中国粉体网讯 我国是一个“多煤少油”的国家，煤炭是我国的主要能源之一。
在火力发电过程中，煤炭经1100～1700℃高温燃烧后，绝大部分的可燃物在锅炉内烧烬，而以灰分为主的不燃物与高温烟气掺杂，由于这类不燃物处在高温环境中，部分发生熔融，又在表面张力的作用下形成很多微小的球形颗粒，随锅炉尾部引风机抽出，熔融的细粒因受到极冷而形成玻璃体状态，最后通过除尘器的分离与收集，得到大小和形状不规则、呈分散状态的粉煤灰，又称飞灰或烟道灰。
摄影│刘飞越
粉煤灰——“心肺之患”
据统计，1t原煤燃烧会生成200~300kg的粉煤灰，发电1kW·h耗费的原煤将产生100g左右的粉煤灰，早在2017年我国粉煤灰年产量便已经突破6.68亿t。
由于大规模的粉煤灰堆积，导致土地被大量占据，这不仅对土壤的功能造成了影响，还导致了地下水的污染。此外，堆积的粉煤灰可能导致山体崩塌、滑坡以及泥石流等自然灾害，进一步破坏了生态环境，且可能对呼吸道产生感染，对人体造成损害。
粉煤灰对环境的各种影响
可见，粉煤灰的堆积已成一大隐患。并且尽管我国的能源结构正在发生变化，但煤炭消费仍然很大，在未来几年内，粉煤灰的排放依旧居高不下。因此，粉煤灰的处置已正成为一个备受关注的问题，如何实现粉煤灰的高附加值回收利用，实现绿色循环经济，成为了目前学术界研究的热门课题。
粉煤灰里有宝贝
粉煤灰根据煤炭燃烧方式的不同，可以分为两类:一类是在高温(1300℃以上)下，煤炭燃烧产生的飞灰，主要由结构紧密、化学性质稳定的矿物质如莫来石和刚玉组成。另一类是在低温(1000℃以下)下，煤炭燃烧产生的飞灰，主要由未燃烧的炭以及无定形的高岭石和石英等晶态物质组成。
粉煤灰的化学组成
我国不同产地粉煤灰的化学成分如下表所示。可以看出，粉煤灰的主要化学成分是Al2O3和SiO2，质量分数约占75%以上，还含有其他少量的金属氧化物。
粉煤灰的主要成分（%）
粉煤灰的矿物相组成
按照是否为晶相进行分类，矿物成分可分为晶相物质与非晶相物质。粉煤灰中的非晶相物质主要包含玻璃体以及燃烧后残留的碳，这其中玻璃体使得粉煤灰具有活性；晶相物质主要包含石英、莫来石、石灰，还有少量的赤铁矿、磁铁矿、钙长石等。此外，粉煤灰的矿物组成受煤源、燃烧条件等因素影响而发生变化。
粉煤灰的矿物相组成
粉煤灰理化性质
粉煤灰外观和水泥相似，颜色随含铁量和残余碳量的不同而变化，大部分呈灰色。粉煤灰颗粒可为菱状、球状或多孔的不规则形状，多为圆球状，比表面积为0.2～0.4m2/g，孔隙率达50%～80%。由于粉煤灰的多孔结构和球形粒径，松散状态下具有很好的渗透性，其渗透系数是黏性土的数百倍，其较大的比表面积和较高的孔隙率使得粉煤灰具有较高的吸附活性。
粉煤灰密度在1.9～2.9g/cm3，是由二氧化硅玻璃球组成的微细颗粒集合体。粉煤灰细粒根据形状可分为球形颗粒与不规则颗粒，球形颗粒根据在水中沉降性能差异，又分为飘珠、轻珠和沉珠；不规则颗粒包括多孔状玻璃体、多孔碳粒以及其他碎屑和复合颗粒。粉煤灰中含有0.2%～1.1%的空心微珠(密度仅为1.4g/cm3)，堆积密度为0.55～0.80g/cm3。另外，粉煤灰最大吸水量为417～1038g/kg，需水量比约为106%。
粉煤灰综合利用，烂泥扶上墙
建材及建工领域
早在20世纪30年代，粉煤灰就已经开始被应用于建筑行业。研究表明，近年来，我国粉煤灰在资源化利用过程中用于建材及建工领域的占比最大，这其中主要用于水泥及混凝土制备、墙体材料制作、微晶玻璃制作、筑路工程、水利工程等领域。
粉煤灰的主要建材化利用途径
（1）水泥熟料
利用粉煤灰生产水泥熟料是早期国内外粉煤灰综合利用途经之一，粉煤灰的化学组成与黏土（主要为SiO2和Al2O3）相似，因而可替代黏土进行水泥生料组分配伍，用于水泥熟料生产。粉煤灰中的残余碳可在熟料烧制过程中作为燃料，从而减少燃料的消耗。
