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粉煤灰综合利用的实验,中国目前粉煤灰的综合利用现状及前景思考

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粉煤灰综合利用管理办法_中国目前粉煤灰的综合利用现状及前景思考

摘要:本文介绍了粉煤灰的组成成分、物理和化学性质。分析了粉煤灰对环境的影响。详细阐述了粉煤灰目前的综合利用现状,探讨粉煤灰的综合利用前景。 中国论文网 https://www.xzbu.com/7/view-11217070.htm  Abstract: The composition, physical and chemical properties of fly ash are introduced in this article. The influence of fly ash on the environment is analyzed. The comprehensive utilization of fly ash is described in detail. The prospect about comprehensive utilization of fly ash is discussed.
  关键词:粉煤灰;综合利用;前景
  Key words: fly ash;comprehensive utilization;prospect
  中图分类号:TU522.3+5 文献标识码:A 文章编号:1006-4311(2016)16-0183-03
  0 引言
  粉煤灰是从煤燃烧后的烟气中捕获收集的细小颗粒,其主要组成成分为SiO2、Al2O3(约占80%),其他组成成分有Fe2O3、MgO、CaO、TiO2、P2O5、Na2O、K2O、MnO2、SO3等。具体组成比例见表1,根据粉煤灰中各成分的组成比例不同以及颗粒粒径的变化,粉煤灰的颜色有灰白、灰黑、银灰等。粉煤灰的视密度约为1.0~1.8g/cm3,密度约为2.1~2.6g/cm3,平均容重约为786kg/m3[2]。按照粉煤灰颗粒形状,粉煤灰颗粒分为3类,分别是玻璃微珠、海绵状玻璃体和炭粒。按比重分类,可分为飘珠、轻珠和沉珠。在粉煤灰形成过程中,由于表面张力的作用,粉煤灰颗粒大多为空心微珠,颗粒表面凹凸不平,极不均匀,微孔很小;一部分由于在熔融状态下相互碰撞而形成棱角较多、表面粗糙的蜂窝状颗粒。基于此,粉煤灰具有非常大的比表面积,约为1600cm2/g~3500cm2/g,需水量约为106%[3]。粉煤灰按照氧化钙含量和凝胶性两种方式进行分类,具体见表2和表3。
  不同来源的煤在相同条件下的燃烧产生的粉煤灰的化学成分组成比例差别很大,造成粉煤灰的物理和化学性质也有很大差异,即使相同的煤,在不同条件下燃烧也会造成燃烧后所产生的粉煤灰的化学和物理性质也不同,在综合利用时须充分考虑。
  由于粉煤灰对土壤、空气、水等有很大的影响,所以国内外一直在研究提高粉煤灰的综合利用价值。目前在建筑材料方面粉煤灰的应用技术比较成熟,在农业方面主要用来改善土壤和生产肥料,而且范围较小,未来应该加强在农业和环保等方面的综合利用。
  1 粉煤灰对环境的影响
  1.1 粉煤灰对土地资源的影响
  中国1995年粉煤灰的排放量越为1.25亿吨,2000年粉煤灰的排放量约为1.5亿吨,2009年粉煤灰的排放量约为3.75亿吨,2015年粉煤灰的排放量约为5.5亿吨[4]。粉煤灰的排放量逐年递增。露天堆放的粉煤灰占用大量的土地资源;而且由于粉煤灰随降水渗入土壤后,使得堆放的土壤pH值升高,导致土地盐碱化,如果盐碱化后的土地不经修复,植物根本无法生长,造成的后果就是土壤盐碱化。
  1.2 粉煤灰对水资源的影响
  粉煤灰中含有铬、砷等重金属,随降水渗入地下后会导致地下水资源重金属含量超标,进而使得用地下水灌溉的农作物重金属超标。研究表明,粉煤灰随降水渗入地下水资源后,导致地下水资源pH值升高。
  1.3 粉煤灰对空气的影响
  粉煤灰的容重只有786kg/m3,比表面积很大,露天堆放时,由于量非常大,不容易遮盖,很容易被风吹散,弥漫在空气中,使得空气中的微粒子超标,形成雾霾。弥漫的粉煤灰最终会停留在植物叶片上,阻断植物的光合作用,使得环境进一步恶化,形成恶性循环。
  2 中国粉煤灰利用现状及进展
  2.1 粉煤灰综合利用发展历程
  粉煤灰是燃煤锅炉所产生的废弃物,属于可利用的资源,中国的粉煤灰综合利用经历了“以储为主-储用结合-以用为主”三个阶段。
  第一阶段:上世纪50年代初的一段时间内,对粉煤灰的处理主要建立储灰场储灰,堆满后加高储灰场,或者另建储灰场。
