摘要:火力发电耗煤占全国煤炭总消费量的47%左右,而粉煤灰则是火力发电产生最多的副产物。目前我国粉煤灰的综合利用率不高,而粉煤灰属于资源性的工业废渣,且具有很好的吸附能力,能有效去除废水中的COD、BOD、色素、磷和铬等重金属离子,也可用于加工成混凝剂、烟气脱硫剂等。故,粉煤灰的综合利用具有很大的潜在发展空间和环保效益、经济效益。
关键词:粉煤灰;综合利用;废水废气处理
1慨况
火力发电厂煤粉燃烧后,会产生70%-80%的粉状灰随烟气带走。在炉膛内部高温燃烧过程中呈熔融状态,在表面张力作用下形成液滴。在烟道排出时,急速冷却,形成0.5-250μm含铁铝的硅酸盐玻璃球粒,统称“微珠”,煤粉的粒度越细越容易成球状。部分粉煤灰颗粒中残留了炉内的烟气,形成空心微珠;部分微珠粘聚在一起,形成复珠;部分未形成液态的粗颗粒粉煤灰,变成多孔玻璃体;还有一部分更大颗粒的从炉膛底部排渣口排除,称为“炉渣”。
有的粉煤灰颗粒呈中空状,表面光滑,且内部具有封闭式空洞;有的粉煤灰颗粒表面粗糙,形状不规则,含开放性空洞;还有的粉煤灰颗粒有多个小颗粒粘聚形成,其表面较为粗糙,多棱角。所以粉煤灰实际上是铁铝等不同矿物质、多种粒径和形态组成成的机械混合物。
粉煤灰主要来自于煤中的无机组分,而煤中无机组分是以粘土矿物为主,还有有少量黄铁矿、方解石、石英等矿物。所以没燃烧后形成的粉煤灰主要是由SiO2和Al2O3组成,还有部分Fe2O3、CaO、MgO和未燃烧完全的有机质,所以不同条件下产生的粉煤灰的化学成分差别很大。
2粉煤灰特性及其利用方向
2.1粉煤灰由于其质量轻、耐高温、球形颗粒、稳定的化学性质以及价格低廉(锅炉副产物)等特点,可直接用于水泥制造行业原材料。既节约水生产成本,又降低粉煤灰对环境的污染。在粉煤灰中加入粘土、工业废渣、调理剂等,可制备烧结砖、保温隔热板、空心砌块等。这些材料大都具有轻质保温、抗压美观、施工方便等特点。
2.2粉煤灰孔洞多、比表面积大,内部含有Al2O3、CaO、MgO等活性基团,具有很好的物理和化学吸附能力。在一定的条件下,可以与废水、废气中有害物质发生反应,达到吸附去除的作用,降低污染物的排放。
2.3粉煤灰还可以通过表面处理后,形成功能化复合颗粒,作为填料或功能材料的载体。如CVD(化学气相沉淀法)方法就是通过控制温度,利用混合气体和粉煤灰表面相互作用,将混合气体内的部分成分在表面聚集,逐渐增大,最终连结成完整的包覆层,得到镀层。
虽然政府鼓励推进粉煤灰的资源化利用,但实际利用率不足60%。主要集中在建筑行业和路基等方面,产品附加值较低。
3粉煤灰的应用
3.1在建材方面的应用
由于粉煤灰表面积大、密度小,加入水泥中作为辅助性材料,可以使水泥浆体结构更加均匀,结构更加稳定,同时可以降低导热系数,使得水泥拥有较好的物理热力性能。同时,粉煤灰中含有未燃尽的碳,在使用粉煤灰生产建材材料时,还可以节省部分燃料能源输入。
用粉煤灰、石灰、水泥、石膏掺配,生产出多孔粉煤灰加气混凝土,可以制成不同容重和强度的面板、砌块、墙板,满足不同用户需求和用途。因其具有轻质、绝热、耐火等优良性能,可用做屋面保温、维护墙、隔断墙、亦可做承重墙。另外,由于粉煤灰中含有游离CaO,利用“高标号水泥+大产量粉煤灰+高效减水剂”的方法,生产高钙粉煤灰的混凝土掺和料。
3.2在废水处理中的应用
鉴于粉煤灰有较强的吸附性,可以对废水中COD、BOD、色度进行有效的去除,而且对水中部分重金属离子也有一定的去除作用。在城市污水处理系统中投加粉煤灰,并结合助凝剂作用吸附污水中的有害物质。
