粉煤灰綜合利用研究進展

摘要:介紹了粉煤灰的物理化學性質,綜述了粉煤灰在建材制造、建筑工程、道路工程、農(nóng)業(yè)、廢水處理和催化反應中的應用現(xiàn)狀以及未來的應用前景。

關鍵詞:電廠;粉煤灰;綜合利用

中圖分類號:X701. 2 　　　　　文獻標識碼:B 　　　　　文章編號:1009 - 4032(2006) 02 - 0042 - 03

　　粉煤灰俗稱飛灰,是火力發(fā)電廠的廢棄物,即煤粉在1 500 ℃～1 700 ℃下燃燃后,由煙道氣帶出并經(jīng)除塵器收集的粉塵。據(jù)統(tǒng)計,每燃燒1 t 煤就能產(chǎn)生250～300 kg 的粉煤灰和20～30 kg 的爐渣。近年來隨著電力工業(yè)的迅速發(fā)展,電廠粉煤灰的排泄量不斷增加。2000 年粉煤灰年排放量1. 53 億t ,2005年預計達到3 億t 以上。粉煤灰不僅占用大量耕地,消耗大量沖灰用水,而且粉煤灰的二次揚塵對生態(tài)環(huán)境造成了嚴重的危害。近年來隨著國際性能源供需矛盾加劇和對環(huán)境保護越來越高的要求,長期被作為固體廢棄物的粉煤灰成為人們綜合利用的研究對象,并取得了一定的成就。美國、歐盟等國家粉煤灰的利用率達到了70 %～80 %[1 ] ,目前我國粉煤灰的利用率僅為40 %左右,遠遠落后于歐美發(fā)達國家。所以,加強粉煤灰開發(fā)利用的研究工作,不僅可減少環(huán)境污染,而且可以造福全社會。

1 　粉煤灰的物理化學性質

　　粉煤灰是一種高分散度的集合體,是人工火山質材料。它由大小不等、形狀不規(guī)則的粒狀體組成,其粒徑在0. 5～300μm 之間。我國粉煤灰的平均容重為783 kg/ m3 ,平均密度為2. 14 g/ cm3 。在粉煤灰的形成過程中,由于表面張力作用,粉煤灰顆粒大部分為空心微珠,微珠表面凹凸不平,極不均勻,微孔較小;一部分因在溶融狀態(tài)下互相碰撞而連接成為表面粗糙,棱角較多的蜂窩狀粒子,正是基于此,粉煤灰具有非常大的比表面積,一般為1 600～3 500cm2/ g ,需水量比約為106 %。

　　粉煤灰的主要化學成分是SiO2 、Al2O3 和Fe2O3 ,另外還含有未燃盡的碳粒、CaO 和少量的MgO、Na2O、K2O 等。這些化學成分主要以玻璃體、海綿狀玻璃體、石英、氧化鐵、碳粒、硫酸鹽、云母、長石、石灰、氧化鎂、石膏、硫化物、氧化鈦等礦物的形式存在。礦物組成一般是玻璃體占優(yōu)勢,質量分數(shù)最高可達85 %以上,礦物結晶體則較少。其活性主要取決于非晶態(tài)的玻璃體成分及其結構和性質,而不取決于結晶礦物。

2 　粉煤灰的主要用途

2. 1 　建材制品和建設工程方面的應用

　　粉煤灰在建材制品上的應用約占總用灰量的45 % ,主要技術有:粉煤灰水泥(摻量30 %以上) ,代粘土做水泥原料,普通水泥(摻量30 %以下) ,加氣混凝土砌塊及板,燒結陶粒,燒結磚,蒸壓磚等。粉煤灰具有和粘土相類似的化學成分,它可以代替粘土生產(chǎn)水泥[2 ,3 ] 。已研制出硅酸鹽水泥、硅酸三鈣水泥、硫酸鋁酸鈣水泥等, 有的粉煤灰摻量可達75 %。由于粉煤灰中含有一定量的未燃燒碳粒,所以用粉煤灰配料還能節(jié)省燃料。用粉煤灰代替部分粘土燒制的磚,與普通磚相比,其優(yōu)點為:強度相同,而重量約輕20 %;導熱系數(shù)小,能改善物理性質;磚坯不易風裂、易于干燥,可減少晾坯時間和場地;可少用燃料,降低單耗,節(jié)約能源;產(chǎn)品使用時與燒結普通磚完全相同,便于應用;對用于燒磚的粉煤灰質量要求較低,化學成分無特殊要求;粘土塑性指數(shù)越高,可摻入粉煤灰的比例越大。粉煤灰加氣混凝土是用粉煤灰、石灰、水泥、石膏為主要原料制成的一種多孔新型建設材料,它可以根據(jù)需要制成不同容重、不同強度的砌塊、面板和墻板,滿足不同用途的需要,具有輕質、絕熱、耐火等優(yōu)良性能。加氣混凝土砌塊可以用做屋面保溫、維護墻、隔斷墻,亦可做承重墻,特別適用于高層建筑填充墻,寒冷地區(qū)的外墻和地震區(qū)使用,可大大減輕墻重,增加使用面積。目前全國已有37 個粉煤灰加氣混凝土廠,生產(chǎn)能力為300 萬m3/ a 左右。

