摘 要：粉煤灰是火電廠燃煤過程中產(chǎn)生的固體殘渣，其成分復雜，具有毒性，若處理不當會對環(huán)境造成危害。因此，粉煤灰的高附加值利用迫在眉睫。 然而，粉煤灰的品質(zhì)是制約其高附加值利用的主要因素。 針對上述問題，粉煤灰的資源化特性，總結(jié)了粉煤灰的品質(zhì)評價方法，重點闡述了粉煤灰附加值利用技術(shù)；最后，對粉煤灰高附加值利用的發(fā)展趨勢做出了展望。
關(guān)鍵詞：粉煤灰；品質(zhì)評價；高附加值利用
煤炭的大量消耗產(chǎn)生了大量的粉煤灰，據(jù)統(tǒng)計，中國每年約產(chǎn)生 4.5 億 t 粉煤灰 。 與普通工業(yè)副產(chǎn)品不同，粉煤灰成分復雜，如果處理不當會造成嚴重的環(huán)境問題， 而目前粉煤灰的主要處理方式是簡易貯存或回填。 露天貯存的粉煤灰不僅占用了大量土地，細小的粉煤灰顆粒揮散到空氣中，還會嚴重污染大氣；粉煤灰中的有害元素如 Cr 、 Cd 、 Ni 、 Pb 等重金屬，遇水后擴散到周圍環(huán)境中，會造成土壤、地表水和地下水的污染，進而對生物健康造成威脅；掩埋處理的粉煤灰容易發(fā)生環(huán)境遷移性元素的浸出問題，對周圍環(huán)境造成潛在的長期不良影響。 因此，開展相關(guān)技術(shù)對粉煤灰進行合理的處置或再利用至關(guān)重要。
當前粉煤灰的資源化利用主要集中在制造水泥、混凝土、道路填料等低附加值領域，高附加值領域的應用很少， 僅占粉煤灰總利用量的 10% 左右，因此，應該加強對粉煤灰高附加值利用領域的研究。 不同地區(qū)、不同電廠燃燒產(chǎn)生的粉煤灰品質(zhì)差異較大，粉煤灰的品質(zhì)差異使其適用領域也不同，這制約了它的高附加值利用， 所以構(gòu)建成熟的品質(zhì)評價體系對有效推動粉煤灰的高附加值利用而言十分必要。 目前適用于粉煤灰高附加值利用領域的品質(zhì)評價體系較為缺乏。綜上所述，促進粉煤灰高附加值利用需要，要建立完善的適用于粉煤灰高附加值利用的品質(zhì)評價體系，創(chuàng)新集成新的粉煤灰高附加值利用技術(shù)，最終實現(xiàn)粉煤灰高附加值利用就顯得尤為重要。
1 粉煤灰的資源化特性
1.1 粉煤灰的物理特性
粉煤灰是由直徑為 1~100 μm 的球體組成的團聚體， 具有可研磨性、 大比表面積和優(yōu)良的吸附活性；它的顏色通常呈灰白色或灰黑色，顏色的深淺取決于煤燃燒過程中未燃炭的比例，含炭量越低（高），顏色越淺（深） 。
1.2 粉煤灰的化學特性
粉煤灰的主要化學組分是 SiO2 和 Al2O3 （兩者之和約占 80% 以上），此外還含有一定量的 Fe2O3 、 TiO2和 CaO ； 粉煤灰化學組分的差異與燃料煤的種類有關(guān)，褐煤和亞煙煤燃燒產(chǎn)生的粉煤灰中 Ca 、Mg 、S 等氧化物含量較高， SiO2 、Al2O3 及 C 含量較低，粉煤灰的化學組分及其存在性質(zhì)，是決定其再利用潛力的關(guān)鍵。
1.3 粉煤灰的礦物學特性
在礦物學方面，粉煤灰主要由玻璃體、晶體相組成，此外還含有一定量的未燃炭。其中玻璃體組分多為鋁硅酸鹽玻璃體，通常占粉煤灰質(zhì)量分數(shù)的 60%以上；粉煤灰的晶體相成分主要是莫來石、石英石和鐵礦，在晶體相物質(zhì)中莫來石所占的比例最大，約占總量的 6%~15% ；未燃炭在粉煤灰中一般不超過5%。 粉煤灰的礦物組成還受燃燒裝置等的影響。粉煤灰中含有大量的鋁硅酸鹽玻璃、石英和莫來石，此外，燃料成分對粉煤灰的礦物組成也有較大影響。
2 粉煤灰的品質(zhì)評價
因原料來源和燃燒方式的不同， 粉煤灰品質(zhì)差異較大，其適用領域及程度也有較大差異。為了有效利用粉煤灰資源，須對粉煤灰的品質(zhì)進行篩選。充分了解粉煤灰的品質(zhì)參數(shù)及其相互關(guān)聯(lián)，掌握準確的品質(zhì)分類和評價方法，可以為粉煤灰的品質(zhì)篩選提供理論依據(jù)。
