高 佼，劉 娜，王 浩

（青島工學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266300）

2021年11月，在《中共中央國(guó)務(wù)院關(guān)于深入打好污染防治攻堅(jiān)戰(zhàn)的意見》中提出要穩(wěn)步地推進(jìn)“無(wú)廢城市”的建設(shè)工作?！盁o(wú)廢城市”的要求不是“零”固體廢棄物的產(chǎn)生，也不象征著固體廢棄物能夠全部被資源化利用，而是一種城市管理的理念，它的終極目標(biāo)是：達(dá)到整個(gè)城市固體廢棄物源頭產(chǎn)量最小、資源化利用較充分和無(wú)害化處置。“無(wú)廢城市”的建設(shè)不僅使城市生活垃圾的處理成為熱點(diǎn)，而且將大宗固體廢物的綜合利用推到臺(tái)前。在《“無(wú)廢城市”建設(shè)試點(diǎn)工作方案》中明確對(duì)大宗固體廢棄物提出要求，鼓勵(lì)推動(dòng)其資源化利用。提高粉煤灰、工業(yè)副產(chǎn)石膏、煤泥和煤矸石等常見的工業(yè)固廢的資源利用率再次成為熱點(diǎn)。

雖然2021年世界能源結(jié)構(gòu)都在加速向綠色低碳方向轉(zhuǎn)型，但是煤炭依然是主要能源。國(guó)家統(tǒng)計(jì)局2月28日發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，2021年末全國(guó)發(fā)電裝機(jī)容量為237 692萬(wàn)kW，其中火電裝機(jī)容量為129 678萬(wàn)kW，占比54.6%。粉煤灰是利用煤發(fā)電時(shí)產(chǎn)生的一種工業(yè)副產(chǎn)品，產(chǎn)量巨大，年產(chǎn)量高達(dá)6.86億t，而且在未來(lái)很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)產(chǎn)量將居高不下。然而，我國(guó)粉煤灰的平均綜合利用率與發(fā)達(dá)國(guó)家相比偏低，僅為70%。粉煤灰如不及時(shí)處理，不僅會(huì)浪費(fèi)大量的土地資源，而且會(huì)引起環(huán)境問(wèn)題。近年來(lái)，許多學(xué)者發(fā)現(xiàn)，粉煤灰具有很好的利用價(jià)值，為此，很多企業(yè)開始研究粉煤灰的再生利用，昔日的“廢渣渣”成為如今的“香餑餑”。

本文在“無(wú)廢城市”的背景下，簡(jiǎn)述了粉煤灰的來(lái)源、性質(zhì)和分類，綜述了粉煤灰資源利用的幾種途徑，分析了粉煤灰再利用存在的問(wèn)題并展望了粉煤灰再利用的未來(lái)趨勢(shì)。

1 粉煤灰來(lái)源、分類及性質(zhì)

粉煤灰是燃煤發(fā)電過(guò)程中，煤中各種無(wú)機(jī)成分與有機(jī)成分在高溫燃燒后形成的一種工業(yè)碎末。燃煤發(fā)電時(shí)，煤粉在反應(yīng)爐中，經(jīng)過(guò)燃燒、灰渣燒結(jié)、破裂、顆粒的融入及快速冷卻成珠這一系列的反應(yīng)過(guò)程形成粉煤灰。不同種類的粉煤灰物理和化學(xué)性質(zhì)差異巨大，與燃燒方式、煤種、煤中成分和收集方式均相關(guān)。一般情況下，粉煤灰主要由莫來(lái)石礦物顆粒、未燃盡的碳顆粒和非晶質(zhì)球形顆粒組成，粒徑在0.005～0.2 mm之間，具有密度較小且比表面積較大的特點(diǎn)。粉煤灰大多數(shù)呈堿性，pH范圍為1.2～12.5。粉煤灰可以呈現(xiàn)灰色、深紅色、棕色或黃色等多種顏色，具體顏色的變換與未燃盡的碳和氧化鐵的含量有關(guān)。燃煤發(fā)電時(shí)，煤的性質(zhì)很大程度上決定了粉煤灰的化學(xué)成分，顯然全國(guó)不同地區(qū)粉煤灰的化學(xué)成分也存在著巨大的差別，但主要成分都是SiO、AlO、FeO。表1為我國(guó)幾個(gè)典型地區(qū)火電廠粉煤灰的主要化學(xué)成分。