2. 2 　用于道路工程

　　粉煤灰在道路工程中作為填筑材料使用,是大用量、直接利用的一種重要途徑,用灰量占利用總量的20 %。國內外已廣泛應用于道路路堤和廣場、機場、港區(qū)的地基,以及用于攔水壩和地貌改造等工程。用粉煤灰、石灰及其他摻入材料(碎石) 按合適的比例、最佳含水量、合理的工藝制成的混合料可修筑道路基層和代替土修筑路堤。粉煤灰石灰類混合料是一種緩凝性的硅酸鹽材料,用它鋪筑的道路基層將會結成整體層。這種混合料適用于修筑道路基層、底基層。上海的滬嘉、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 　農(nóng)業(yè)應用

　　粉煤灰的農(nóng)用具有投資少、用量大、需求平穩(wěn)、潛力大等特點,是適合我國國情的重要綜合利用途徑。目前,我國粉煤灰在農(nóng)業(yè)應用方面的研究主要為改良土壤[4 ] ,制作磁化肥、微生物復合肥等。粉煤灰的顆粒組成使它可用作土壤改良劑,粉煤灰中的硅酸鹽礦物和碳粒具有多孔性,是土壤本身的硅酸鹽類礦物所不具備的。將粉煤灰施入土壤,能進一步改善空氣和溶液在土壤內的擴散,從而調節(jié)土壤的溫度和濕度,有利于植物根部加速對營養(yǎng)物質的吸收和分泌物的排出,不僅能保證農(nóng)作物的根系發(fā)育完整,而且能防止或減少因土溫低、濕度大引起的病蟲害。粉煤灰摻入粘質土壤,可使土壤疏松,降低土壤容重,增加透氣透水性,提高地溫,縮小膨脹率;摻入鹽堿土,除使土壤變得疏松外,還有改良土壤鹽堿性的功能。荊門電廠利用粉煤灰填充低洼地然后覆土造田,每年用灰量51 萬t [5 ] 。

　　粉煤灰磁化復合肥是利用粉煤灰為填充材料,加入適當比例的營養(yǎng)元素,經(jīng)電磁場加工制成的,它不但保持了化肥原有的速效養(yǎng)分,還添加了剩磁,兩者協(xié)同作用肥效更高。利用粉煤灰制作的磁化復合肥對蔬菜和各種農(nóng)作物均有顯著的增產(chǎn)作用[6 ,7 ] ,經(jīng)濟效益良好。

　　粉煤灰具有一定的吸附性,可與城市污泥、糞尿或作物秸桿等有機物混合后進行高溫堆肥[8 ] ,既可顯著減少病原體數(shù)量,又可降低重金屬的濃度和活性,創(chuàng)造有利于微生物生存的條件。生產(chǎn)無害全營養(yǎng)復合肥料,既能解決我國無機化肥和微肥品種少,營養(yǎng)不全,造成土壤板結、堿化、營養(yǎng)失調及農(nóng)作物變異的矛盾,又能解決有機肥肥效低和造成環(huán)境污染的突出難題。

2. 4 　從粉煤灰中提取礦物和高值利用

　　這部分用灰量約占利用總量的5 %。根據(jù)粉煤灰中化合物的化學性質,利用多種化學反應,目前已提取出鋁、鍺、鎵、銀、鎘、鈾等多種金屬。鐵礦物很容易用磁選方法回收,一般除鐵率在50 %～60 %。鋁的量很大,已開發(fā)出酸浸法(氫氟酸、鹽酸、硫酸、硝酸、有機酸等) 、堿性燒結法以及高溫氧化法等技術?？捎秒姛岱ㄖ迫」桎X鋇鐵合金,這是粉煤灰綜合利用的一條可行途徑。粉煤灰中部分具有工業(yè)價值的稀有元素通常在細粒飛灰中富集,若達到工業(yè)品位,可予以提取利用。

