粉煤灰综合利用研究进展

摘要:介绍了粉煤灰的物理化学性质,综述了粉煤灰在建材制造、建筑工程、道路工程、农业、废水处理和催化反应中的应用现状以及未来的应用前景。

关键词:电厂;粉煤灰;综合利用

中图分类号:X701. 2 　　　　　文献标识码:B 　　　　　文章编号:1009 - 4032(2006) 02 - 0042 - 03

粉煤灰俗称飞灰,是火力发电厂的废弃物,即煤粉在1 500 ℃～1 700 ℃下燃燃后,由烟道气带出并经除尘器收集的粉尘。据统计,每燃烧1 t 煤就能产生250～300 kg 的粉煤灰和20～30 kg 的炉渣。近年来随着电力工业的迅速发展,电厂粉煤灰的排泄量不断增加。2000 年粉煤灰年排放量1. 53 亿t ,2005年预计达到3 亿t 以上。粉煤灰不仅占用大量耕地,消耗大量冲灰用水,而且粉煤灰的二次扬尘对生态环境造成了严重的危害。近年来随着国际性能源供需矛盾加剧和对环境保护越来越高的要求,长期被作为固体废弃物的粉煤灰成为人们综合利用的研究对象,并取得了一定的成就。美国、欧盟等国家粉煤灰的利用率达到了70 %～80 %[1 ] ,目前我国粉煤灰的利用率仅为40 %左右,远远落后于欧美发达国家。所以,加强粉煤灰开发利用的研究工作,不仅可减少环境污染,而且可以造福全社会。

1 　粉煤灰的物理化学性质

粉煤灰是一种高分散度的集合体,是人工火山质材料。它由大小不等、形状不规则的粒状体组成,其粒径在0. 5～300μm 之间。我国粉煤灰的平均容重为783 kg/ m3 ,平均密度为2. 14 g/ cm3 。在粉煤灰的形成过程中,由于表面张力作用,粉煤灰颗粒大部分为空心微珠,微珠表面凹凸不平,极不均匀,微孔较小;一部分因在溶融状态下互相碰撞而连接成为表面粗糙,棱角较多的蜂窝状粒子,正是基于此,粉煤灰具有非常大的比表面积,一般为1 600～3 500cm2/ g ,需水量比约为106 %。

粉煤灰的主要化学成分是SiO2 、Al2O3 和Fe2O3 ,另外还含有未燃尽的碳粒、CaO 和少量的MgO、Na2O、K2O 等。这些化学成分主要以玻璃体、海绵状玻璃体、石英、氧化铁、碳粒、硫酸盐、云母、长石、石灰、氧化镁、石膏、硫化物、氧化钛等矿物的形式存在。矿物组成一般是玻璃体占优势,质量分数最高可达85 %以上,矿物结晶体则较少。其活性主要取决于非晶态的玻璃体成分及其结构和性质,而不取决于结晶矿物。

2 　粉煤灰的主要用途

2. 1 　建材制品和建设工程方面的应用

粉煤灰在建材制品上的应用约占总用灰量的45 % ,主要技术有:粉煤灰水泥(掺量30 %以上) ,代粘土做水泥原料,普通水泥(掺量30 %以下) ,加气混凝土砌块及板,烧结陶粒,烧结砖,蒸压砖等。粉煤灰具有和粘土相类似的化学成分,它可以代替粘土生产水泥[2 ,3 ] 。已研制出硅酸盐水泥、硅酸三钙水泥、硫酸铝酸钙水泥等, 有的粉煤灰掺量可达75 %。由于粉煤灰中含有一定量的未燃烧碳粒,所以用粉煤灰配料还能节省燃料。用粉煤灰代替部分粘土烧制的砖,与普通砖相比,其优点为: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;产品使用时与烧结普通砖完全相同,便于应用;对用于烧砖的粉煤灰质量要求较低,化学成分无特殊要求;粘土塑性指数越高,可掺入粉煤灰的比例越大。粉煤灰加气混凝土是用粉煤灰、石灰、水泥、石膏为主要原料制成的一种多孔新型建设材料,它可以根据需要制成不同容重、不同强度的砌块、面板和墙板,满足不同用途的需要,具有轻质、绝热、耐火等优良性能。加气混凝土砌块可以用做屋面保温、维护墙、隔断墙,亦可做承重墙,特别适用于高层建筑填充墙,寒冷地区的外墙和地震区使用,可大大减轻墙重,增加使用面积。目前全国已有37 个粉煤灰加气混凝土厂,生产能力为300 万m3/ a 左右。

