时间:2026-03-05 分类:矿业
摘要:大量排放和堆置的粉煤灰会给环境造成巨大的威胁,对其进行资源化有利于环境的保护。本文分别从化学成分、物理性质、填充物以及高附加值利用等角度分析粉煤灰资源化技术的进展;讨论粉煤灰积存产生的原因、资源化技术与运输半径的关系、资源化技术与处理能力之间的矛盾,并针对这些存在的问题提出了相应的对策:大宗快消品应对粉煤灰产生的持续性、高附加值应对运输半径局限、高附加值资源化产品的多样化应对处理能力。
关键词:粉煤灰;资源化技术;高附加值;运输半径;对策分析
论文《粉煤灰资源化技术研究进展与对策分析》发表在《南京工业大学学报(自然科学版)》,版权归《南京工业大学学报(自然科学版)》所有。本文来自网络平台,仅供参考。

火力发电在世界能源结构中占据重要的地位,火电厂燃煤产生的副产品包括粉煤灰、底灰、锅炉渣和烟气脱硫残渣等,其中粉煤灰的排放量最大[1]。粉煤灰的堆放不仅占用宝贵的土地资源,还会造成水体和土壤污染,破坏生态并对人体和环境造成危害[2]。近年来,随着我国工业的快速发展,对能源的需求逐年增加,以煤电为主体的能源结构是我国产生大量粉煤灰的主要原因。近几年,我国燃煤电厂粉煤灰的排放量如图1所示,2020年全国燃煤电厂粉煤灰产量达6.50亿t[3]。当前,我国的粉煤灰综合利用率在70%左右[4],这就导致每年约有2亿t的粉煤灰积存,加上过去的累积量,目前我国粉煤灰积存总量已超过30亿t[5]。
图1 燃煤电厂粉煤灰产量[3]
Fig.1 Fly ash output of coal-fired power plant[3]
(纵坐标为粉煤灰产量,单位:亿t,刻度为0-7;横坐标为年度,2015-2020年,对应产量依次为5.60、5.60、5.80、6.28、6.40、6.50)
从我国的粉煤灰资源化结构上看,建筑领域是粉煤灰的消纳大户。由于我国经济发展的不均衡性,加上房产为主的建筑领域的降温,2022年水泥和粉煤灰的价格出现了大幅度的滑坡。消纳大户需求量的减少,粉煤灰大量积存的问题将更加凸显,寻找新的可将大量粉煤灰资源化的技术成为缓解这一问题的关键。因此,创新发展粉煤灰资源化技术有利于解决粉煤灰的污染问题。本文对粉煤灰资源化技术的进展进行综述,对资源化存在的问题进行讨论,分析产生这些问题的主要原因,并针对每个问题提出相应的处理策略。
1 粉煤灰的资源化技术
粉煤灰资源化技术的研究已经发展多年,近年来各类新技术层出不穷[6-10]。就其研究的内容来看,主要围绕粉煤灰的化学成分利用和物理性质利用。
1.1 化学成分利用
1.1.1 制备建筑材料
当前,粉煤灰在建筑领域中的利用技术较为成熟,可生产水泥和混凝土等建筑材料[11-12]。通过在建材产品中加入粉煤灰,可以很好地将粉煤灰资源化并减少原材料的消耗。由粉煤灰的化学成分可知,它非常适合用于水泥产品。粉煤灰通过与水泥中的$Ca(OH)_{2}$等反应形成稳定的水化铝硅酸钙凝胶$(C-A-S-H)$可以部分替代混凝土中的水泥[13]。粉煤灰还可以用来制砖,由于粉煤灰制成的砖块具有轻质高强的优点,与烧制黏土砖相比,粉煤灰砖的价格便宜约29%,能耗低约57%[14]。另外,由于粉煤灰具有良好的火山灰活性,因此可用于制备地质聚合物,并可部分替代硅酸盐水泥材料[15-16]。
随着经济的发展,市场对建筑材料的需求较大,用于建材生产可以大大缓解粉煤灰的积存和污染问题,但粉煤灰制备建筑产品的附加值不高。
1.1.2 提取有价成分