表1 我國(guó)典型地區(qū)電廠粉煤灰樣品的主要化學(xué)成分Tab. 1 Chemical composition of coal fly ash from some typical power plants in China

粉煤灰的分類方式有多種：① 根據(jù)粉煤灰中SiO、AlO和FeO的含量將其分為兩類，分別是C型和F型，三種氧化物質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于70%的稱為F型，三種氧化物質(zhì)量分?jǐn)?shù)在50%～70%之間的稱為C類；② 根據(jù)粉煤灰pH的大小，可將其分為3類，pH在1.2～7.0之間的為酸性粉煤灰，pH在8～9之間的為弱堿性粉煤灰，pH在11～13之間的為強(qiáng)堿性粉煤灰；③根據(jù)粉煤灰含水量大小分為濕灰、陳灰和干灰；④ 根據(jù)粉煤灰中AlO質(zhì)量分?jǐn)?shù)的不同又可以將粉煤灰分為普通型和高鋁型兩大類，當(dāng)粉煤灰中SiO和AlO的總質(zhì)量分?jǐn)?shù)在80%左右時(shí)，AlO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于27%，稱其為普通型，而AlO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在45%～65%之間的稱其為高鋁型。

2 粉煤灰資源化利用技術(shù)研究進(jìn)展

當(dāng)前，粉煤灰在多個(gè)領(lǐng)域中被利用，比較成熟的是作為建筑材料，但其利用程度有限，因此我國(guó)粉煤灰的利用率依然較低。為了加快企業(yè)利用粉煤灰的腳步，國(guó)家發(fā)展與改革委員會(huì)發(fā)布了《加快推進(jìn)大宗固體廢棄物綜合利用示范建設(shè)》等一系列的文件。

2.1 工程建設(shè)領(lǐng)域

目前粉煤灰在工程建設(shè)領(lǐng)域的應(yīng)用主要是在建筑業(yè)。在建筑業(yè)的應(yīng)用包括水泥生產(chǎn)、摻入混凝土、新型粉煤灰墻體制作、功能性涂料等。在水泥生產(chǎn)中摻入粉煤灰，不僅可以提高其透水性與抗收縮性，而且可以起到節(jié)能降耗的作用。在混凝土加入一定量的粉煤灰，不僅可以有效減小水量和水泥的用量，而且可以改善其硬化強(qiáng)度和干燥收縮性能。新型粉煤灰墻體中90%的原料都是粉煤灰。在寧夏銀川市興安區(qū)的錦繡絲路農(nóng)業(yè)科技園，科技人員將粉煤灰微發(fā)泡技術(shù)、保溫技術(shù)和相變儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用到溫室大棚的設(shè)計(jì)改造中，研發(fā)出了保溫儲(chǔ)熱性能良好的新型相變蓄熱粉煤灰墻體，在室外溫度為-20 ℃時(shí)，棚內(nèi)溫度可達(dá)7 ℃以上。粉煤灰在涂料中的應(yīng)用可以分為作為涂層填料應(yīng)用和對(duì)其成分的利用為兩種。粉煤灰可以在經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的改性處理后作為填料添加，從而得到功能性的涂料?？梢岳梅勖夯页煞种械墓桎X酸鹽制備性能優(yōu)異的無(wú)機(jī)涂層，并應(yīng)用在各類基材中提高涂層的抗腐蝕性和耐磨性。

2.2 采礦業(yè)

采用水力壓裂法生產(chǎn)天然氣和石油時(shí)，粉煤灰可以作為壓裂支撐劑。在石油和天然氣生產(chǎn)時(shí)，一般最后一步都是把天然砂或者人造砂泥漿用泵送入裂縫中，目的是防止裂縫在油井作業(yè)期間閉合，同時(shí)保證導(dǎo)水率足夠大，方便油、氣和水輕松通過(guò)。目前，有一種粉煤灰支撐劑被研究開發(fā)出來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的壓裂支撐劑，它的生產(chǎn)不僅可以降低壓裂成本，回收大量的天然氣和石油，而且可能產(chǎn)生更高的利潤(rùn)率。

2.3 農(nóng)業(yè)領(lǐng)域

目前粉煤灰在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域也有應(yīng)用，主要分為制作肥料和改良土壤兩個(gè)方面。

