中國粉體網訊 我國是一個“多煤少油”的國家，煤炭是我國的主要能源之一。
在火力發電過程中，煤炭經1100～1700℃高溫燃燒后，絕大部分的可燃物在鍋爐內燒燼，而以灰分為主的不燃物與高溫煙氣摻雜，由于這類不燃物處在高溫環境中，部分發生熔融，又在表面張力的作用下形成很多微小的球形顆粒，隨鍋爐尾部引風機抽出，熔融的細粒因受到極冷而形成玻璃體狀態，最后通過除塵器的分離與收集，得到大小和形狀不規則、呈分散狀態的粉煤灰，又稱飛灰或煙道灰。
攝影│劉飛越
粉煤灰——“心肺之患”
據統計，1t原煤燃燒會生成200~300kg的粉煤灰，發電1kW·h耗費的原煤將產生100g左右的粉煤灰，早在2017年我國粉煤灰年產量便已經突破6.68億t。
由于大規模的粉煤灰堆積，導致土地被大量占據，這不僅對土壤的功能造成了影響，還導致了地下水的污染。此外，堆積的粉煤灰可能導致山體崩塌、滑坡以及泥石流等自然災害，進一步破壞了生態環境，且可能對呼吸道產生感染，對人體造成損害。
粉煤灰對環境的各種影響
可見，粉煤灰的堆積已成一大隱患。并且盡管我國的能源結構正在發生變化，但煤炭消費仍然很大，在未來幾年內，粉煤灰的排放依舊居高不下。因此，粉煤灰的處置已正成為一個備受關注的問題，如何實現粉煤灰的高附加值回收利用，實現綠色循環經濟，成為了目前學術界研究的熱門課題。
粉煤灰里有寶貝
粉煤灰根據煤炭燃燒方式的不同，可以分為兩類:一類是在高溫(1300℃以上)下，煤炭燃燒產生的飛灰，主要由結構緊密、化學性質穩定的礦物質如莫來石和剛玉組成。另一類是在低溫(1000℃以下)下，煤炭燃燒產生的飛灰，主要由未燃燒的炭以及無定形的高嶺石和石英等晶態物質組成。
粉煤灰的化學組成
我國不同產地粉煤灰的化學成分如下表所示。可以看出，粉煤灰的主要化學成分是Al2O3和SiO2，質量分數約占75%以上，還含有其他少量的金屬氧化物。
粉煤灰的主要成分（%）
粉煤灰的礦物相組成
按照是否為晶相進行分類，礦物成分可分為晶相物質與非晶相物質。粉煤灰中的非晶相物質主要包含玻璃體以及燃燒后殘留的碳，這其中玻璃體使得粉煤灰具有活性；晶相物質主要包含石英、莫來石、石灰，還有少量的赤鐵礦、磁鐵礦、鈣長石等。此外，粉煤灰的礦物組成受煤源、燃燒條件等因素影響而發生變化。
粉煤灰的礦物相組成
粉煤灰理化性質
粉煤灰外觀和水泥相似，顏色隨含鐵量和殘余碳量的不同而變化，大部分呈灰色。粉煤灰顆粒可為菱狀、球狀或多孔的不規則形狀，多為圓球狀，比表面積為0.2～0.4m2/g，孔隙率達50%～80%。由于粉煤灰的多孔結構和球形粒徑，松散狀態下具有很好的滲透性，其滲透系數是黏性土的數百倍，其較大的比表面積和較高的孔隙率使得粉煤灰具有較高的吸附活性。
粉煤灰密度在1.9～2.9g/cm3，是由二氧化硅玻璃球組成的微細顆粒集合體。粉煤灰細粒根據形狀可分為球形顆粒與不規則顆粒，球形顆粒根據在水中沉降性能差異，又分為飄珠、輕珠和沉珠；不規則顆粒包括多孔狀玻璃體、多孔碳粒以及其他碎屑和復合顆粒。粉煤灰中含有0.2%～1.1%的空心微珠(密度僅為1.4g/cm3)，堆積密度為0.55～0.80g/cm3。另外，粉煤灰最大吸水量為417～1038g/kg，需水量比約為106%。
粉煤灰綜合利用，爛泥扶上墻
建材及建工領域
早在20世紀30年代，粉煤灰就已經開始被應用于建筑行業。研究表明，近年來，我國粉煤灰在資源化利用過程中用于建材及建工領域的占比最大，這其中主要用于水泥及混凝土制備、墻體材料制作、微晶玻璃制作、筑路工程、水利工程等領域。
粉煤灰的主要建材化利用途徑
（1）水泥熟料
利用粉煤灰生產水泥熟料是早期國內外粉煤灰綜合利用途經之一，粉煤灰的化學組成與黏土（主要為SiO2和Al2O3）相似，因而可替代黏土進行水泥生料組分配伍，用于水泥熟料生產。粉煤灰中的殘余碳可在熟料燒制過程中作為燃料，從而減少燃料的消耗。