2. 2 　用于道路工程

粉煤灰在道路工程中作为填筑材料使用,是大用量、直接利用的一种重要途径,用灰量占利用总量的20 %。国内外已广泛应用于道路路堤和广场、机场、港区的地基,以及用于拦水坝和地貌改造等工程。用粉煤灰、石灰及其他掺入材料(碎石) 按合适的比例、最佳含水量、合理的工艺制成的混合料可修筑道路基层和代替土修筑路堤。粉煤灰石灰类混合料是一种缓凝性的硅酸盐材料,用它铺筑的道路基层将会结成整体层。这种混合料适用于修筑道路基层、底基层。上海的沪嘉、莘松高速公路及河北省石安高速公路等都大量使用了粉煤灰修筑路堤。

2. 3 　农业应用

粉煤灰的农用具有投资少、用量大、需求平稳、潜力大等特点,是适合我国国情的重要综合利用途径。目前,我国粉煤灰在农业应用方面的研究主要为改良土壤[4 ] ,制作磁化肥、微生物复合肥等。粉煤灰的颗粒组成使它可用作土壤改良剂,粉煤灰中的硅酸盐矿物和碳粒具有多孔性,是土壤本身的硅酸盐类矿物所不具备的。将粉煤灰施入土壤,能进一步改善空气和溶液在土壤内的扩散,从而调节土壤的温度和湿度,有利于植物根部加速对营养物质的吸收和分泌物的排出,不仅能保证农作物的根系发育完整,而且能防止或减少因土温低、湿度大引起的病虫害。粉煤灰掺入粘质土壤,可使土壤疏松,降低土壤容重,增加透气透水性,提高地温,缩小膨胀率;掺入盐碱土,除使土壤变得疏松外,还有改良土壤盐碱性的功能。荆门电厂利用粉煤灰填充低洼地然后覆土造田,每年用灰量51 万t [5 ] 。

粉煤灰磁化复合肥是利用粉煤灰为填充材料,加入适当比例的营养元素,经电磁场加工制成的,它不但保持了化肥原有的速效养分,还添加了剩磁,两者协同作用肥效更高。利用粉煤灰制作的磁化复合肥对蔬菜和各种农作物均有显著的增产作用[6 ,7 ] ,经济效益良好。

粉煤灰具有一定的吸附性,可与城市污泥、粪尿或作物秸杆等有机物混合后进行高温堆肥[8 ] ,既可显著减少病原体数量,又可降低重金属的浓度和活性,创造有利于微生物生存的条件。生产无害全营养复合肥料,既能解决我国无机化肥和微肥品种少,营养不全,造成土壤板结、碱化、营养失调及农作物变异的矛盾,又能解决有机肥肥效低和造成环境污染的突出难题。

2. 4 　从粉煤灰中提取矿物和高值利用

这部分用灰量约占利用总量的5 %。根据粉煤灰中化合物的化学性质,利用多种化学反应,目前已提取出铝、锗、镓、银、镉、铀等多种金属。铁矿物很容易用磁选方法回收,一般除铁率在50 %～60 %。铝的量很大,已开发出酸浸法(氢氟酸、盐酸、硫酸、硝酸、有机酸等) 、碱性烧结法以及高温氧化法等技术。可用电热法制取硅铝钡铁合金,这是粉煤灰综合利用的一条可行途径。粉煤灰中部分具有工业价值的稀有元素通常在细粒飞灰中富集,若达到工业品位,可予以提取利用。