2.3.1

土壤摻入粉煤灰后，其保墑能力變強(qiáng)，而且容重降低，變得比較疏松，土壤結(jié)構(gòu)得到改善；粉煤灰根據(jù)其pH的大小分為酸性和堿性，酸性土壤可以用堿性粉煤灰改良，堿性土壤可以用酸性粉煤灰改良，土壤的pH得到改善，進(jìn)而提高了農(nóng)作物的產(chǎn)量；粉煤灰添加到土壤中后，土壤中微生物活性得到改善，從而加快了農(nóng)作物吸收利用土壤中養(yǎng)分的速率。土壤中摻入粉煤灰，不僅可以起到固化土壤中重金屬的作用，而且還可以有效促進(jìn)農(nóng)作物對(duì)土壤中重金屬的吸收。

2.3.2

農(nóng)作物生長(zhǎng)需要大量的鉀、鈣和鎂等，而粉煤灰中正好含有這些元素，因此可以把粉煤灰制作成農(nóng)作物生長(zhǎng)所需要的肥料。實(shí)踐證明，使用粉煤灰制作的肥料后，農(nóng)作物產(chǎn)量增加，同時(shí)提高了其抗病蟲害和抗倒伏的能力，農(nóng)作物的長(zhǎng)勢(shì)良好。

2.4 催化領(lǐng)域

水、土壤和水中的有機(jī)污染物通過(guò)強(qiáng)氧化物、微生物或者紫外線和可見光分解掉的場(chǎng)景稱為有機(jī)降解。光催化和非光催化等有機(jī)降解過(guò)程需要催化劑，同時(shí)有機(jī)合成過(guò)程也需要催化劑，粉煤灰可以通過(guò)改性成為催化劑，但制作成本較高，要普遍推廣存在一定的難度。

2.5 綠色環(huán)保領(lǐng)域

粉煤灰可以通過(guò)改性變成孔隙率高、比表面積大的多孔材料，適合作為吸附劑應(yīng)用于環(huán)保領(lǐng)域。它可以用于廢水處理、煙氣中氮氧化物、SO和汞等有機(jī)物的脫除，而且還可以捕集CO，為“雙碳”目標(biāo)作出有力貢獻(xiàn)。張中華通過(guò)水熱合成法將粉煤灰制作成沸石分子篩和固態(tài)胺類吸附劑，并對(duì)其吸附二氧化碳的容量進(jìn)行了檢測(cè)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明粉煤灰合成的4A型、5A型和13X型沸石的吸附劑具有吸附量高的特點(diǎn)，為我國(guó)的碳減排工作做好了技術(shù)儲(chǔ)備。Xuan等通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：粉煤灰經(jīng)過(guò)硝酸改性后，活性增強(qiáng)，溫度達(dá)到280 ℃時(shí)，脫除煙氣中NO的效率高于90%。Rathnayake等通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)：粉煤灰經(jīng)熟石灰改性后，能除去煙氣中的SO。在廢水處理方面，廢水中含有Pb、Cu和Zn等離子，粉煤灰比表面積較大，孔隙發(fā)達(dá)，可吸附廢水中的這些離子。同時(shí)，廢水中的氟離子和氯離子被經(jīng)氯化鐵和氧化鈣等金屬鹽改性后的粉煤灰去除的效果較好。在脫除無(wú)機(jī)汞方面，Yang等將粉煤灰上負(fù)載6%的CuCl，得到一種催化劑。該催化劑在溫度為150℃時(shí)，對(duì)汞的脫除效率可達(dá)90%以上。

2.6 高分子復(fù)合材料

粉煤灰的化學(xué)成分和傳統(tǒng)填料的成分比較接近，而且具有活性高的特點(diǎn)，對(duì)其表面進(jìn)行改性比較容易，所以通過(guò)表面處理后與高分子材料的表面較易結(jié)合，從而可改善高分子材料的性能，也能降低其成本，因此在高分子材料中摻入粉煤灰有很大的發(fā)展前景。目前應(yīng)用較多的是將粉煤灰填充到聚乙烯、聚炳烯、聚氯乙烯和橡膠中得到性能良好的高分子復(fù)合材料，實(shí)現(xiàn)變廢成寶。Ahmad等利用雙螺旋擠出機(jī)制備了粉煤灰/高密度聚乙烯復(fù)合材料。

