粉煤灰的综合利用

粉煤灰的综合利用

何超 化工系 学号：2012220572

粉煤灰是现代工业大量使用煤作为燃料的副产品，在燃煤电厂及其他使用大型燃煤锅炉的企业中，煤经过干燥、研磨成一定细度的煤粉再进行高温燃烧，产生的烟道气中带有大量粉尘，其中大部分经除尘器收集成为工业固渣，小部分进入大气。这种粉尘国外普遍称飘灰（Fly-Ash）,我国一般称粉煤灰。

我国是煤炭资源大国，我国的工业能源也以煤炭为主力，虽然近年来由于国家政策支持，新兴能源所占比例有所上升，但是煤炭能源占主要地位这一事实在今后相当长的一段时间内还是不会改变的。特别随着我国国民经济的快速增长，对电力的需求越来越大，这极大促进了电力工业快速发展，大批装机容量巨大火电机组上马，这其中大部分又都是燃煤机组，燃煤机组在发电过程中产生大量粉煤灰。每燃烧1t原煤，能产生粉煤灰250-300kg，按我国目前火电所占比例计算，每发1kw-h的电，需标准煤300g，产生粉煤灰约100g。1995年，我国粉煤灰排放量1.25亿吨，2000年为1.53亿吨，2010年为2.12亿吨。

粉煤灰的产生、储存、运输，必须占用一定土地资源，这将会对周围土壤及水体造成重金属污染。排入空气中的粉煤灰，污染空气质量，危害人体健康。此外生产过程中产生的含粉煤灰的废水排放还对水体造成浪费和污染。国外的先进经验告诉我们，污染的产生实质上大多数是由于资源和能源的浪费所致，大量的能源和资源，用之为宝，弃之为废，粉煤灰自身的各种特性决定，它也是大有用武之地的。

目前，世界各国都很重视粉煤灰的资源化利用，所谓粉煤灰的资源化是指将其视为资源而不再是废弃物，采取工艺技术回收利用。一些发达国家粉煤灰资源化率相当高，如荷

兰达到 100%，意大利 92%，丹麦 90%，比利时 73%。美国将粉煤灰列在主要固体资源中 的第 7 位，排在矿渣、石灰和石膏之前。

我国对粉煤灰的综合利用起步于20世纪50年代。20世纪50年代开始在建筑工程中用作混凝土、砂浆的掺合料，在建材中用来生产砖、在道路工程中用作路面基层材料等，但这一时期利用总量较少；60年代粉煤灰利用重点转向墙面材料；随着国家大力提倡绿色经济循环经济，各种新型技术的被大量开发出来，粉煤灰的各种特殊性能被发现，越来越多的应用于工农业生产，成为一种宝贵的再生资源，以下就介绍几种粉煤灰的利用方法。

1 粉煤灰的性能

我国多数大中型电厂和集中供热的粉煤灰化学成分与粘土很相似,但其二氧化硅含量偏低,三氧化二铝偏高。粉煤灰中硅的含量最高,其次是铝,以复杂的复盐形式存在,酸溶性较差。铁含量相对较低,以氧化物形式存在,酸溶性好。此外还有未燃尽的炭粒、CaO 和少量的MgO、Na2O、K2O、SO3 ,以及锗、镓、硼、镍、铀、铂等稀有元素。

粉煤灰外观类似水泥,为球形或微珠的集合体,直径1um —100um ,颜色从乳白到灰黑,颜色的变化在一定程度上反映它的细度和含碳量。粉煤灰具有较大的比表面积、多孔。粉煤灰是一种火山灰质材料,其中SiO2 、AI2O3 、Fe2O3 三种成分占70 %左右,CaO 和MsO含量较小,Ca0 和Mg0 含量随原煤的组成和产出时代不同而变化，粉煤灰的利用很大程度上取决于这三种氧化物的含量及反应活性。粉煤灰中的有害成分是未燃尽炭粒,其吸水性大、强度低、易风化,不利于粉煤灰的资源化。