粉煤灰烧制水泥工艺流程
与传统烧制水泥工艺相比，粉煤灰配料烧制水泥熟料工艺的烧成温度可降低80～100℃，且相比黏土制成的硅酸盐水泥，粉煤灰水泥具有质地细腻、不易开裂、干燥收缩率低、水化热低、抗硫酸盐性能好等优势。
（2）水泥或混凝土掺合料
粉煤灰还可取代水泥熟料，用作水泥或混凝土掺合料，从而降低水泥熟料的消耗，同时提高混凝土的流动性、力学性能与耐久性能。
粉煤灰用作水泥或混凝土掺合料研究现状
粉煤灰与水泥水化反应机理
（3）功能化混凝土
为满足日益复杂的工程需求，需要通过调控添加剂种类和成分配比来实现混凝土的性能优化，实现混凝土的高强度、高性能和多功能化发展。掺入粉煤灰可以制备功能化混凝土，如超高性能混凝土、自密实混凝土、泡沫混凝土及加气混凝土等。
粉煤灰基功能性混凝土工艺流程
（4）粉煤灰砖
我国房屋墙体材料70%以上用的是黏土砖，黏土砖的生产与利用具有较高的能耗。粉煤灰砖由粉煤灰、沙子和水泥或石灰作为黏结材料组成，具有轻质，抗压强度高，耐久性好，制作简单等优点。在施工过程中，增加粉煤灰砖的使用，可降低工程预算、减轻劳动强度、提高工程效率、缩短工期。
（5）轻骨料、陶瓷玻璃材料
利用粉煤灰生产人造轻骨料和陶瓷玻璃等制品，具有成本低廉、性能优异、轻质、导热系数小、热稳定性强等特性，利用价值较高。
粉煤灰陶粒以粉煤灰为主要原料(占85%左右)，掺入适量石灰(或电石渣)、石膏、外加剂等，通过混匀、成球、焙烧或养护(免烧)制备而成的一种人造轻骨料。粉煤灰陶粒具有轻质(堆积密度<1000kg/m3)、高强(抗压强度一般1.5～15MPa，高强粉煤灰陶粒可达25～40MPa)、多孔、保温隔热、抗酸抗碱、抗冻抗震等优良性能，已广泛应用于建筑建材、环保、生态、化工等领域。
使用粉煤灰以及碎玻璃制成的泡沫玻璃，具有质量轻、刚度高、抗变形、保温隔热等优点，其形状可按照实际工程使用需求定制，实用性广。
以粉煤灰为原料制备的新型泡沫陶瓷，在烧结过程中会经历自发泡反应，经1200°C烧结得到的泡沫陶瓷具有完全封闭孔结构，同时粉煤灰中内源有害重金属被封装于玻璃相中，重金属浸出远低于标准限值。
（6）轻质耐火保温材料
粉煤灰高温性能稳定，粉煤灰中的SiO2和Al2O3是其耐高温的主要来源，其耐火度高达1610～1630℃，可用于制备轻质耐火材料。在建筑材料中掺入适量的粉煤灰可有效改善其耐高温性能。以粉煤灰为主要原材料，掺入适量的煤矸石和铝灰，通过高温烧结可以制备出粉煤灰基耐火建筑材料，抗压强度可达33.6MPa，耐1200℃高温，制品的力学性能和使用性能较好。
有价组分的提取
粉煤灰中含有硅、铝、铁、碳、镓、锗等多种有用元素，利用粉煤灰为原料提取有价元素是实现粉煤灰高附加值利用的重要途径，也是粉煤灰综合利用的主要研究方向。
（1）提取氧化铝
铝和铝合金及精细氧化铝产品因优异的特性被广泛应用于国民经济生活的方方面面，包括交通运输、建筑、机械制造、电子等领域。经过多年发展，我国已成为全球第一大铝产品生产国和消费国。
然而相对于庞大的消费量，在原料端，我国铝土矿资源匮乏且品位低，可露天开采的铝土矿不多，作为铝消费大国，每年都需进口大量的铝土矿，对外进口率长期在40%~50%。粉煤灰中大量的氧化铝，尤其高铝粉煤灰中Al2O3的含量可达50％，接近中等品位铝土矿中的含量，因此可以作为非铝土矿资源生产Al2O3。所以，在粉煤灰综合利用中提炼氧化铝，能有效缓解国内铝土矿资源紧张的形势。
（2）提取SiO2
粉煤灰中SiO2的含量大都在40%以上，是丰富廉价的硅源载体。作为粉煤灰中含量较多的成分之一，加强硅基产品的开发，能够有效扩大粉煤灰资源化利用途径，从而提高粉煤灰的资源化利用价值。目前针对粉煤灰制备硅基材料的研究还较少，主要集中在制备白炭黑、二氧化硅气凝胶等方面。
（3）镓的提取
粉煤灰中的镓主要赋存于玻璃相中，可以通过直接酸浸的方式来分离，镓会以配合物的形式存在于浸出液中，但镓的回收率较低。
