粉煤灰的综合利用进展

[摘 要] 阐述了粉煤灰的来源、组成和分类以及对环境的危害，介绍了粉煤灰在建筑和建材、化工以及农业等方面的综合利用。

[关键词] 粉煤灰； 环境； 危害； 综合利用

粉煤灰又称飞灰，是煤燃烧过程中从烟道气中排出被捕集器收集的灰状残留物[1-3]，是由结晶体和少量未燃烧的碳组成的复杂混合体，呈灰色或灰白色。目前煤作为我国的主要能源，随着燃煤发电的不断增加，煤灰的排放量也在不断增加。据估计全球每年粉煤灰的产量为7.5亿吨，利用率美国为39%，欧洲为47%，而全球仅有不到25%的粉煤灰是再利用[4， 5]，如何实现变废为宝，对粉煤灰的综合循环利用，是保护环境亟需解决的问题。目前粉煤灰广泛应用与建筑和建材、化工以及农业等方面。本文系统了介绍了粉煤灰的利用现状，以及应用过程中遇到的问题，并对粉煤灰的改性提出展望。

1 粉煤灰的组成和分类

粉煤灰的主要化学成分为SiO2、Al2O3、Fe2O3、MgO、CaO以及未燃尽的碳等，其中SiO2和Al2O3是粉煤灰中的主要成分和活性组分，能占到60%左右。与烟煤和无烟煤相比，褐煤燃烧产生的粉煤灰中含有的MgO和CaO较高、SiO2和Al2O3较低[6]。粉煤灰的化学特性取决于煤种、锅炉设备、除尘方法、除尘设备以及煤燃烧条件等[7]，当然不同地区、不同煤层以及不同燃烧温度产生的粉煤灰的组成也不同[8， 9]。美国ASTM根据粉煤灰中氧化物的含量，将粉煤灰分为F 类和C类两大类[10]：F 类：SiO2+Al2O3+Fe2O3≥70%，含钙较低（1～12%）的F类粉煤灰通常是由烟煤或无烟煤燃烧产生的，具有火山灰活性；C类：70%≥SiO2+Al2O3+Fe2O3≥50%，含钙较高（30～40%）的C类粉煤灰通常是由褐煤或次烟煤燃烧产生的，具有水硬性。按照粉煤灰的颗粒形貌可分为：玻璃微珠、海绵状玻璃体、碳粒[11]。

2 粉煤灰对环境的危害

粉煤灰对环境的危害主要表现在以下几方面：

2.1 占用土地，污染土壤

国内对粉煤灰的大批量处理主要是回填，而回填带来的主要问题是粉煤灰潜在的毒性对环境的长期影响，从而对地下水，土壤造成污染，破坏土壤结构。而且粉煤灰储量大、占地较多，造成土地利用率降低，曹良国[12]等研究了粉煤灰中元素的浸出特性对水体的影响，认为粉煤灰中毒性元素的含量较高，会导致土壤的板结和硬化，同时也会造成环境的污染。

2.2 污染大气、水源

粉煤灰在输送或堆放过程中遇刮风天气灰尘纷扬，这样既减低大气能见度又降低空气质量。随降水流入江河湖泊、地下水，造成水源混浊，形成的沉积物也会导致河床淤积或堵塞。而且粉煤灰中的重金属元素也会造成水体污染。贺玉晓[9]等研究分析了焦作电厂堆灰场浅层地下水中Cr6+离子的形成原因，主要是由于堆灰场粉煤灰中的Cr6+离子等污染物经冲灰水和降雨渗入地下造成的。

2.3 粉煤灰在被利用过程中对环境的后期影响

在粉煤灰利用过程中，仍会对周围环境产生影响，如生产建材制品，如果粉煤灰中放射性元素含量较高，会影响人体健康。利用粉煤灰改良土壤，部分有害元素会溶出，渗入土壤，被植物吸收。

3 粉煤灰的综合利用

3.1 粉煤灰在建材和建筑方面的应用

3.1.1 粉煤灰混凝土

大坝建设中，使用粉煤灰能节约大量水泥等材料，降低建设成本，且能达到工程设计要求。由于粉煤灰具有较大的比表面积和球状微珠效应，大坝建设中粉煤灰掺杂在混凝土中可以改善混凝土的性能，增强混凝土的后期强度[13， 14]。李成龙等[15]分析了不同掺量的粉煤灰对混凝土抗冻性、抗渗性及抗碳化性能等路用性能的影响。研究发现粉煤灰的掺杂量在30%～35%左右时，能显著增强混凝土的耐久性。

3.1.2 粉煤灰砖

以粉煤灰、水泥或生石灰为主要原料，掺入适量的石膏、颜料等，经坯料制备、压制成型，不同压力的蒸汽养护，可以制成不同工艺的粉煤灰砖，具有节约用地、节能减排、强度高、收缩性小等优点，已经广泛应用于建筑行业[16]。

3.1.3 粉煤灰水泥

粉煤灰可以代替粘土组分进行配料，用于水泥的生产，省掉了粘土用于熟化消耗的能量，经济效益和社会效益远远大于粘土。用其代替粘土时就有比传统水泥材料价廉易得、后期强度增长率大、干缩性小、和易性好等特点，故可降低产品成本，改善水泥某些性能。同时利用粉煤灰代替粘土，可以保护环境、变废为宝，有利于可持续发展[17]。

3.1.4 粉煤灰陶粒

粉煤灰陶粒是以85%左右的粉煤灰为原料，掺杂石灰、石膏等，经配料、成型、成球工艺加工成的人造轻质料。具有密度小、强度高、孔隙率高、导热系数低、化学性能稳定、节能环保等优点，可以广泛应用于建材、食品、园艺、化工、石油领域[9， 10， 17]。