2 在污水处理中的应用

粉煤灰中含有多孔玻璃体、多孔碳粒，因而他的比表面积很大。同时，它还含有一定的活性基团，这就使其具有了较强的吸附能力，成为污水处理的吸附材料。粉煤灰的吸附作用有物理吸附和化学吸附两种。物理吸附是指粉煤灰与吸附质之间通过分子间引力产生吸附，这一作用由粉煤灰的多孔性及比表面积决定。其主要特征是吸附时粉煤灰表面能降低、放热，在低温下可以自动进行；其次是无选择性，因而对各种污染物都有一定吸附去除能力。化学吸附是指粉煤灰中存在大量铝、铁、硅等活性点，能与吸附质通过化学键发生结合。

粉煤灰处理城市污水，可有效去除城市污水中的有机物、色度、重金属、磷、臭味等，可去除30%~40%的COD，去除30%~90%的重金属，去除90~98%的色度。处理印染污水时，脱色率可达90%~99%，是一种经济、有效的脱色途径。处理造纸废水时，除了与以上相同的脱色能力外，对TOC的去除率达到56%，BOD去除率达18%，此外粉煤灰还可以用于处理含油废水、中药废水、重金属废水、高浓度含氟、含磷废水。虽然，许多去除指标与活性炭相比还是较低，但考虑到污水处理量大，吸附剂用量大，粉煤灰价格便宜，使用后还可以用作建筑、道路等其他用途，从经济效益和环境效益考虑，粉煤灰还是一种很有应用前景的吸附材料。

3 粉煤灰在农林牧业中的应用

粉煤灰具有质轻、疏松多孔的物理特性，还含有磷、钾、镁、硼、钙等植物所需的元素，因而可以广泛应用于农业生产。粉煤灰在农林牧业中的应用，实际上就是通过改良土壤、覆土造田等手段，促进种植业的发展。

粉煤灰用作土壤改良剂是，将适量经过处理的粉煤灰加入黏性土壤，对改善黏土质地，增加土壤通透性，改善土壤保水、供水等方面有显著作用。特别在中国南方很多地区，土

壤本体呈现酸性，加入一定粉煤灰后，可以调节PH值。此外，粉煤灰加入盐碱地后，可大大增加土壤的通透性，减少土壤的亲水性，起到抑盐压碱的作用。

江西农业大学和南昌市粉煤灰综合利用办公室共同做了粉煤灰改良红壤、粉煤灰施用于水稻和花生的实验。实验结果表明，粉煤灰可以改良土壤，改善土壤的理化性质，增加微量元素含量，提高农作物产量。实验中，使用粉煤灰可使花生增产36.83%，使水稻增产12.8%。

粉煤灰还可以用来回填造地，这种技术不仅节省资金，产生大的经济效益，而且社会效益、环境效益明显。青岛瑞源工程公司和青岛建筑工程学院受黄岛发电厂委托，实践发明了粉煤灰长距离吹填造地新工艺，论述并实践了用散体材料及振动挤密工艺加固处理粉煤灰吹填地基的机理和方法。经过两年努力，回填粉煤灰600万立方，形成253平方公里工程用地，按每亩6万元计算，较荒滩地增值2.3亿元，并且通过环保测试，各项指标均达到了排放标准。

4 粉煤灰在建材方面的应用

粉煤灰用于建筑材料在我国已经有较长时间，这方面经验也很丰富。

4.1 粉煤灰用于混凝土材料

由于粉煤灰的主要成分SiO2 、AI2O3 ,是不定型的,在常温有水存在的情况下,能与碱金属和碱土金属生“凝硬反应”,所以粉煤灰可以作为一种优良的水泥和混凝土的掺和料使用。采用水泥用量不高、粉煤灰和外加剂(高效减水剂、普通减水剂、引气型外加剂) 掺量较大,以适宜的配合比制备早期强度较高、后期强度发展幅度大、收缩小、渗透性很强的混

凝土,代表着今后水泥混凝土路面材料的一种发展方向。相对于直接在混凝土中掺人粉煤灰而言,尽可能在水泥生产过程中多掺粉煤灰大有好处,因为水泥生产中掺加粉煤灰不存在掺配不均的问题,而且经过机械活化,还可以提高粉煤灰等级,充分发挥其胶凝性,这一点已得到国内外专家的认可。