粉煤灰燒制水泥工藝流程
與傳統燒制水泥工藝相比，粉煤灰配料燒制水泥熟料工藝的燒成溫度可降低80～100℃，且相比黏土制成的硅酸鹽水泥，粉煤灰水泥具有質地細膩、不易開裂、干燥收縮率低、水化熱低、抗硫酸鹽性能好等優勢。
（2）水泥或混凝土摻合料
粉煤灰還可取代水泥熟料，用作水泥或混凝土摻合料，從而降低水泥熟料的消耗，同時提高混凝土的流動性、力學性能與耐久性能。
粉煤灰用作水泥或混凝土摻合料研究現狀
粉煤灰與水泥水化反應機理
（3）功能化混凝土
為滿足日益復雜的工程需求，需要通過調控添加劑種類和成分配比來實現混凝土的性能優化，實現混凝土的高強度、高性能和多功能化發展。摻入粉煤灰可以制備功能化混凝土，如超高性能混凝土、自密實混凝土、泡沫混凝土及加氣混凝土等。
粉煤灰基功能性混凝土工藝流程
（4）粉煤灰磚
我國房屋墻體材料70%以上用的是黏土磚，黏土磚的生產與利用具有較高的能耗。粉煤灰磚由粉煤灰、沙子和水泥或石灰作為黏結材料組成，具有輕質，抗壓強度高，耐久性好，制作簡單等優點。在施工過程中，增加粉煤灰磚的使用，可降低工程預算、減輕勞動強度、提高工程效率、縮短工期。
（5）輕骨料、陶瓷玻璃材料
利用粉煤灰生產人造輕骨料和陶瓷玻璃等制品，具有成本低廉、性能優異、輕質、導熱系數小、熱穩定性強等特性，利用價值較高。
粉煤灰陶粒以粉煤灰為主要原料(占85%左右)，摻入適量石灰(或電石渣)、石膏、外加劑等，通過混勻、成球、焙燒或養護(免燒)制備而成的一種人造輕骨料。粉煤灰陶粒具有輕質(堆積密度<1000kg/m3)、高強(抗壓強度一般1.5～15MPa，高強粉煤灰陶粒可達25～40MPa)、多孔、保溫隔熱、抗酸抗堿、抗凍抗震等優良性能，已廣泛應用于建筑建材、環保、生態、化工等領域。
使用粉煤灰以及碎玻璃制成的泡沫玻璃，具有質量輕、剛度高、抗變形、保溫隔熱等優點，其形狀可按照實際工程使用需求定制，實用性廣。
以粉煤灰為原料制備的新型泡沫陶瓷，在燒結過程中會經歷自發泡反應，經1200°C燒結得到的泡沫陶瓷具有完全封閉孔結構，同時粉煤灰中內源有害重金屬被封裝于玻璃相中，重金屬浸出遠低于標準限值。
（6）輕質耐火保溫材料
粉煤灰高溫性能穩定，粉煤灰中的SiO2和Al2O3是其耐高溫的主要來源，其耐火度高達1610～1630℃，可用于制備輕質耐火材料。在建筑材料中摻入適量的粉煤灰可有效改善其耐高溫性能。以粉煤灰為主要原材料，摻入適量的煤矸石和鋁灰，通過高溫燒結可以制備出粉煤灰基耐火建筑材料，抗壓強度可達33.6MPa，耐1200℃高溫，制品的力學性能和使用性能較好。
有價組分的提取
粉煤灰中含有硅、鋁、鐵、碳、鎵、鍺等多種有用元素，利用粉煤灰為原料提取有價元素是實現粉煤灰高附加值利用的重要途徑，也是粉煤灰綜合利用的主要研究方向。
（1）提取氧化鋁
鋁和鋁合金及精細氧化鋁產品因優異的特性被廣泛應用于國民經濟生活的方方面面，包括交通運輸、建筑、機械制造、電子等領域。經過多年發展，我國已成為全球第一大鋁產品生產國和消費國。
然而相對于龐大的消費量，在原料端，我國鋁土礦資源匱乏且品位低，可露天開采的鋁土礦不多，作為鋁消費大國，每年都需進口大量的鋁土礦，對外進口率長期在40%~50%。粉煤灰中大量的氧化鋁，尤其高鋁粉煤灰中Al2O3的含量可達50％，接近中等品位鋁土礦中的含量，因此可以作為非鋁土礦資源生產Al2O3。所以，在粉煤灰綜合利用中提煉氧化鋁，能有效緩解國內鋁土礦資源緊張的形勢。
（2）提取SiO2
粉煤灰中SiO2的含量大都在40%以上，是豐富廉價的硅源載體。作為粉煤灰中含量較多的成分之一，加強硅基產品的開發，能夠有效擴大粉煤灰資源化利用途徑，從而提高粉煤灰的資源化利用價值。目前針對粉煤灰制備硅基材料的研究還較少，主要集中在制備白炭黑、二氧化硅氣凝膠等方面。
（3）鎵的提取