　　粉煤灰中除少量未燃盡煤和磁性鐵外,其余的大部分物質具有良好的機械性能、化學穩(wěn)定性及絕緣性能,可用作廉價的填料。但粉煤灰屬于親水性無機礦物質,需進行改性處理,使之能均勻穩(wěn)定地分散于有機基質中與基體牢固結合,可作表面改性的有偶聯(lián)劑。經(jīng)過處理的粉煤灰可部分或全部替代輕質炭黑、白炭黑、輕質碳酸鈣等常規(guī)橡膠填料。

2. 5 　粉煤灰在環(huán)境治理中的應用

　　粉煤灰具有比表面積大、孔隙多、吸附性能好等特點,可用于處理各種工業(yè)污水[9 ] 。當粉煤灰與工業(yè)廢水接觸后,能吸附廢水中的有機和無機等污染物,直到達到吸附平衡為止。吸附包括物理吸附和化學吸附。物理吸附效果取決于粉煤灰的多孔性及比表面積; 化學吸附主要是其表面大量的Si2O2Si鍵、Al2O2Al 鍵與具有一定極性的分子產(chǎn)生偶極2偶極鍵的吸附,或是陰離子與粉煤灰中次生的帶正電荷的硅酸鋁、硅酸鈣、硅酸鐵之間形成離子交換或離子對的吸附。粉煤灰所含的Al3 + 、Fe3 + 具有絮凝沉淀作用,與粉煤灰構成吸附絮凝沉淀。周珊[10 ]等人用粉煤灰處理冶金含油廢水,灰水質量比為1∶10時,除油效果最好,油去除率達到了95. 43 %。粉煤灰對含有有機活性染料廢水的色度脫除也有很好效果[12 ] 。使用粉煤灰處理印染紡織廢水[11 ] ,COD 去除率一般在85 %左右,色度去除率高達95 % ,對懸浮物的去除效果最好,為96. 6 %。

　　另外,粉煤灰中含有的沸石、碳粒等無機離子有交換特性和很強的吸附脫色作用, 它對含銅[12 ] 、鉻[13 ] 、氟[14 ]無機離子的污染物具有很好的去除作用?？傊?粉煤灰可制成絮凝劑,高分子篩和過濾介質等,對造紙、電鍍、印染、中草藥等行業(yè)產(chǎn)生的廢水具有一定的凈化作用,還可利用不同pH 值的粉煤灰處理酸性和堿性廢水。利用粉煤灰處理污水不僅處理效果好,運行穩(wěn)定,而且費用特別低,是一種非常好的廢水處理材料。

2. 6 　粉煤灰在催化反應中的應用

　　粉煤灰作為化學反應催化劑的研究已經(jīng)有了一定的進展。羅道成[15、16 ]等人利用粉煤灰作為非均相催化劑,催化H2O2 和NaClO 氧化CN- ,試驗結果表明,粉煤灰具有較好的催化活性,該法可用于預處理焦化、制革、電鍍行業(yè)中含CN- 的工業(yè)廢水。古緒鵬[17 ]等人以粉煤灰、活性劑、硫酸為原料經(jīng)活化、陳化、浸泡、焙燒等制得了固體酸催化劑,并應用于草酸二乙酯的合成,取得了良好的催化效果。

3 　結語

　　粉煤灰的綜合利用應以大批量用灰為重點,把提高經(jīng)濟效益及社會效益的有機結合作為主攻方向,大力推廣成熟的技術,逐步完善比較成熟的技術,積極采用國際先進技術和裝備,不斷提高利用的技術水平。在粉煤灰的綜合利用技術中,國家政策要求的重點推廣項目有:粉煤灰粘土燒結磚、粉煤灰作筑路材料、粉煤灰在工程中應用、粉煤灰混凝土和砂漿材料、粉煤灰生產(chǎn)水泥、選取飄珠和飄珠制品、粉煤灰加氣混凝土、粉煤灰改良土壤和純灰植樹等應用技術,這些技術比較成熟,用灰量大,不僅便于推廣使用,而且可以在近期內帶來明顯的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益。

　　另外,粉煤灰作為一種人造資源還應加大開發(fā)力度,開拓新的應用領域。由于粉煤灰的種類日趨復雜和多樣化,其資源化利用也在向多元化方向發(fā)展。像在粉煤灰中篩選活性炭,提取礦物和各種金屬化合物,冶煉三元合金等。應加大作為填充材料在塑料、橡膠行業(yè)的研究推廣力度。進一步研究粉煤灰作為催化劑載體在化學工程中的應用。

　　總而言之,粉煤灰的綜合利用不僅有利于消除污染,保護環(huán)境,而且能夠變廢為寶,創(chuàng)造可觀的經(jīng)濟效益,是我國一項長期的技術經(jīng)濟政策。

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