将粉煤灰作为有价元素的潜在原料进行资源化回收是另一个研究方向[17]。通过提取粉煤灰中的Si、Al和Fe等元素以及镓(Ga)和锗(Ge)等稀有金属元素实现粉煤灰的资源化利用。通过电解法可从粉煤灰中分离$Fe^{3+}$和$Al^{3+}$并提取$Fe$[18],通过微波烘烤从粉煤灰中回收Al和Ti[19],通过酸浸法可回收Ga和Ge等[20-21]。从粉煤灰中回收稀土元素(REE)也取得了不错的进展。根据Seredin等[22]的调查所得,粉煤灰中的REE平均含量略高于500mg/kg,并且对于地壳REE平均含量而言是相对富集的,因此具有提取的价值。目前,可以通过物理选矿、焙烧、碱浸和酸浸等方法提取如钇(Y)和镧(La)等稀土元素[23-24]。
从粉煤灰中提取有价组分,可以减少对自然资源的需求,实现废弃物的资源化利用。但提取有价成分一般处理成本过高、难度较大,且过程中容易产生新的废弃物,这会使其原本可以达到的经济效益降低。
1.1.3 土壤改良
粉煤灰在农业方面的应用主要是对土壤理化性质的改良,粉煤灰的许多特性都有助于将其用作土壤改良剂:具有高含量黏土成分、低容重、高保水能力、合适的pH、丰富的营养素含量(Ca、Mg、K、S和微量营养素B、Cu、Fe、Mn、Zn等)[25]。这些特性使得粉煤灰可用于改善需要优化酸度、增加养分和改善物理化学特性的土壤。粉煤灰富含硅铝酸盐矿物以及植物生长所需的微量元素,且在化学上的高亲和力促进了粉煤灰在土壤中的应用[26],另外,通过添加酶和石灰还可以提高粉煤灰稳定土壤可持续性的能力[27]。此外,粉煤灰作为辅料加入肥料中,可用于生产复合肥,降低土地黏性[28]。
利用粉煤灰来改善土壤肥力既方便又快捷,可根据粉煤灰产地就近选择田地。然而粉煤灰的土壤改良作用只适用于某些适宜的土壤,其前处理和运输成本较高,从而限制了该方面的应用[29]。另外,在土壤改良过程中粉煤灰中含有的有害元素值得重点关注。
1.1.4 其他方面的应用
除了上述几种化学成分利用方法之外,还有其他方面的应用:如利用粉煤灰中的CaO成分制备微晶玻璃[30];以粉煤灰为原料,通过高温熔融、喷吹或离心加工等方法制备以硅酸盐熔结物为主要成分的矿物棉[31];将粉煤灰通过有机硅聚合物改性制备拒水粉[32];用粉煤灰和石灰以压蒸法制备新型胶凝材料[33]等。利用粉煤灰的化学成分将其资源化利用是将废弃粉煤灰作为资源合理利用的重要途径。
1.2 物理性质利用
1.2.1 制备吸附材料
由于粉煤灰具有多孔性、比表面积较大、表面能高且存在着许多Al和Si等活性点,因此对废水中的有害物具有一定的吸附性[34-35]。Li等[36]通过冷冻干燥煅烧技术,用不同尺寸的粉煤灰合成多孔粉煤灰气凝胶,用于从废水中提取铀(U),这种粉煤灰气凝胶对U的去除效率最大可达96.5%。Goswami等[6]制备的粉煤灰膜,可用于处理家禽屠宰场废水和含油废水等,易于清洁且使用寿命长。经HCl和NaOH改性后的粉煤灰还可用于吸附指示性染料、活性染料和酸性染料等,吸附效率最高可达98.0%[37-38]。将粉煤灰用于废水处理是一种更加经济且更加环保的资源化方式。
由于污水污泥通常含有有毒元素,它的处理一直是个难点[39]。多孔粉煤灰砖材具有低能耗、低污染、低热导率、良好的热稳定性和独特的吸附特性等优势,因此被认为是很有前景的新型轻质多孔材料。Taki等[40]用粉煤灰制作多孔砖材,以更安全且具有更高经济效益的方式处理污水污泥。除此之外粉煤灰还可用于烟气脱汞[41]、制备$CO_{2}$吸附剂[42]和吸附纸浆漂白废液等[43]。
粉煤灰作为吸附材料也存在一些问题,如吸附有害物后的粉煤灰变成了一种更难处理的废弃物。因此,在选择粉煤灰吸附材料时,要考虑后续的无害化处理。
1.2.2 制备保温材料及其他应用
以漂珠为原料制保温材料也是粉煤灰资源化的途径之一。漂珠是从粉煤灰中通过浮选获得的一种空心玻璃微珠,是粉煤灰的重要组成部分之一。因为漂珠固有的优异性能,例如轻质高强、成本低、隔热和耐热性好等而被广泛应用于保温材料[44]。Liu等[45]将液相的相变材料(PCM)装载到穿孔的漂珠中来生产PCM微胶囊,并用于降低建筑物能耗。同时,漂珠还可作为造孔剂,与镍铁渣共同制备优质保温材料[46]。