我国从 1958 年以来，先后在黄河三门峡、刘家峡、陈村、合山、欧阳海灌渠、台湾雾社坝等水利工程中，使用粉煤灰混凝土取得了降低水化热、改善性能、节约水泥的良好效果。在工业与民用建筑工程中，也已于 20 世纪 50 年代开始使用，如桂林沙河电厂的地下钢筋混凝土工程掺原状粉煤灰 10%～25%，1956 年在齐齐哈尔钢厂轧钢车间的预制钢筋混凝土柱中也掺入了 12%的原状粉煤灰。1976 年底北京市建材科研所、石景山电厂和北京电力建设研究所等单位开始了磨细粉煤灰的性能及其应用的研究，1977 年开展了地铁混凝土工程掺用粉煤灰的试验研究，随后北京市建成了年产 10 万 t 的北京西郊烟灰制品厂（现为北京现代建材公司）磨细粉煤灰车间，为向全市混凝土工程施工单位提供磨细粉。

举世瞩目的三峡工程于 1994 年正式开工，整个工程混凝土量为 2799 万 其中大坝混凝土工程量为 1527 万 。在大坝混凝土中，确定掺加Ⅰ级粉煤灰量高达 30%，通过高掺Ⅰ级粉煤灰和高效减水剂、引气剂制备出水泥用量少、水化热低、用水量少、抗渗性好、耐久性好的高性能混凝土。

4.2粉煤灰制备堆砌材料

粉煤灰制砖是我国目前粉煤灰量大面广的项目之一,其特点是工艺简单,建厂速度快,吃灰量大。“十五”期间,国家进一步加大淘汰实心粘土砖的力度,至2005年底前所有省会城市禁用实心粘土砖,这样粉煤灰制砖将大有可为,市场前景广阔。粉煤灰可以和粘土、页岩、

煤矸石分别做成不同类型的烧结砖。用粉煤灰代替部分粘土烧制的砖。它的性能与普通砖相比,强度相同,而重量约轻20 % ,导热系数小,能改善物理性质,砖坯不易风裂,易于干燥,可减少晾坯时间和场地,可少用燃料,降低单耗,节约能源。一般认为掺粉煤灰量按体积比在30 %以下属低掺量,30 % —50 %属中掺量,在50 %以上为高掺量。黑龙江省浩良河化肥分公司上马一套年产3 万m3 粉煤灰陶粒及空心砖和标准砖生产线,年产标准砖1200 万块,一年可治理利用粉煤灰2. 5 万t —2. 8 万t ,与实心烧结砖相比,可节约标准粉煤约6200 万t ,还可减少一定的粉煤灰堆放场地。

4.3粉煤灰用于筑路基材料

我国粉煤灰路堤第一条公路试验是在云南 324 国道上，高 7.6m；第一条高速公路实验路堤是在 1985 年修筑的沪嘉高速公路上；第一条加筋粉煤灰挡墙高路堤是在 1991 年青平一级公路上，最高达 8.75m。在 1993 年竣工的鄂济青高速公路上，粉煤灰路堤试验段长 3625m，消化湿排粉煤灰近 40 万 t，节约土地 300 余亩，解决了高填土路基填料不足的困难。

粉煤灰路堤具有自重轻、压缩性小、透水性好、强度高、碾压含水量幅度达等优点，对于软土地基及多雨潮湿地区的施工非常有利。

此外，粉煤灰还大量用于建筑中的墙体材料、装饰板材等。

5 粉煤灰在烟气脱硫中的应用

近几年来,国内外都在开展利用粉煤灰制高级脱硫剂的研究。粉煤灰中主要成分SiO2 、AI2O3 、Fe2O3 和CaO 在常温有水存在的情况下,细粉末状的火山灰能与碱金属和碱土

金属发生“凝硬反应”的特性,被认为是粉煤灰循环利用过程中提高钙基吸收剂利用率的原因所在。试验证明,用粉煤灰制成的脱硫剂的脱硫效率要高于纯的石灰脱硫剂,这是因为气一固反应中吸收剂比表面积的大小是反应速率快慢的主要决定因素。在适当的灰/ 石灰比和反应温度时,脱硫率可达到90 %以上。