（4）锂的提取
随着锂需求的持续增加，从粉煤灰、含锂废渣等固体废弃物中回收锂已成研究热点，从粉煤灰中分离锂的技术主要为酸法浸出。
粉煤灰中提取Li工艺流程图（a）硫酸焙烧法（b）碳酸钠烧结法
（5）稀土元素的提取
稀土元素包括镧系元素(ＲEE)、钪(Sc)和钇(Y)共17种元素，能与有色金属等组成一系列高科技新型功能材料。稀土氧化物在高铝粉煤灰中的含量达800～900μg/g，而传统离子吸附矿床的工业品位为600～1500μg/g，因此从粉煤灰中回收稀土金属潜在价值极大。主要分离技术有酸法、酸碱联合等方法。
制备铝硅复合材料
粉煤灰中Al2O3和SiO2的总含量很高，有的甚至可以达到80%以上，因此除了开发氧化铝、二氧化硅产品外，高附加值的硅铝复合材料的制备也是粉煤灰综合利用的关键。
（1）沸石分子筛
粉煤灰在组成上与分子筛十分接近，为其成为合成分子筛的原料提供了可能。以粉煤灰为原料合成沸石分子筛，不仅能够提高粉煤灰的利用价值，而且能够降低分子筛的生产成本，有利于加快其工业化进程。
（2）地质聚合物
地质聚合物是由硅氧四面体和铝氧四面体所构成的网格状聚合体，具有环保、能耗低、耐久性好等特点，是水泥的良好替代品。利用粉煤灰制备地质聚合物也是近年来研究的一个热点。
（3）微晶玻璃
微晶玻璃是一种独特的新型材料，其集中了玻璃和陶瓷的特点，主要是由天然矿物制备而成，生产成本较高。Al2O3和SiO2是硅铝酸盐类微晶玻璃的重要组成部分，而粉煤灰的矿物组成则主要就是铝硅玻璃体，因此，粉煤灰是制备微晶玻璃的理想替代原料。
农业方面的应用
粉煤灰在农业方面的应用主要是通过改善土壤的理化性质，对黏质、酸性土壤进行改良。在宁夏农垦贺兰山农牧场的一项研究结果显示，未改良的对比田亩产248kg，加了3t粉煤灰基改良材料的稻田，亩产高达719.5kg，比没有改良的稻田的亩产（248kg）增加了近2倍。
环境保护领域
粉煤灰在环境保护领域主要用于改善水质，处理烟气中的有害成分，还用于矿井回填工程。根据粉煤灰独特的多孔结构和超大的比表面积，可将其用于吸附空气或污水中的有害组分；根据粉煤灰的粒度分布及火山灰特性，可将其用于矿井回填，避免开采后的矿井发生塌陷。
小结
在粉煤灰综合利用方面，日本是全球粉煤灰综合利用率最高的国家，利用率将近100%；其次为欧盟15国，综合利用率约92%；韩国、美国粉煤灰综合利用率分别达到85%、60%。根据国家发展改革委统计，2020年我国粉煤灰综合利用率为78%，且我国粉煤灰的利用仍然以建材为主，产品附加值较低，虽然众多高等院校、科研单位开展了大量高值化资源化利用技术研究，但大部分并未深度结合产业实际情况，新技术、新成果由于成本高、工艺复杂等原因，不适于工业化生产，能够实现商品化、产业化的技术项目少。
因而，发展实用性强的高附加值利用技术是我国目前粉煤灰综合利用的主要发展方向。
参考来源：
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[2]冯叶等.粉煤灰提取氧化铝工艺的研究进展
[3]王卫江等.从粉煤灰提取氧化铝的技术现状及工艺进展
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[5]张力等.粉煤灰综合利用进展及前景展望
[6]李琴等.我国粉煤灰利用现状及展望
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[8]柴磊等.粉煤灰资源化利用研究进展
[9]王丽萍等.粉煤灰中铝硅资源化利用研究进展
[10]时雅倩等.粉煤灰建材化增值利用：最新技术与未来展望
（中国粉体网编辑整理/山川）
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