除了保温材料,还能以粉煤灰漂珠、聚酯树脂和纳米石墨烯为原料制备吸声材料[47],也可作为无机黏度破坏剂掺入混凝土浆料中,提高混凝土流动性和可加工性,适当添加漂珠也有利于提高混凝土强度[48]。
在利用漂珠时需要特别注意成本因素,粉煤灰中的漂珠一般只占到总量的10%左右,分离造成的成本提高不可避免,因此其高附加值资源化利用方式还有待发掘和探索。
1.3 用作填充物
随着城市建设的不断发展,许多用于储存、交通和工业等的地下空间项目不断推进,而这些地下空间的环境可能会对地质造成长期损害[49-50]。粉煤灰因具有火山灰活性和微集料效应[51],被广泛用作地下空间填充材料。同时,对于结构遭受严重损坏或无法修复的地下项目,回填是一种确保基础设施安全的有效方法[52]。除了城市地下空间道路回填,地下矿山开采后产生的空隙也能以粉煤灰作为原料进行填充,矿山回填有助于防止地面沉降,提高地下结构的稳定性[53]。
处理后的粉煤灰可用于各种道路基层或底层的结合料[54]。此外,粉煤灰可以吸附无机污染物,因此使其成为垃圾填埋场地质衬垫的合适候选者[55],并且其渗透性低,可以防止地下水污染。填充可以处理大量的粉煤灰固体废物,然而在回填工作之前需根据公路施工以及地下空间的实际要求对回填的范围进行确定,并根据实际状况通过小范围试验选择合适的回填材料[56],前期准备工作较为复杂,这种复杂性和不确定性容易产生较高的处理成本。
1.4 用于制备高附加值产品
1.4.1 用作高分子填料
粉煤灰作为一种高分子填料替代一些自然的矿物是其高附加值资源化的一种重要方法。由于粉煤灰的成分与一些矿物填料的成分相近,所以其具有充当高分子填料的潜力。Ramesh等[57]通过研究证实了粉煤灰纳米填料可以增强环氧复合材料的拉伸和弯曲性能。此外,粉煤灰填料还可增强沥青黏合剂的抗氧化性[58]、替代炭黑和$SiO_{2}$用作橡胶填料[59]、充当涂料产品中的良好填料[60]以及填充聚氯乙烯树脂以增强其性能[61]等。
粉煤灰在作为高分子填料时,应注意其火山灰活性带来的副作用,尤其是在水性涂料中,pH的变化会导致粉煤灰结团,使粉煤灰的贮存稳定性大大降低。在非水性体系中,粉煤灰仍具有一定的应用可行性,只不过需要通过表面改性处理来解决粉煤灰与高分子材料的相容性问题。
1.4.2 用作陶瓷与沸石的原料
陶瓷行业的快速发展加剧了对黏土、长石等传统陶瓷原料的需求[62]。粉煤灰和传统陶瓷原料具有相似的化学成分,以粉煤灰为原料制备陶瓷材料是一种高附加值的处理方法。根据弥散强化机制,粉煤灰可替代石英和黏土制备陶瓷材料,且相较于粉煤灰基水泥,粉煤灰基陶瓷产品具有更高的经济效益[63]。Xia等[64]以粉煤灰为原料通过简单的喷雾干燥、堆叠和烧结的方法制备了多孔莫来石陶瓷,所得产品孔隙率为47%,抗压强度为31.4MPa,热导率为0.775W/(m·K)(25℃),在高抗压强度的同时还保持了高孔隙率,为粉煤灰制备高附加值陶瓷提供了一种新的思路。
沸石是一种具有多孔晶体结构的三维铝硅酸盐矿石,在催化、水净化、气体吸附和重金属吸附等多种工业应用中被广泛研究[65-66]。粉煤灰的主要成分为$Al_{2}O_{3}$和$SiO_{2}$,因而可作为合成沸石的原料,将粉煤灰用于制造沸石是在循环经济和废物回收背景下的高附加值利用方式,具有一定的市场潜力[67]。
1.4.3 用于制备功能材料
对粉煤灰进行有机或无机改性可以制备各种功能材料。如通过对粉煤灰的无机改性,在粉煤灰颗粒的表面通过相变沉积掺杂的$TiO_{2}$,进而制备可见光催化材料[68],并用于有机废水的治理。对粉煤灰的磁珠进行有机改性,与镍粉、聚苯胺等复合制备具有电磁屏蔽功能的材料[69],用于电磁污染治理。这些功能材料都是通过在粉煤灰的表面进行改性设计,具有较好的实用性。