通过调整粉煤灰与助凝剂比例及混合沉降时间,COD、BOD的去除率能达到60%以上,悬浮物的去除率能达到90%以上,而且对色度和臭味的去除效果也非常明显。
根据粉煤灰对于重金属铬的去除选择性(对三价铬有较强的去除能力,对六价铬去除能力极弱),将含有六价铬的废水,通过加入过量20%的硫酸亚铁,将六价铬还原为三价铬,再用粉煤灰进行处理,综合去除率可达到90%以上。同时,粉煤灰对铅、汞、锌等离子也有很好的去除作用。
由于粉煤灰中含有Al2O3成份,在一定的温度条件下,也可以通过与盐酸、硫铁矿烧渣浸泡后,可提制废水处理混凝剂。
3.3粉煤灰作烟气脱硫剂
煤在炉膛燃烧后,部分CaO、MgO等碱性物质会随粉煤灰携带。利用这一特性,将粉煤灰作为烟气脱硫剂,通过反应器将烟气中的酸性气体中和生成无害的酸性盐类。部分电站锅炉将飞灰送至尾部烟道,并在反应器中加入部分水,实现飞灰再循环脱硫,若由于粉煤灰含钙量不足,脱硫钙硫比低时,可适当添加石灰石粉等提高脱硫效果。
有研究表明,粉煤灰在由常温水的条件下,就可以与碱金属和碱土金属发生“凝硬反应”,生成(xCaO•ySiO2•zH2O)和(xCaO•ySiO2•zAl2O3•wH2O)。该产物是多孔晶体、呈纤维状,具有很大的表面积和高持水性,对SO2有很强的吸收能力。另外,粉煤灰中镁、铝、铁等微量元素对脱硫过程还有一定的催化作用。
3.4在农业生产中的应用
粉煤灰的硅酸盐矿物和碳粒具有土壤本身的硅酸盐类矿物所不具备的多孔性质,可以加工制作微生物复合肥,用于土壤改良。多孔洞可以改善空气和雨水在土壤内的交换和扩散,很好的调节土壤的温度和湿度,有助于植物根部的营养吸收,降低温度、湿度不适宜引起的病虫害发生。
3.5在提取氧化物中的应用
粉煤灰富含氧化硅、氧化铝和氧化铁。据统计,中国粉煤灰中氧化硅的含量为40%以上,Al2O3的统计平均质量分数约30%,Fe2O3的统计平均质量分数约5%-10%。在铝资源是我国工业发展的缺乏资源之一,粉煤灰中铝粉的提取可以有效缓解我国工业发展对铝资源的需求困境。
目前,粉煤灰中提取氧化铝或铝盐的主要工艺是碱法烧结和酸浸法,均处于试验阶段,工业化应用较少。
碱法烧结是将粉煤灰与石灰石或石灰混合烧结,生成铝盐,实现硅铝的提取。该方法能耗高、渣产生量大;但是可以节省粉磨的能耗,所产生的不溶性硅酸钙可以用于水泥生产。
酸浸法是使用氟化物助溶剂以破坏粉煤灰中硅铝玻璃体和莫来石的结构,实现铝的提取。该方法所提取的铝资源比较纯净,但是对设备要求高,投入成本较高。
4粉煤灰的发展趋势
我国的能源消耗70%以上都是来自煤炭,其中电力行业耗煤量更是占到总消费量的一半以上,而粉煤灰也是火力发电的必然产物。
但是,目前我国粉煤灰利用方向主要是低产值利用,粉煤灰消耗量大,且资源量费严重,易对环境造成二次污染。粉煤灰综合利用还存在很多问题有待深入研究和探讨。高值利用是我国粉煤灰的发展以及研究的主要方向,既要节约资源,也要产生高的经济效益,还要降低对环境的影响。同时,应从粉煤灰中提取氧化铝的工艺进行深入研究,简化工艺,降低污染,制定成本低的绿色节能科学工艺,缓解我国资源匮乏的现状。
粉煤灰的综合利用是一项长期的技术经济政策,不仅可以变废为宝,还可以以废治废,所创造的经济效益和环保效益是非常可观的。
参考文献:
[1]梁娜.粉煤灰处理城市污水的研究.粉煤灰综合利用,2018;(1):59一604
[2]礼建.用粉煤灰处理含铬废水的试验研究.粉煤灰综合利用,2018;(2):38