6 回收有价元素

基于粉煤灰中含有碳、铁、铝以及粉煤灰空心微珠等有用组分，因此综合回收和利用是消除粉煤灰危害，使之资源化的有效途径。而粉煤灰的分选，则是使之资源化的关键。目前国内外对粉煤灰分选及产品应用做了大量研究工作，并已取得一定进展。

6.1回收碳

电厂锅炉在燃用无烟煤和劣质煤的情况下，由于经济燃烧还存在一些技术上的困难，因此煤粉不能完全燃烧，造成粉煤灰中含碳量增高，一般波动于 8%～20%之间。全国每年从电厂粉煤灰中流失数百吨的纯碳，不但使煤炭资源白白流失，造成极大的浪费，而且，由于粉煤灰中含有未燃尽碳，会造成粉煤灰综合利用困难，影响了粉煤灰资源的开发，不利于环境保护。为了降低粉煤灰中的含炭量和充分利用资源，我国不少部门进行了粉煤灰脱炭处理研究工作。目前已经有用浮旋法、电选法两种方法回收碳资源。

6.2从粉煤灰中提取氧化铝、铁

用石灰石烧结工艺从粉煤灰中提取氧化铝，在我国已经有较深入的研究，并已经投入工业生产。其主要工艺过程为熟料烧成、自粉化、溶出、脱硅、炭分和煅烧。

煤炭中除了可燃物炭外，还共生有许多含铁矿物，如黄铁矿（FeS）、赤铁矿（Fe2O3）、褐铁矿（2Fe2O3）、菱铁矿（FeCO3）等。煤炭经过电厂锅炉高温下燃烧，铁矿物质即转变为磁性氧化铁（Fe3O4），此种磁性氧化铁可以直接经磁选机选出。

6.3回收贵金属镓

据有关资料显示,回收贵金属镓的途径除了从炼铝、锌、钡、铜过程中回收外,还有一种途径,即是从富含镜的煤中提取,英国某公司采用还原熔炼一革取法及碱熔一碳酸化法成功从粉煤灰中提取了金属称。我国湘潭大学等开展从粉煤灰中回收的项目研究。

6.4从粉煤灰中分选空心玻璃微珠

粉煤灰中一般含有 50%～80%的空心玻璃微珠，其细度为 0.3～200μm，其中小于 5μm 的占粉煤灰总量的 20%。从粉煤灰中经分选出的空心玻璃微珠，按其密度大小一般可分为两类：即空心漂珠（简称漂珠）和厚壁型空心微珠（简称沉珠）。沉珠与漂珠相比具有壁厚、密度大、强度高、耐磨性好的特点。漂珠的壁厚为其直径的 5%～8%，壁上有细小针孔，珠壁密度为 480kg/m3。沉珠壁厚为其直径的 30%，珠壁密度为 800kg/m3。沉珠一般可承受 7～14MPa 的压力，最高能承受 70MPa 的压力。空心玻璃微珠具有颗粒细小、质轻、空心、隔热、隔音、耐高温和低温、耐磨、强度高及电绝缘等优异的多功能特性，目前已开发的应用领域有耐火材料，防火涂料，塑料盒橡胶填充材料、低密度油井水泥减轻剂、浮力材料等。

7 粉煤灰用于化工生产

7.1 做橡胶制品的填料

在有机材料制品中为了降低制品的成本和提高制品的某些性能，常常加入一定量的填充剂。对填充剂的一般要求为价格低廉、密度小、易加工，与底材的混合性能好，填充量大，能赋予制品特殊功效等。

粉煤灰基本具备以上这些功效。由于粉煤灰含有大量玻璃微珠，无毛刺和棱角，有滚动轴承作用，对成型设备、模具磨损小，可提高生产效率和延长机器的使用寿命、产品成本低等特点，具有填充料的功能和特性。

