摘 要：粉煤灰是火電廠燃煤過程中產(chǎn)生的固體殘?jiān)?，其成分?fù)雜，具有毒性，若處理不當(dāng)會(huì)對(duì)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(duì)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(píng)價(jià)方法，重點(diǎn)闡述了粉煤灰附加值利用技術(shù)；最后，對(duì)粉煤灰高附加值利用的發(fā)展趨勢(shì)做出了展望。
關(guān)鍵詞：粉煤灰；品質(zhì)評(píng)價(jià)；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(jì)，中國(guó)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(fù)雜，如果處理不當(dāng)會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境問題， 而目前粉煤灰的主要處理方式是簡(jiǎn)易貯存或回填。 露天貯存的粉煤灰不僅占用了大量土地，細(xì)小的粉煤灰顆粒揮散到空氣中，還會(huì)嚴(yán)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(kuò)散到周圍環(huán)境中，會(huì)造成土壤、地表水和地下水的污染，進(jìn)而對(duì)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(duì)周圍環(huán)境造成潛在的長(zhǎng)期不良影響。 因此，開展相關(guān)技術(shù)對(duì)粉煤灰進(jìn)行合理的處置或再利用至關(guān)重要。
當(dāng)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(lǐng)域，高附加值領(lǐng)域的應(yīng)用很少， 僅占粉煤灰總利用量的 10% 左右，因此，應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)粉煤灰高附加值利用領(lǐng)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(lǐng)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(píng)價(jià)體系對(duì)有效推動(dòng)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(lǐng)域的品質(zhì)評(píng)價(jià)體系較為缺乏。綜上所述，促進(jìn)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(píng)價(jià)體系，創(chuàng)新集成新的粉煤灰高附加值利用技術(shù)，最終實(shí)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(tuán)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(xué)特性
粉煤灰的主要化學(xué)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(xué)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(xué)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(xué)特性
在礦物學(xué)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?jǐn)?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(duì)粉煤灰的礦物組成也有較大影響。
2 粉煤灰的品質(zhì)評(píng)價(jià)
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(lǐng)域及程度也有較大差異。為了有效利用粉煤灰資源，須對(duì)粉煤灰的品質(zhì)進(jìn)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(zhǔn)確的品質(zhì)分類和評(píng)價(jià)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(xì)度、密度、燒失量、比表面積、活性等。 一般情況下粉煤灰的細(xì)度越小，燒失量越小，比表面積越大，其活性位點(diǎn)越多，活性越高， 活性高的粉煤灰容易與其他物質(zhì)反應(yīng)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(duì)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(duì)于粉煤灰制建材、填料等低附加值領(lǐng)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(píng)價(jià)方法
當(dāng)前較為常用的粉煤灰品質(zhì)評(píng)價(jià)方法是單因子評(píng)價(jià)法，即根據(jù)粉煤灰不同的應(yīng)用特點(diǎn)，選擇代表性的單項(xiàng)品質(zhì)影響因子來評(píng)價(jià)粉煤灰的品質(zhì)， 常見的粉煤灰單項(xiàng)品質(zhì)影響因子包括密度、未燃炭含量、細(xì)度等，單因子品質(zhì)評(píng)價(jià)法具有簡(jiǎn)單易行、適用范圍廣等優(yōu)勢(shì)，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(fèi)。為解決上述問題，最典型的是組合因子品質(zhì)評(píng)價(jià)法。 組合因子品質(zhì)評(píng)價(jià)法是一種基于粉煤灰的應(yīng)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(biāo)（或復(fù)合指數(shù)），并根據(jù)綜合指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)的新方法，它綜合考慮了粉煤灰的多個(gè)品質(zhì)參數(shù)，評(píng)價(jià)結(jié)果的可信度相對(duì)較高。
3 粉煤灰的高附加值利用
3.1 確定化學(xué)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(xué)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(cè)報(bào)告。
