粉煤灰的危害及其利用現(xiàn)狀

崔家新，王連勇，何 艷，李 堯，王 睿，韓建麗

（東北大學冶金學院，沈陽 110819）

粉煤灰是燃煤火力發(fā)電過程中，細磨煤在1 200～1 700 ℃的燃煤爐中燃燒后產(chǎn)生的主要燃燒殘留物，它是由原料煤中存在的各種無機和有機成分產(chǎn)生的。高溫燃燒過程中的不可燃物質(zhì)發(fā)生熔融、冷卻等變化，最終形成玻璃態(tài)的球形顆粒。最后，這部分顆粒（粉煤灰）會在煙氣排出前被靜電除塵器、布袋除塵器或旋風分離器等清潔設(shè)備捕獲收集下來。

粉煤灰一般以球形顆粒的形式存在，質(zhì)地疏松，且表面存在大量微孔。顆粒有大有小，直徑介于0.01～100.00 μm，比表面積大，因此粉煤灰具有較高的潛在活性和吸附特性。粉煤灰的產(chǎn)生不僅與原煤的種類和燃燒條件有關(guān)，還取決于燃燒方式、運行條件、收集方式等。在這些因素的影響下，粉煤灰的物理化學性能具有較大的變化，通常在一定范圍內(nèi)波動。其密度一般介于1.9 ～2.9 g/cm，比表面積一般介于0.2～0.4 m/g。

粉煤灰是復(fù)雜的混合物，具有獨特、多組分、非均質(zhì)且可變的組成，其礦物相組成通常包括90%～99%的無機成分、1%～9%的有機成分和小于0.5%的流體成分。無機成分的一部分由非晶（無定形）物質(zhì)組成，包括不同形態(tài)的玻璃質(zhì)；另一部分由晶體物質(zhì)組成，包括晶體顆粒和各種礦物的聚集體。有機成分主要為焦炭物質(zhì)、有機礦物及其團塊。流體成分包括液體（水分）、氣體和氣液混合物，它們與無機物和有機物都有關(guān)。

1 粉煤灰的危害

粉煤灰是一種會對環(huán)境安全造成威脅的固體廢棄物。通過粉煤灰的形成過程可知，固體顆粒隨同煙氣一起排向爐膛尾部，在這個過程中，煙氣中大量的有毒元素和重金屬元素發(fā)生聚積，其中還可能含有一小部分的放射性物質(zhì)。粉煤灰在這個過程中發(fā)生熔融并變?yōu)椴ＡB(tài)，不可避免地會含有這些元素。隨著火力發(fā)電總量的增加，我國粉煤灰的年排放量逐年增加，數(shù)量巨大，一些粉煤灰尚未得到利用。如果不能妥當處理大量累積的粉煤灰，將會對環(huán)境造成不利影響。其危害主要體現(xiàn)在四個方面。

1.1 土壤污染

為了解決每年產(chǎn)生的大量粉煤灰，我國需要用大量土地來進行堆存或者填埋處理。數(shù)據(jù)表明，我國每年會用27 000 hm的土地堆存或者填埋這種固體廢物。這些土地不再用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，也不能作為其他用途使用，只作為粉煤灰的儲存地，失去了其價值和經(jīng)濟性，是一種資源上的浪費。此外，進一步考慮時間的流逝和雨水的沖淋，粉煤灰中的有毒有害物質(zhì)還可能會滲到地下，破壞原本土壤的元素組成、質(zhì)地類型和結(jié)構(gòu)層次等。

1.2 水體污染

粉煤灰主要通過兩種方式污染水體。其一，大量粉煤灰通過電廠濕法處理后直接排放，而部分儲存在灰廠的粉煤灰可能會在風力作用下在空中擴散，落入附近的湖河中形成沉淀物，造成水體的直接污染，破壞生態(tài)。其二，粉煤灰顆粒及本身含有的有害物質(zhì)會在雨水的沖淋作用下滲入儲灰廠周邊的淺層地下水和地表水中，造成水質(zhì)惡化以及水生生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的破壞，導(dǎo)致嚴重的污染。

1.3 大氣污染

粉煤灰的顆粒直徑一般在微米級，徑小質(zhì)輕，因此風一吹便會使粉煤灰懸浮在空中。當風強度大于四級時，粉煤灰可飄揚20多米，最高甚至能達到50 m。這將直接造成環(huán)境能見度降低和空氣質(zhì)量變差，甚至可能會導(dǎo)致區(qū)域性空氣重度污染。

1.4 人體健康

粉煤灰中的一些有毒有害物質(zhì)能夠向外輻射能量、發(fā)出射線，這些物質(zhì)如果沒有得到妥善的處理，最終會通過土壤、水、空氣和其他介質(zhì)進入人體。人們長期食用在受污染土壤中生長的蔬菜，飲用含有害有毒元素的水，呼吸被污染的空氣，將會對身體健康造成很大的危害。