橡胶制品最常用的填料为炭黑，由于它是由许多有机物质煤、石油、天然气、焦炉煤气、焦油等经过不完全燃烧而成，因原料紧张、能耗高、工艺复杂，所以价格也高。用粉煤灰制作的橡胶填料不仅有硅铝炭黑的性质，也含有煤制炭黑的成分，这是因为粉煤灰具有煤焦油、炭黑的性质。这些可燃物固体胶凝体在作橡胶填料时，细小粒子进入橡胶分子链与煤粒毛细孔结构，起到补强作用。最近研究表明，用粉煤灰制备的橡胶填料可以达到用优质煤生产的橡胶填料的标准。

7.2 做塑料制品的填充剂

塑料一般分为热固性和热塑性两种。为了保证其成型后的强度、形状的稳定性及降低吸水性，以及降低成本，塑料制品都要加入一定量的填充剂，如碳酸钙、硅原土、炭黑等无机物及木粉、纸浆等有机填充物。

国内利用粉煤灰填充塑料没有使用偶联剂对粉煤灰表面进行活化处理，将其在 120℃下干燥好的无杂质、粒度的粉煤灰与偶联剂混合活化，然后再加入到树脂中去。经过偶联剂表面活化的粉煤灰，不仅能使其在塑料中的掺量增加，而且改善了粉煤灰与树脂表面的结合力，增加物料的流动性，使其易于加工，提高了制品的强度。偶联剂的使用为粉煤灰

在塑料和橡胶中的应用，起到重要的推动作用。

7.3做沥青油毡填充料

根据防水油毡产品质量要求，涂面沥青中需要加入一定比例的矿物填充料，加入填充料的作用是提高油毡的耐热性、塑性、耐机械磨损性，降低吸水性，增强抗老化性以及防止涂层受热出现流淌和避免开卷时黏结，同时还能节约沥青，降低油毡生产成本。对填充料的技术性能要求是：密度、细度、水分、酸碱性 4项指标。传统的沥青油毡的填充料为滑石粉。

从化学成分看，滑石粉是以二氧化硅和氧化镁为主要成分，粉煤灰是以二氧化硅和氧化铝为主要成分，其他成分基本相似，因此粉煤灰有做沥青卷材填充剂的可能性。从技术指标看，粉煤灰与滑石粉两者很接近，粉煤灰也满足技术要求。因此粉煤灰由于沥青卷材填充料是可行的。

由于粉煤灰的成本不足滑石粉成本的 30%。因此利用粉煤灰作沥青卷材的填充料，可以降低生产成本，提高经济效益。也可以利用工业废料粉煤灰，有利于环境保护。

8 结语

我国目前粉煤灰数量很大,加之技术和经济条件的限制，虽然在部分领域得到了一定应用，但总体利用率较低，相当一部分被消极堆存、掩埋。因此,在认真贯彻”突出重点, 因地制宜”和”巩固、完善、推广、提高”的方针的同时,把大批量用灰技术作为重点,把提高粉煤灰综合利用经济效益、社会效益有机的结合作为主攻方向;巩固已有的技术成果,逐步完善比较成熟的利用技术,大力推广成熟的粉煤灰综合利用技术,积极采用国际先进技术和装

备,不断提高我国的粉煤灰利用技术水平,赶上和超过国际先进水平。

扩大粉煤灰综合利用是当前我国确定的资源综合利用突破口之一, 已列入《中国21 世纪议程》内容。针对粉煤灰利用中存在的问题: (1) 以煤为主的电力、热力工业迅速发展和粉煤灰综合利用相对落后; (2) 粉煤灰综合利用缺少稳定、可靠的途径; (3) 供需双方利益分配及政策调控力度不够; (4) 技术研究开发力量较薄弱分散,在扩大粉煤灰的综合利用中应做好以下工作: (1) 加大对电厂粉煤灰综合利用的认识,树立可持续发展观念; (2) 建立与市场经济相符合的运行机制,国家可以通过政策引导,并给予贷款、税收等方面的优惠; (3) 加强研究成果的产业化,对粉煤灰有效利用途径进行联合技术攻关,提高其利用价值,同时注重推广。总之,随着可利用资源的日益匮乏和环境保护意识的逐渐加强,今后粉煤灰的利用应围绕环境保护型利用、低质灰利用和高附加值型产品的开发方向发展。