粉煤灰中的鎵主要賦存于玻璃相中，可以通過直接酸浸的方式來分離，鎵會以配合物的形式存在于浸出液中，但鎵的回收率較低。
（4）鋰的提取
隨著鋰需求的持續增加，從粉煤灰、含鋰廢渣等固體廢棄物中回收鋰已成研究熱點，從粉煤灰中分離鋰的技術主要為酸法浸出。
粉煤灰中提取Li工藝流程圖（a）硫酸焙燒法（b）碳酸鈉燒結法
（5）稀土元素的提取
稀土元素包括鑭系元素(ＲEE)、鈧(Sc)和釔(Y)共17種元素，能與有色金屬等組成一系列高科技新型功能材料。稀土氧化物在高鋁粉煤灰中的含量達800～900μg/g，而傳統離子吸附礦床的工業品位為600～1500μg/g，因此從粉煤灰中回收稀土金屬潛在價值極大。主要分離技術有酸法、酸堿聯合等方法。
制備鋁硅復合材料
粉煤灰中Al2O3和SiO2的總含量很高，有的甚至可以達到80%以上，因此除了開發氧化鋁、二氧化硅產品外，高附加值的硅鋁復合材料的制備也是粉煤灰綜合利用的關鍵。
（1）沸石分子篩
粉煤灰在組成上與分子篩十分接近，為其成為合成分子篩的原料提供了可能。以粉煤灰為原料合成沸石分子篩，不僅能夠提高粉煤灰的利用價值，而且能夠降低分子篩的生產成本，有利于加快其工業化進程。
（2）地質聚合物
地質聚合物是由硅氧四面體和鋁氧四面體所構成的網格狀聚合體，具有環保、能耗低、耐久性好等特點，是水泥的良好替代品。利用粉煤灰制備地質聚合物也是近年來研究的一個熱點。
（3）微晶玻璃
微晶玻璃是一種獨特的新型材料，其集中了玻璃和陶瓷的特點，主要是由天然礦物制備而成，生產成本較高。Al2O3和SiO2是硅鋁酸鹽類微晶玻璃的重要組成部分，而粉煤灰的礦物組成則主要就是鋁硅玻璃體，因此，粉煤灰是制備微晶玻璃的理想替代原料。
農業方面的應用
粉煤灰在農業方面的應用主要是通過改善土壤的理化性質，對黏質、酸性土壤進行改良。在寧夏農墾賀蘭山農牧場的一項研究結果顯示，未改良的對比田畝產248kg，加了3t粉煤灰基改良材料的稻田，畝產高達719.5kg，比沒有改良的稻田的畝產（248kg）增加了近2倍。
環境保護領域
粉煤灰在環境保護領域主要用于改善水質，處理煙氣中的有害成分，還用于礦井回填工程。根據粉煤灰獨特的多孔結構和超大的比表面積，可將其用于吸附空氣或污水中的有害組分；根據粉煤灰的粒度分布及火山灰特性，可將其用于礦井回填，避免開采后的礦井發生塌陷。
小結
在粉煤灰綜合利用方面，日本是全球粉煤灰綜合利用率最高的國家，利用率將近100%；其次為歐盟15國，綜合利用率約92%；韓國、美國粉煤灰綜合利用率分別達到85%、60%。根據國家發展改革委統計，2020年我國粉煤灰綜合利用率為78%，且我國粉煤灰的利用仍然以建材為主，產品附加值較低，雖然眾多高等院校、科研單位開展了大量高值化資源化利用技術研究，但大部分并未深度結合產業實際情況，新技術、新成果由于成本高、工藝復雜等原因，不適于工業化生產，能夠實現商品化、產業化的技術項目少。
因而，發展實用性強的高附加值利用技術是我國目前粉煤灰綜合利用的主要發展方向。
參考來源：
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[2]馮葉等.粉煤灰提取氧化鋁工藝的研究進展
[3]王衛江等.從粉煤灰提取氧化鋁的技術現狀及工藝進展
[4]張宇娟等.高鋁粉煤灰提取氧化鋁工藝研究進展
[5]張力等.粉煤灰綜合利用進展及前景展望
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[7]袁鵬.我國粉煤灰綜合利用現狀及發展趨勢
[8]柴磊等.粉煤灰資源化利用研究進展
[9]王麗萍等.粉煤灰中鋁硅資源化利用研究進展
[10]時雅倩等.粉煤灰建材化增值利用：最新技術與未來展望
（中國粉體網編輯整理/山川）
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