2.1 品質(zhì)參數(shù)及其相互關(guān)聯(lián)
粉煤灰品質(zhì)的參數(shù)主要包括細度、密度、燒失量、比表面積、活性等。 一般情況下粉煤灰的細度越小，燒失量越小，比表面積越大，其活性位點越多，活性越高， 活性高的粉煤灰容易與其他物質(zhì)反應生成新物質(zhì)，適用于資源化利用；粉煤灰的燒失量與未燃炭的含量成正比，燒失量或未燃炭量少，說明燃燒充分，結(jié)晶相含量高，而結(jié)晶相對粉煤灰的活性有顯著影響，燒失量小的粉煤灰活性較高；粉煤灰的密度與粉煤灰的品質(zhì)有一定的關(guān)聯(lián)性， 若粉煤灰的密度發(fā)生變化，則粉煤灰的品質(zhì)也可能發(fā)生變化，粉煤灰的密度還決定了粉煤灰的均勻性 。
2.2 分類方法
粉煤灰的分類方法大多針對于粉煤灰制建材、填料等低附加值領域。將粉煤灰分為硅鋁酸鹽型（ S ）、鈣硅鋁酸鹽型（ CS ）、鐵硅鋁酸鹽型（ FS ）及鐵鈣硅鋁酸鹽型（ FCS ） 4 類；根據(jù)粉煤灰中主要礦物相總含量的不同，將粉煤灰分為火山灰型 （ P ）、惰性型（ I ）、活性型（ A ）和混合型（ M ） 4種子類型。
2.3 品質(zhì)評價方法
當前較為常用的粉煤灰品質(zhì)評價方法是單因子評價法，即根據(jù)粉煤灰不同的應用特點，選擇代表性的單項品質(zhì)影響因子來評價粉煤灰的品質(zhì)， 常見的粉煤灰單項品質(zhì)影響因子包括密度、未燃炭含量、細度等，單因子品質(zhì)評價法具有簡單易行、適用范圍廣等優(yōu)勢，但它不能全面綜合地反映粉煤灰的品質(zhì)，容易造成資源浪費。為解決上述問題，最典型的是組合因子品質(zhì)評價法。 組合因子品質(zhì)評價法是一種基于粉煤灰的應用需求篩選相關(guān)組合因子， 以組合因子的品質(zhì)特征制定綜合指標（或復合指數(shù)），并根據(jù)綜合指標進行評價的新方法，它綜合考慮了粉煤灰的多個品質(zhì)參數(shù)，評價結(jié)果的可信度相對較高。
3 粉煤灰的高附加值利用
3.1 確定化學激發(fā)礦渣/粉煤灰地聚物結(jié)合透水混凝土的基本配合比，獲得化學激發(fā)礦渣/粉煤灰透水混凝土施工性能調(diào)控措施及相關(guān)檢測報告。
3.1.2.開展加氣砼、路面磚、蒸壓磚產(chǎn)品中進行地聚物生產(chǎn)應用，對產(chǎn)品進行強度、抗凍性、耐磨性功能研究及工藝配比優(yōu)化，進行批量生產(chǎn)，降低原料成本。
3.1.3.采用地聚物進行透水混凝土實驗室配比研究試驗。
3.2 實施內(nèi)容
3.2.1.提高生產(chǎn)線的產(chǎn)能發(fā)揮，全年預計使用地聚物3500噸，對地聚物儲存?zhèn)}放料倉進行改造，提高放料效率。
3.2.2.在加氣砼儲物倉改造，實現(xiàn)地聚物與水泥交替使用，對產(chǎn)品進行強度、抗凍性研究及工藝配比優(yōu)化，降低加氣砼生產(chǎn)線原料消耗成本。
3.2.3.在磚線利用地聚物進行生產(chǎn)路面磚，由前期粒狀無水偏硅酸鈉改變?yōu)榉蹱顒┻M行添加，對產(chǎn)品進行強度、抗凍性、耐磨性功能研究及工藝配比優(yōu)化，降低水泥消耗成本。
3.2.4.在蒸壓磚產(chǎn)品中進行地聚物生產(chǎn)應用，調(diào)整蒸養(yǎng)參數(shù)，降低動力能源消耗，對產(chǎn)品進行強度、抗凍性、抗折性功能研究及工藝配比優(yōu)化，降低石灰消耗成本。
3.2.5.在夏季，采用地聚物進行透水混凝土實驗室配比研究，用于分廠庫區(qū)部分場地硬化，抑制車輛行走時造成的揚塵，提高分廠作業(yè)環(huán)境，降低環(huán)保風險，屬于長期經(jīng)濟效益。
4 效益分析