3.1.2.開展加氣砼、路面磚、蒸壓磚產(chǎn)品中進(jìn)行地聚物生產(chǎn)應(yīng)用，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行強(qiáng)度、抗凍性、耐磨性功能研究及工藝配比優(yōu)化，進(jìn)行批量生產(chǎn)，降低原料成本。
3.1.3.采用地聚物進(jìn)行透水混凝土實(shí)驗(yàn)室配比研究試驗(yàn)。
3.2 實(shí)施內(nèi)容
3.2.1.提高生產(chǎn)線的產(chǎn)能發(fā)揮，全年預(yù)計(jì)使用地聚物3500噸，對(duì)地聚物儲(chǔ)存?zhèn)}放料倉(cāng)進(jìn)行改造，提高放料效率。
3.2.2.在加氣砼儲(chǔ)物倉(cāng)改造，實(shí)現(xiàn)地聚物與水泥交替使用，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行強(qiáng)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(jìn)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(jìn)行添加，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行強(qiáng)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(jìn)行地聚物生產(chǎn)應(yīng)用，調(diào)整蒸養(yǎng)參數(shù)，降低動(dòng)力能源消耗，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行強(qiáng)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(jìn)行透水混凝土實(shí)驗(yàn)室配比研究，用于分廠庫(kù)區(qū)部分場(chǎng)地硬化，抑制車輛行走時(shí)造成的揚(yáng)塵，提高分廠作業(yè)環(huán)境，降低環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)，屬于長(zhǎng)期經(jīng)濟(jì)效益。
4 效益分析
4.1 原料成本費(fèi)用：隨著2019年年底，上行原料、運(yùn)輸成本的上升，各水泥廠均進(jìn)行漲價(jià)，P.O42.5級(jí)和P.SA32.5級(jí)兩種等級(jí)水泥價(jià)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(jìn)行地聚物生產(chǎn)運(yùn)用，計(jì)劃2020年利用地聚物規(guī)?；\(yùn)用，降低原料成本。
4.2 加氣砼運(yùn)用：2019年加氣砼使用水泥2894噸，2020年計(jì)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(jí)每噸水泥采購(gòu)費(fèi)用345元/t（不含稅）。通過項(xiàng)目開展，節(jié)約水泥費(fèi)用：使用P.O42.5級(jí)水泥600t*345元/t=20.7萬元。
4.3 蒸壓磚運(yùn)用：蒸壓磚運(yùn)用過程中，可全部替代石灰、建筑石膏粉用量，2020年計(jì)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(jià)預(yù)計(jì)為360元/t（不含稅）。節(jié)約石灰費(fèi)用：980t*360元/t=35.3萬元。
4.4 路面磚運(yùn)用：2019年路面磚使用水泥6988.67噸，2020年計(jì)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(jí)水泥每噸采購(gòu)費(fèi)用256元/t（不含稅）。通過項(xiàng)目開展，節(jié)約水泥費(fèi)用：使用P.SA32.5級(jí)水泥1840t*256元/t=47.1萬元。
4.5 原料采購(gòu)費(fèi)用：將能源材料費(fèi)用65萬元和項(xiàng)目費(fèi)用（外部）38萬元用于分廠地聚物添加劑采購(gòu)，2020年中試線地聚物共計(jì)生產(chǎn)600+980+1840=3420噸，所需地聚物添加劑約350噸，現(xiàn)場(chǎng)現(xiàn)有添加劑30噸，每噸添加劑約2800元，共計(jì)（350-30）*2800=89.6萬元。
4.5 透水混凝土的研發(fā)費(fèi)用：除采購(gòu)添加劑費(fèi)用，剩余的53.4萬元進(jìn)行透水混凝土的研發(fā)項(xiàng)目，用于分廠庫(kù)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(shí)造成的揚(yáng)塵，提高固廢利用率。
（二）創(chuàng)效合計(jì)：
1. 2020年中試線地聚物共計(jì)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(jì)劃錯(cuò)峰利用地聚物進(jìn)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(xiàng)目，用于庫(kù)區(qū)部分場(chǎng)地硬化，抑制車輛行走時(shí)造成的揚(yáng)塵，提高分廠作業(yè)環(huán)境，降低環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)，屬于長(zhǎng)期經(jīng)濟(jì)效益。
5 總結(jié)與展望
粉煤灰組成成分復(fù)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(píng)價(jià)方法以及高附加值利用技術(shù)， 對(duì)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(yīng)加強(qiáng)研發(fā)綠色、低成本、高效的集成技術(shù)，針對(duì)剩余尾渣的組成、存在形態(tài)及特點(diǎn)， 對(duì)尾渣進(jìn)行再利用， 加工成吸附劑、催化劑載體等，最終實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展與循環(huán)經(jīng)濟(jì)的理念；
5.3應(yīng)加大對(duì)粉煤灰高附加值利用的政策扶持力度， 鼓勵(lì)產(chǎn)灰企業(yè)積極對(duì)粉煤灰進(jìn)行有效處理及利用，推進(jìn)粉煤灰高附加值利用技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用。