因此，有效利用粉煤灰資源并嘗試進行循環(huán)利用對減少環(huán)境污染非常重要。找到一種粉煤灰利用的有效方法，將帶來巨大的經(jīng)濟和環(huán)境效益，促進能源工業(yè)的發(fā)展。

2 粉煤灰的利用

數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示，2019年，我國重點發(fā)表調(diào)查工業(yè)企業(yè)的粉煤灰產(chǎn)生量為5.4億t，綜合利用率為74.7%。一些發(fā)達國家通過將粉煤灰資源化、商品化來擴大粉煤灰的應(yīng)用領(lǐng)域，部分國家對粉煤灰的利用率為80%～90%，甚至做到100%的利用。而我國目前對粉煤灰的利用還主要集中在低值化利用領(lǐng)域，如建筑、農(nóng)業(yè)等行業(yè)，因此尋求一些高值化的利用途徑對固體廢物處理和環(huán)境改善都至關(guān)重要。

2.1 建筑材料

粉煤灰的主要利用方式之一就是將其制作成建筑材料，包括水泥、混凝土、燒結(jié)磚、砌塊等。這部分利用量占總利用量的比例為80%～90%。盡管建材工業(yè)方面的應(yīng)用是對粉煤灰低附加值的簡單再利用，但因其制備的材料質(zhì)量高、成本低、用量大，因而這種方式在建材工業(yè)方面得到廣泛的應(yīng)用。

2.1.1 粉煤灰水泥

粉煤灰可以作為生產(chǎn)水泥的原料得到利用，因為其成分與黏土成分相近。生產(chǎn)水泥時需要加入一些煤，其間可以加入粉煤灰來減少加入的煤量，達到降低碳排放的目的。這是因為在粉煤灰的形成過程中，原料煤的不充分燃燒導(dǎo)致粉煤灰中有一些殘余的碳。與以黏土為原料生產(chǎn)的硅酸鹽水泥相比，粉煤灰水泥具有質(zhì)地細密、不易裂開產(chǎn)生縫隙、失水干燥后收縮現(xiàn)象不明顯、水化熱偏低、膠砂流動度大和耐硫酸鹽性能好等優(yōu)點。萬治華等在水泥與水反應(yīng)中摻用粉煤灰，有效改善了水泥的抗蝕性、耐熱性等性能。

2.1.2 粉煤灰混凝土

粉煤灰具有火山灰活性，可以用作混凝土生產(chǎn)中的礦物添加劑，以達到改善混凝土變形性、耐久性，增大其強度，降低干燥收縮性等目的。為了探究粉煤灰對混凝土失水干燥后收縮程度的影響，陳波等對此進行探索。試驗結(jié)果表明，粉煤灰的摻加對混凝土收縮有較好的抑制作用，并且越到后期作用越顯著。汪瀟等考慮到與水泥混凝土相比，大摻量粉煤灰混凝土中含有較多的粉煤灰，早期硬度低，后期強度增長率大，因此集中研究了較長養(yǎng)護齡期下不同摻加量的粉煤灰混凝土的性能變化。結(jié)果表明，這些混凝土的后期強度、抗碳化能力都明顯升高。

2.1.3 粉煤灰磚

傳統(tǒng)燒結(jié)黏土磚的生產(chǎn)不僅會排放大量溫室氣體，還會導(dǎo)致資源枯竭和生物多樣性的喪失，而粉煤灰的摻入不僅降低了固體廢物的處理成本，還減輕了各種環(huán)境負擔。粉煤灰磚與燒結(jié)黏土磚外觀相似，但性能更優(yōu)，其質(zhì)量小、抗破壞能力強、保溫隔熱性好。另外，粉煤灰磚較低的制造周期和產(chǎn)品成本使其適合大規(guī)模生產(chǎn)和利用。