2.7 有價(jià)組分分離

粉煤灰高值化利用的障礙是其復(fù)雜的化學(xué)成分。比如，在某一領(lǐng)域中，粉煤灰中的某種成分可能起到積極作用，但在另一領(lǐng)域中，該成分反而起到消極作用。粉煤灰中的有價(jià)組分包括：未燃盡的碳、空心微珠和磁性物質(zhì)等，這些組分均可以利用分離技術(shù)得到。Vassilev采用連續(xù)分離法成功地將空心微珠、未燃盡的碳和磁鐵礦等有價(jià)組分從粉煤灰中分離出來(lái)。

2.8 有價(jià)金屬提取

大量的有價(jià)金屬蘊(yùn)藏在粉煤灰中，例如Ge、Li、La和Ga等，通訊、軍工、催化和交通多個(gè)領(lǐng)域均需利用這些稀有元素。神華集團(tuán)有限責(zé)任公司的研究人員將Ga和Li元素成功地從粉煤灰中提取出來(lái)。

我國(guó)粉煤灰資源化利用途徑中消納粉煤灰最多的是工程建設(shè)領(lǐng)域中的水泥項(xiàng)目，高達(dá)44%；其次是磚、墻體和混凝土項(xiàng)目達(dá)26%，比如北京冬奧會(huì)現(xiàn)場(chǎng)國(guó)家越野滑雪中心的技術(shù)樓，采用添加粉煤灰做成的加氣混凝土砌塊磚，實(shí)現(xiàn)節(jié)能、節(jié)地和廢物利用；在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的利用比例僅占比5%，其他領(lǐng)域更少。我國(guó)在基建領(lǐng)域仍然具有很大的發(fā)展空間，特別是西部地區(qū)，粉煤灰未來(lái)可以大規(guī)模的應(yīng)用在我國(guó)的基建領(lǐng)域。隨著我國(guó)對(duì)環(huán)保要求的日益嚴(yán)格，粉煤灰在環(huán)保領(lǐng)域的應(yīng)用很具發(fā)展前景，但由于中西部地區(qū)正是環(huán)保的薄弱地區(qū)，而且粉煤灰制備工藝復(fù)雜，導(dǎo)致其在環(huán)保領(lǐng)域尚未實(shí)現(xiàn)規(guī)模化工業(yè)應(yīng)用，可以采取粉煤灰分選-炭黑-制備活性炭-工業(yè)廢水凈化的產(chǎn)業(yè)鏈。表2為粉煤灰主要利用途徑，附加值越高的利用途徑，其處理成本較高，粉煤灰的消納量較少，問(wèn)題也較多，而且研究多數(shù)處于實(shí)驗(yàn)室階段，尚未實(shí)現(xiàn)工業(yè)化利用。

表2 粉煤灰主要利用途徑比較Tab. 2 Comparison of main utilization ways of coal fly ash

3 結(jié)論和展望

目前，雖然我國(guó)粉煤灰的應(yīng)用涉及的領(lǐng)域較廣且綜合利用率高達(dá)70%，但產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用主要是在工程建設(shè)領(lǐng)域，大多數(shù)情況下是作為摻雜物的應(yīng)用。粉煤灰高值化利用技術(shù)遇到瓶頸，存在技術(shù)成本較高、受限于粉煤灰特性和引發(fā)二次污染等問(wèn)題，所以其高值化研究一直處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，未能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。未來(lái)，為了實(shí)現(xiàn)粉煤灰在多個(gè)領(lǐng)域的商業(yè)化應(yīng)用，不僅需要政府一系列的政策支持，而且需要持續(xù)完善粉煤灰資源化和一體化應(yīng)用的體系。

為了提高我國(guó)粉煤灰的利用率可以采取的措施有：① 我國(guó)應(yīng)公開所有產(chǎn)灰企業(yè)的年產(chǎn)灰量和其利用率，做到信息透明和數(shù)據(jù)可查，使其接受公眾監(jiān)督，進(jìn)而加快各產(chǎn)灰單位利用粉煤灰的腳步；② 我國(guó)利用粉煤灰的政策大多是鼓勵(lì)性的，應(yīng)出臺(tái)強(qiáng)制性利用粉煤灰的政策；③ 建議政府為粉煤灰的資源化利用提供更為實(shí)際的支持手段。例如，可以采用運(yùn)輸費(fèi)用優(yōu)惠政策，使粉煤灰產(chǎn)品的運(yùn)輸半徑擴(kuò)大；也可以對(duì)粉煤灰資源化利用單位實(shí)行電價(jià)優(yōu)惠政策，使企業(yè)的耗能成本降低，進(jìn)而提高其用灰積極性。