4.1 原料成本費用：隨著2019年年底，上行原料、運輸成本的上升，各水泥廠均進行漲價，P.O42.5級和P.SA32.5級兩種等級水泥價格漲幅在8.9%-10.1%。通過2019年年底利用礦渣/粉煤灰地聚物在加氣砼、路面磚、蒸壓磚產(chǎn)品中進行地聚物生產(chǎn)運用，計劃2020年利用地聚物規(guī)模化運用，降低原料成本。
4.2 加氣砼運用：2019年加氣砼使用水泥2894噸，2020年計劃生產(chǎn)10.5萬立，利用地聚物替代水泥生產(chǎn)2萬立，所需地聚物600噸，可節(jié)約水泥600噸，P.O42.5級每噸水泥采購費用345元/t（不含稅）。通過項目開展，節(jié)約水泥費用：使用P.O42.5級水泥600t*345元/t=20.7萬元。
4.3 蒸壓磚運用：蒸壓磚運用過程中，可全部替代石灰、建筑石膏粉用量，2020年計劃生產(chǎn)3600萬塊，利用地聚物替代石灰生產(chǎn)700萬塊，所需地聚物980噸，可節(jié)約水泥980噸，2020年石灰單價預計為360元/t（不含稅）。節(jié)約石灰費用：980t*360元/t=35.3萬元。
4.4 路面磚運用：2019年路面磚使用水泥6988.67噸，2020年計劃生產(chǎn)1400萬塊，利用地聚物替代水泥生產(chǎn)400萬塊，所需地聚物1840噸，可節(jié)約水泥1840噸，P.SA32.5級水泥每噸采購費用256元/t（不含稅）。通過項目開展，節(jié)約水泥費用：使用P.SA32.5級水泥1840t*256元/t=47.1萬元。
4.5 原料采購費用：將能源材料費用65萬元和項目費用（外部）38萬元用于分廠地聚物添加劑采購，2020年中試線地聚物共計生產(chǎn)600+980+1840=3420噸，所需地聚物添加劑約350噸，現(xiàn)場現(xiàn)有添加劑30噸，每噸添加劑約2800元，共計（350-30）*2800=89.6萬元。
4.5 透水混凝土的研發(fā)費用：除采購添加劑費用，剩余的53.4萬元進行透水混凝土的研發(fā)項目，用于分廠庫區(qū)部分地面硬化，降低生產(chǎn)產(chǎn)品下線破損和車輛行走時造成的揚塵，提高固廢利用率。
（二）創(chuàng)效合計：
1. 2020年中試線地聚物共計生產(chǎn)600+980+1840=3420噸，因中試線產(chǎn)能發(fā)揮有限，各線按照計劃錯峰利用地聚物進行生產(chǎn)。則2020年全年創(chuàng)效為：20.7+35.3+47.1=103.1萬元。
2. 透水混凝土的研發(fā)項目，用于庫區(qū)部分場地硬化，抑制車輛行走時造成的揚塵，提高分廠作業(yè)環(huán)境，降低環(huán)保風險，屬于長期經(jīng)濟效益。
5 總結(jié)與展望
粉煤灰組成成分復雜， 其品質(zhì)因煤的燃燒方式和來源的不同而參差不齊。 本文綜述了現(xiàn)有的粉煤灰品質(zhì)評價方法以及高附加值利用技術(shù)， 對未來發(fā)展方向提出如下建議：
5.1全面分析粉煤灰品質(zhì)影響參數(shù)及其相互關(guān)聯(lián)，開展粉煤灰的組分、結(jié)構(gòu)、形貌等品質(zhì)特征與粉煤灰性能之間聯(lián)系的研究，完善粉煤灰的分類體系；
5.2應加強研發(fā)綠色、低成本、高效的集成技術(shù)，針對剩余尾渣的組成、存在形態(tài)及特點， 對尾渣進行再利用， 加工成吸附劑、催化劑載體等，最終實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展與循環(huán)經(jīng)濟的理念；
5.3應加大對粉煤灰高附加值利用的政策扶持力度， 鼓勵產(chǎn)灰企業(yè)積極對粉煤灰進行有效處理及利用，推進粉煤灰高附加值利用技術(shù)的工業(yè)化應用。