機物及廢水中銅、汞、鋅等離子均有較好的吸附效果。

孫菱翎等[10]用4 g粉煤灰，在 pH值為9, 反應溫度為30 ℃的條件下,吸附初始濃度為200 mg/L的氨氮, 反應進行了30 min，氨氮吸附率可達到68.27%。

王小云[11]通過堿性濕法改性粉煤灰, 制成復合吸附劑后對酸霧廢氣進行吸附處理, 結果表明該改性吸附劑的最大吸附容量能達到445.2 mg/g。

將粉煤灰生產成沸石產品是粉煤灰資源化利用的新思路，有著較高的處理效率。Cardoso等[12]成功制備的Na-P1型分子篩能夠有效去除酸性礦水中的砷，鎳，銅，鐵和錳離子等多種污染物，且吸附性能大大超過了傳統的商業吸附劑。

粉煤灰每年的產生量很大，直接提取金屬化合物，提高了粉煤灰的附加值，資源化程度高，但減量化效果不明顯，對于粉煤灰利用量不是很大。將粉煤灰應用于農業及建筑業的添加料使用，是當前的主流利用方式，其減量化效果好，操作相對簡單，利用率高。將其作為吸附劑用于環保污染治理，是當前的一個利用新方向，以廢治污，但吸附處理后，如何解決二次污染問題非常重要。找到一個處理量大、高效、廉價的利用方式，是科研技術工作者們一直追尋的目標，一方面依靠不斷的探索實驗改進，另一方面需要國家強有力的支持，才能更好地推動粉煤灰治理產業發展，減少環境污染風險。