2.2 農(nóng)業(yè)方面

粉煤灰是煤炭燃燒的副產(chǎn)品，因其中含有微量有毒元素Cd、Cr、Ni、Pb和有機化合物多環(huán)芳烴、多氯聯(lián)苯等而被認為是一種固體廢物。但粉煤灰中含有Si、Al、Ca、Mg、K以及S、Zn等植物所必需的元素，直接妥善利用粉煤灰作為土壤改良劑，將會有效地補充土壤養(yǎng)分、調(diào)整土壤pH，還能改良土壤的其他物理條件（包括質(zhì)地、持水、排水等能力），為種植農(nóng)作物創(chuàng)造良好的土壤環(huán)境。ADRIANO等通過研究證實了粉煤灰的使用有效增加了植物的有效含水量和土壤的持水能力。這主要是因為粉煤灰的比表面積大，增加了土壤的微孔細度，從而提高了保濕能力。研究發(fā)現(xiàn)，粉煤灰磁化后可得到磁性粉煤灰肥料。將其與土壤混合，在磁性顆粒周圍產(chǎn)生局部磁場，激活微量元素，能夠改善土壤組分和結(jié)構(gòu)類型。這種肥料效果更強，可以減少其用量。如上所述，粉煤灰已經(jīng)可以作為肥料施用到土壤中，以增加農(nóng)作物的產(chǎn)量。但粉煤灰中有助于植物生長的養(yǎng)分通常很少，肥效不夠明顯。粉煤灰復(fù)合肥料通過混料和化學合成兩步制成，其養(yǎng)分含量高，既可以滿足作物生長的需要，又可以顯著提高產(chǎn)量。

2.3 環(huán)境保護

粉煤灰內(nèi)部是硅氧和鋁氧四面體的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，具有潛在的低成本吸附能力。因此，粉煤灰可用于吸附廢水中的Cr、Ca、Pb等金屬離子、有機化合物、染料以及空氣中的SO、NO等。其吸附效果好、成本低，被廣泛應(yīng)用。此外，粉煤灰含有磁性顆粒，具有一定磁性，可以用作吸附劑中的磁性添加劑。為了提高其吸附能力，要對粉煤灰進行化學改性處理，通常采用的方法有酸改性、堿改性、鹽改性等。

2.4 高價值利用

2.4.1 提取氧化鋁

隨著鋁土礦資源的減少以及環(huán)境保護意識的增強，富含氧化鋁的粉煤灰被視為鋁土礦的潛在替代品，極具應(yīng)用前景。在過去的幾十年中，我國已經(jīng)進行了許多從粉煤灰中提取和回收氧化鋁的嘗試，近年來已開發(fā)出許多方法實現(xiàn)粉煤灰中氧化鋁的回收，主要可分為酸浸和燒結(jié)兩類。酸浸法主要包括鹽酸酸浸和硫酸酸浸，設(shè)備要求較高，導(dǎo)致生產(chǎn)成本也較高。燒結(jié)法主要包括石灰石燒結(jié)和石灰蘇打燒結(jié)，石灰石燒結(jié)工藝是最早成功提取氧化鋁的技術(shù)，也是第一個實現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用的技術(shù)。

2.4.2 合成沸石分子篩

作為重要的無機微孔材料，沸石廣泛用于催化、洗滌添加劑和吸附等工業(yè)領(lǐng)域。粉煤灰具有密度小、比表面積大和晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定等特點，具有優(yōu)異的吸附能力。以粉煤灰為原料合成沸石經(jīng)過幾十年的研究，已經(jīng)發(fā)展得比較成熟。

2.4.3 制備微晶玻璃

微晶玻璃是一種力學性能較優(yōu)、由多個單晶顆粒與晶界構(gòu)成的固體材料，它是由適當?shù)某煞纸?jīng)過熱處理后形成的能量較低的結(jié)晶狀態(tài)。燃煤灰渣、鋼鐵生產(chǎn)爐渣、污泥、煤矸石及其混合物的主要成分均為硅鋁酸鹽，可以用于生產(chǎn)微晶玻璃。上述原料中，粉煤灰排放量巨大且顆粒細小，活性高，有利于微晶玻璃的制備。其制備方法是以粉煤灰為主要原料，在恒溫下熔融再結(jié)晶。結(jié)晶過程是一個非均相轉(zhuǎn)化的過程，包括成核和生長兩個階段?？紤]到原料組成和制備工藝，許多研究表明，將硅酸鹽廢料轉(zhuǎn)化為有用的微晶玻璃產(chǎn)品是可以成功實現(xiàn)的。

3 結(jié)論

近年來，國家對粉煤灰的利用日趨增加，利用方式多種多樣，但依然存在部分問題。一是粉煤灰的資源化利用依然主要停留在低附加值利用層面，應(yīng)加大對其工業(yè)化高值利用途徑的探索；二是不同地區(qū)的粉煤灰受燃燒條件、燃煤種類等因素的影響，內(nèi)部品質(zhì)存在明顯差異，如何利用好不同地區(qū)粉煤灰的不同特質(zhì)是今后研究的熱點；三是利用粉煤灰合成沸石等高附加值吸附劑的優(yōu)點尤為突出，特別是在如今碳達峰、碳中和的背景下，其作為處理CO的新型材料，有著低成本、高性能的顯著優(yōu)勢，盡早實現(xiàn)工業(yè)化是未來該領(lǐng)域發(fā)展的趨勢。