粉煤灰中除少量未燃尽煤和磁性铁外,其余的大部分物质具有良好的机械性能、化学稳定性及绝缘性能,可用作廉价的填料。但粉煤灰属于亲水性无机矿物质,需进行改性处理,使之能均匀稳定地分散于有机基质中与基体牢固结合,可作表面改性的有偶联剂。经过处理的粉煤灰可部分或全部替代轻质炭黑、白炭黑、轻质碳酸钙等常规橡胶填料。

2. 5 　粉煤灰在环境治理中的应用

粉煤灰具有比表面积大、孔隙多、吸附性能好等特点,可用于处理各种工业污水[9 ] 。当粉煤灰与工业废水接触后,能吸附废水中的有机和无机等污染物,直到达到吸附平衡为止。吸附包括物理吸附和化学吸附。物理吸附效果取决于粉煤灰的多孔性及比表面积; 化学吸附主要是其表面大量的Si2O2Si键、Al2O2Al 键与具有一定极性的分子产生偶极2偶极键的吸附,或是阴离子与粉煤灰中次生的带正电荷的硅酸铝、硅酸钙、硅酸铁之间形成离子交换或离子对的吸附。粉煤灰所含的Al3 + 、Fe3 + 具有絮凝沉淀作用,与粉煤灰构成吸附絮凝沉淀。周珊[10 ]等人用粉煤灰处理冶金含油废水,灰水质量比为1∶10时,除油效果最好,油去除率达到了95. 43 %。粉煤灰对含有有机活性染料废水的色度脱除也有很好效果[12 ] 。使用粉煤灰处理印染纺织废水[11 ] ,COD 去除率一般在85 %左右,色度去除率高达95 % ,对悬浮物的去除效果最好,为96. 6 %。

另外,粉煤灰中含有的沸石、碳粒等无机离子有交换特性和很强的吸附脱色作用, 它对含铜[12 ] 、铬[13 ] 、氟[14 ]无机离子的污染物具有很好的去除作用。总之,粉煤灰可制成絮凝剂,高分子筛和过滤介质等,对造纸、电镀、印染、中草药等行业产生的废水具有一定的净化作用,还可利用不同pH 值的粉煤灰处理酸性和碱性废水。利用粉煤灰处理污水不仅处理效果好,运行稳定,而且费用特别低,是一种非常好的废水处理材料。

2. 6 　粉煤灰在催化反应中的应用

粉煤灰作为化学反应催化剂的研究已经有了一定的进展。罗道成[15、16 ]等人利用粉煤灰作为非均相催化剂,催化H2O2 和NaClO 氧化CN- ,试验结果表明,粉煤灰具有较好的催化活性,该法可用于预处理焦化、制革、电镀行业中含CN- 的工业废水。古绪鹏[17 ]等人以粉煤灰、活性剂、硫酸为原料经活化、陈化、浸泡、焙烧等制得了固体酸催化剂,并应用于草酸二乙酯的合成,取得了良好的催化效果。

3 　结语

粉煤灰的综合利用应以大批量用灰为重点,把提高经济效益及社会效益的有机结合作为主攻方向,大力推广成熟的技术,逐步完善比较成熟的技术,积极采用国际先进技术和装备,不断提高利用的技术水平。在粉煤灰的综合利用技术中,国家政策要求的重点推广项目有:粉煤灰粘土烧结砖、粉煤灰作筑路材料、粉煤灰在工程中应用、粉煤灰混凝土和砂浆材料、粉煤灰生产水泥、选取飘珠和飘珠制品、粉煤灰加气混凝土、粉煤灰改良土壤和纯灰植树等应用技术,这些技术比较成熟,用灰量大,不仅便于推广使用,而且可以在近期内带来明显的经济效益和环境效益。

另外,粉煤灰作为一种人造资源还应加大开发力度,开拓新的应用领域。由于粉煤灰的种类日趋复杂和多样化,其资源化利用也在向多元化方向发展。像在粉煤灰中筛选活性炭,提取矿物和各种金属化合物,冶炼三元合金等。应加大作为填充材料在塑料、橡胶行业的研究推广力度。进一步研究粉煤灰作为催化剂载体在化学工程中的应用。

总而言之,粉煤灰的综合利用不仅有利于消除污染,保护环境,而且能够变废为宝,创造可观的经济效益,是我国一项长期的技术经济政策。

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