3.1.5 粉煤灰在筑路方面的应用

道路建设中，粉煤灰可以代替基底材料填充路基，作为筑路的二灰混合材料修建路基，具有浸透性好、压缩系数小、抗冻等优点[9]，不仅有利于提高道路质量、降低工程造价，而且有利于环境保护和资源的合理利用[18]，同时能减轻软土层的负荷力，避免路基发生沉降，提高路基的稳定性[2]。

3.2 粉煤灰在化工方面的应用

3.2.1 吸附剂

粉煤灰多孔，比表面积大，具有很好的物理、化学吸附性能以及沉降作用。被认为能替代传统的吸附剂如活性炭、离子交换树脂等[19]，能够吸附、去除水中的悬浮物和重金属离子以及去除烟道气中的SO2等，因此在水处理和废气处理方面得到广泛的应用。

Aksu和Yener[20]研究发现粉煤灰可以替代活性炭对苯酚的吸附，吸附容量可以达到27.9mg/g。Berta N.Estevinho等[21]人研究利用粉煤灰吸附热电厂废水中的2，4-二氯苯酚和五氯苯酚的，结果发现使用固定床反应器去除效率可以达到99%。

王湖坤等[22]研究了粉煤灰-累托石颗粒吸附材料制备工艺条件、再处理含重金属废水的条件，分析发现累托石：粉煤灰= 1：1，焙烧温度为500℃。反应时间为60 min， 吸附温度为25℃时， Cu2+、Pb2+、Zn2+、Cd2+、Ni2+的去除率分别为98.9%、97.5%、96.7%、90.2%、79.1%，处理后的水符合国标（GB8978-1996）一级标准。

杨景等人[23]研究了粉煤灰吸附去除富营养化水中磷，发现粉煤灰能够很好地吸附富营养化水体中的磷，但是粉煤灰的吸附作用受吸附时间、pH 值影响比较大，去除率最高达99.44%。

在干式烟道气脱硫过程中，粉煤灰是一种廉价的吸附剂。Davini[24，25]研究发现用Ca（OH）2处理后的粉煤灰去除SO2的效果要比单用Ca（OH）2好得多，主要是处理后的粉煤灰颗粒的比表面积增大、活性增强。

3.2.2 合成沸石

粉煤灰的主要组成与沸石相似，都为SiO2和Al2O3，这也为粉煤灰转换为沸石提供了可能[26]。研究表明，合成的沸石同样具有很好的吸附和催化性能。铝硅比越高，阳离子交换能力就越强，对污水的净化和处理效果就越好[10]。徐国想等[27]分别采用碱熔法和水热合成法利用粉煤灰合成沸石，结果发现利用碱熔法合成的沸石纯度比较高，对污水中的Cr6+去除效果明显优于利用水热合成法合成的沸石。张宝华等[28]利用碱熔法合成粉煤灰沸石，然后用硫酸处理作为吸附剂能更好的去除城市污水中的NH4+。

3.2.3 粉煤灰作催化剂载体

催化剂的载体主要是一系列的金属氧化物如Al2O3、SiO2、TiO2和MgO等，而粉煤灰的主要成分是Al2O3和SiO2，这也为粉煤灰作催化剂载体提供了可能。同时粉煤灰孔结构丰富，比表面积大，用它作载体，可以有效的分散金属氧化物的活性组分。而且粉煤灰本身具有脱硫活性或催化性能，在一定程度上可以增大脱硫剂的硫容[29]。

张云怀等人[30]研究了以粉煤灰微珠为载体，采用溶胶凝胶法制备的TiO2光催化剂降解苯酚，发现焙烧温度在450～550℃范围内，光催化活性随温度升高而增强，达到700℃时几乎没有活性。

王少斌等[31]研究了化学处理对粉煤灰作载体的镍基催化剂在CO2甲烷化反应过程中的影响。结果发现用CaO处理镍基粉煤灰催化剂，可以显著提高反应的转化率和催化剂的稳定性。

3.3 粉煤灰在农业方面的应用

粉煤灰中的硅酸盐矿物质和炭粒具有多孔结构，是土壤本身的硅酸盐矿物质所不具备的。粉煤灰加入土壤中可以改善土壤的物理结构，降低土壤密度、增加土壤的通透性，活跃土壤微生物，有利于植物根部对营养物质的吸收和分泌物的排放[2，9]。大部分农作物适宜生长的PH是 6.5～7，因此可以用粉煤灰来改良土壤的酸碱性，这也是粉煤灰加到土壤中通过释放Na+、Al3+、Ca2+以及OH-提高土壤PH的原因[32，33]。

4 粉煤灰利用过程中的存在的问题

实践过程中有许多技术、经济、制度以及法律法规等因素制约着粉煤灰的合理利用。当然技术和经济两个因素并不是互斥的，追求技术同时也在考虑经济的可行性。主要存在以下几个问题，一是粉煤灰产量大，利用发展不平衡，导致利用率不高；二是粉煤灰高技术利用处于试验阶段，技术和工艺的实用性有待研究，与发达国家的差距大；三是脱硫粉煤灰的含量大，综合利用难度大。

5 结语

目前低技术利用仍然是粉煤灰综合利用的主要途径，大量的研究仍然处于实验室阶段。为了最大限度的提高粉煤灰的利用率，一些高技术开发利用途径还是很有必要探索的，以便实现商业化利用。如未燃尽的碳是粉煤灰的一个重要组成部分，通常情况下粉煤灰中未燃尽碳的含量为2%～12%，其含量与煤的燃烧程度密切相关。高含量的未燃尽的碳可以作为碳材料的原料加以合理利用，同时去除这部分碳对利用粉煤灰作吸附剂或合成沸石也是很有利的。

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