如上所述的用作高分子填料、用作陶瓷和沸石的原料以及制备功能材料等粉煤灰高附加值资源化方式能给行业带来较高的利润,然而从处理过程以及需求量来看,高附加值产品难以大批量消纳粉煤灰。
2 粉煤灰资源化存在的问题
2.1 粉煤灰产生与资源化的特点及矛盾
2.1.1 粉煤灰产生与资源化的特点
火力发电的持续运行使得粉煤灰的产生具有持续性,且在所有火电固体废物中占有很高的比例[70]。同时,由于火力发电采用的煤来自全国各地,产生的粉煤灰性质存在较大的差异[71],这种差异使得粉煤灰在资源化的过程中很难保持原料的稳定性。同时,由于煤炭资源的区域性分布,粉煤灰会出现地区性的富集现象。这种持续性、成分差异性和区域性富集的特点对粉煤灰资源化产生了一定的阻碍。
2.1.2 粉煤灰产生与资源化的矛盾
粉煤灰产生的持续性与其资源化利用的饱和性相互矛盾。在资源化的过程中,大量的粉煤灰被用作建筑材料。由于建材行业宏观市场经济增速持续放缓,市场对建筑材料的需求容易达到饱和,这就大大限制了粉煤灰在建材这一市场方向上的利用[72]。与此同时,利润低、运输半径小等因素更容易导致市场饱和,资源化产品的附加值和利润远远不足以支持粉煤灰的长距离运输。
2.2 粉煤灰产品利润与运输半径
2.2.1 粉煤灰产品的类型与地域性
粉煤灰产品存在很强的地域性特点。应用于建筑领域的粉煤灰附加值一般不高,低附加值产品的地域性问题将更加明显。考虑环境、经济等因素,粉煤灰相对合理的收集输送方案为:在距离较小的前提下,厂址尽量选在电厂附近,或通过短途运输将其送到存储地[73]。
相比于收集、运输粉煤灰存在的距离限制,其产品的运输半径更多取决于产品的利润。如果粉煤灰产品利润不高,产品的市场拓展空间就会存在瓶颈。
2.2.2 粉煤灰产品的运输半径问题
运输半径问题是粉煤灰资源化过程中的主要难点。当前粉煤灰的综合利用过多依赖于城市建设的需求,运输半径严重制约了资源化的方式[74]。依照环保及道路运输管理规定的要求,粉煤灰在有效运输半径内必须实施全过程密封运输,将载货量严格控制在道路运输规定的范围内,这些都增加了粉煤灰运输的难度和成本[75]。运输成本对粉煤灰的输送距离、装运规模、产品的营销推广以及产能扩张的影响是巨大的。如何大力发展高附加值粉煤灰产业、提高产品的运输半径是亟须解决的关键问题。
2.3 资源化技术与处理能力
2.3.1 资源化技术与处理量的矛盾
在粉煤灰的综合利用中,用于生产水泥和混凝土等建材产品每年的粉煤灰利用量约为亿吨级。用于生产高附加值产品的粉煤灰用量较少,仅占资源化总量的5%左右[76]。这种资源化结构导致粉煤灰高附加值产品与粉煤灰处理量产生矛盾,难以成为一种主流的资源化手段。
2.3.2 大宗处理与高附加值处理的矛盾
大宗处理方式与高附加值处理方式之间存在着技术含量、处理量和产品利润之间的矛盾。目前的高附加值资源化技术难以消纳大量的粉煤灰,因此迫切需要有更多、更高效、适合产业化的高附加值资源化处理技术。在提高粉煤灰资源化处理能力的同时,提高产品附加值。此外,粉煤灰相关产业缺乏研发高附加值资源化技术的动力,一方面是技术研发力量的限制,另一方面是高附加值资源化技术因处理量少而未得到相关单位的高度重视。
3 粉煤灰处理对策
针对以上存在的多种矛盾,应调整粉煤灰处理方案,制订相应的措施来解决这些问题。
3.1 大宗快消品应对粉煤灰产生的持续性
当前,资源化利用技术的拓展与大宗快消品的生产是应对粉煤灰持续产生的主要方法。就地资源化可以消纳大量的低附加值粉煤灰制品,在今后的一段时间内仍将以就地资源化为主的方式处理粉煤灰。如用于路面填充、土壤改良等,然后再考虑制备高附加值产品。
在大宗快消品领域发掘粉煤灰的潜在应用是今后的一项长期任务。粉煤灰适合用作填料,粉煤灰的白度得到改善后,其成分可有效地用于造纸、纸箱填充等[77]。我国每年的包装材料用量巨大,把粉煤灰应用于包装材料不仅可以提高其应用附加值,还能有效地节约矿物填料。另一类大宗快消品如空气净化产品,可将粉煤灰用于调节室内空气湿度、捕捉甲醛等产品[78-79]。这种持续的市场需求可以有效应对粉煤灰产生的持续性。
3.2 高附加值应对运输半径局限
在生产技术、货物类型和运输条件的限制下,货物的运输半径会受到影响,其中生产技术水平对产品运输半径的影响较大,应优先从提高产品附加值的角度来扩大运输半径。对于运输条件,货物运输半径主要取决于各种运输方式的经济技术情况、运输网布局以及货源状况[80]。研究运输半径的经济性可以为不同运输方式的合理分工、运输成本的降低和运输效率的提高等提供理论依据[81]。以10t整车在1000km以内配货为例,目前大宗货物运输费率与运输距离关系如图2所示[82]。
图2 10t整车运费关系[82]
Fig.2 Freight relationship of complete vehicle weighing 10 tons[82]
(纵坐标为运输费,刻度0-500;横坐标为运输距离/km,刻度0-1000)
根据运输成本计算公式(式(1)),运输成本$(E)$由货运量$(sum p)$、货物平均运程$(l)$和运输费率$(e)$组成[83]。
$$E=sum ple quad(1)$$
由此可知,10t货物的运程为1000km时,每吨至少需要400~500元的运输成本。短途运输时,不仅需按货物质量加收吨次费,同时也会增加装卸成本。通过选择合适的资源化技术制备高附加值的产品,可在创造一定经济效益的同时,将粉煤灰产品运得更远。粉煤灰制品的附加值决定了其运输半径,根据当地的运输特点,发挥水路和铁路的运输优势也可以扩大粉煤灰产品的运输半径。
3.3 高附加值资源化产品的多样化应对处理能力
面对粉煤灰资源化技术含量低、利润低和处理量小的问题,需推动相关高附加值产品的研发。通常来说,高附加值产品市场需求量有限,因此只有发展多种高附加值资源化利用技术,才能达到大量消纳粉煤灰的目的。加大粉煤灰高附加值产品多样化的开发力度,在满足产品多样化需求的前提下拓展应用领域,可以有效应对处理能力不足的问题。
促进粉煤灰产品的多样性不仅利于活跃市场,也能带动相关企业的发展积极性。目前,粉煤灰产量大而利用不足,对于粉煤灰高附加值利用技术的相对缺乏,可以通过政策鼓励和引导企业同科研高校开展产学研活动,一起推动本地粉煤灰综合利用技术的发展,提升粉煤灰产品功能性,拓宽应用领域,引领粉煤灰高附加值资源化的主要趋势。
4 结论与展望
根据我国粉煤灰的排放量与当前资源化的主要特点,分析了粉煤灰资源化过程中存在的主要问题,并就相关矛盾提出相应的解决方案。总的来说,可以在大宗快消品领域发掘粉煤灰的潜在应用,来应对粉煤灰的持续产生;通过对粉煤灰高附加值资源化技术的研究,可以解决粉煤灰产品运输半径的限制,提升产品市场竞争力;通过推动粉煤灰高附加值资源化产品的多样化,来应对资源化技术含量低、利润低和处理量小的问题。
从目前存在的问题与解决的思路出发,需要有针对性地去开发相关的技术,从根本上解决持续产生的粉煤灰资源化问题。如利用粉煤灰的填料性质,在大宗快消品的应用中对其界面改性的普适性进行研究,促进其在不同领域内的大批量资源化。同时,拓展功能性粉煤灰的研发方向,促进功能化材料的发展,减少各种功能性材料消耗的同时取得良好的经济效益。总的来说,功能化的粉煤灰产品在大宗快消品领域的应用成为解决粉煤灰资源化问题的一种新的思路。
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