  第二阶段:从上世纪50年代后期开始,中国的粉煤灰开始在建筑工程中作为混凝土、砂浆的掺合料;具有代表性的是在修建三门峡大坝时使用了大量的粉煤灰,节约了约2.13万吨水泥[5]。在建筑材料领域,粉煤灰作为原料生产砖,在道路建设中作为道路路面基层材料。从70年代开始,粉煤灰利用重点转向墙体材料,主要材料有粉煤灰密实砌块、墙板、粉煤灰烧结陶粒[6]等。
  第三阶段:从上世纪80年代开始,由于经济发展迅速,对电力需求增大,新建了很多燃煤电厂,产生的粉煤灰逐年增多。国家调整政策,扩大粉煤灰的利用范围,鼓励在建筑材料、农业、回填、化工等领域大量使用粉煤灰,极大的提高了粉煤灰的使用比例。
  2.2 粉煤灰在各领域的应用现状及进展
  2.2.1 建筑领域
  粉煤灰的化学成分为Fe2O3、MgO、CaO、TiO2、P2O5、Na2O、K2O、MnO2、SO3等,可以作为建筑原材料,因此粉煤灰在建筑领域中使用是最为广泛的,也是技术最成熟的。目前主要有以下几个方面:
  ①生产混凝土。混凝土中加入一定比例的粉煤灰,不仅不会对混凝土产生负面作用,而且会改良混凝土,可以提高混凝土的一次泵送高度,降低混凝土中的水化热,并且能增强混凝土的抗渗性、抗冲磨性和抗腐蚀性[7]。由于中国的城镇化建设,混凝土用量巨大,按照粉煤灰的化学成分组成比例的差异,掺入比例最高可以到50%[8,14]。粉煤灰在高层建筑的地下部分应用广泛,粉煤灰可提高混凝土可泵性,C60混凝土一次泵送高度350m的上海东方明珠电视塔就是掺粉煤灰泵送混凝土施工的成功实例[15]。   ②生产陶粒。粉煤灰陶粒是以粉煤灰为主要原材料和其他材料一起经高温烧结而成的颗粒。粉煤灰陶粒可以用来生产轻型隔墙板,实践证明,此种隔墙板具有良好的隔音和阻燃效果。此外,粉煤灰陶粒作为滤料,可以处理含磷、含氯、含油废水[9]。
  ③生产实心砖、空心砌块。长久以来,生产实心砖的主要原料是粘土,用粘土作为原料所生产的实心砖不仅质量大,而且浪费土地资源,破坏植被,对环境影响非常大。目前,中国有很多砖厂改用粉煤灰作为原材料生产实心砖,产品质量轻,强度大,完全能满足实心砖作为建筑材料的要求。作为原料,粉煤灰除了生产空心砖以外,还可以生产空心砌块。在80到90年代,生产空心砌块的主要原材料是沙、白灰、水泥和煤渣,生产过程中能耗大,产生大量的烟尘,而且产品质量大,强度小。2000年以后,水泥、沙、陶粒和粉煤灰成为生产空心砌块的主要原材料,与之前的制品相比,具有质量轻、强度大、隔音和保温效果良好的特点,在大型建筑和高层建筑项目中广泛使用。
  ④生产拒水粉。FGJ-拒水粉是由首都师范大学研制的一种新型分散性防水材料[10]。此防水材料以粉煤灰为主要原料,添加少量的助剂、添加剂,经过物化处理形成具有特定表面结构的分类杂化防水材料。实践表明,粉煤灰防水材料在屋面、地板防水性能良好,而且具有保温、抗裂、隔音、耐低温、耐老化的特性,应用广泛。
  2.2.2 农业领域
  粉煤灰在农业领域用量比较小,主要有以下两个方面。
  ①生产肥料。粉煤灰成分中有含磷、含氮和含钾化合物,可以加工制成肥料添加剂,或者通过电磁等加工程序,制成复合肥,目前有粉煤灰硅肥、粉煤灰磷肥、粉煤灰复合肥、粉煤灰磁化肥等。粉煤灰肥料不仅效果好,而且肥效作用比传统肥料时间长。
  ②改良土壤。粉煤灰是比表面积很大的孔体,能对水、气、热进行保存和传导。在土壤中加入适量经过处理的粉煤灰,可以增加土壤的透水性和透气性,而且粉煤灰中含有磷、氮、钾、镁、钙、铁等元素,改变土壤的物化性质,增加土壤肥性,减少农业生产中化学肥料的使用量(化学肥料使用过多会使土壤结块)[11]。张志众等人通过实验研究粉煤灰与土壤掺杂比例不同对土壤性质的影响,发现当土灰比为3:2时,总孔隙体积为63.40%,毛管孔隙体积分别为57.96%,且土壤容重最小分别为1.14g/cm3,当土灰比为4:1时总孔隙体积为52.94%,毛管孔隙体积分别为50.06%,且土壤容重最小分别为1.24g/cm3,说明随着粉煤灰与土壤的掺杂比例增加,土壤的容重降低,毛管孔隙体积增大,说明土壤物理性状最好,透气透水性能良好,土层松软,保水保肥性能增强。但是速效氮、速效磷和速效钾含量均下降,为了保证土壤的养分,粉煤灰的比例不易超过30%。[16]
  2.2.3 环保领域
  粉煤灰比表面积大,具有很高的吸附性,组成成分中有SiO2、Al2O3、CaO等活性成分,在环保领域主要有以下两个方面的应用。一、污水处理。粉煤灰的具有很强的吸附能力,因此对可以对污水中的有机和无机化合物进行吸附,经过沉淀和过滤后,完成对污水的初步处理;在有些情况下,经过粉煤灰处理的污水可以直接循环利用。二、废气处理。粉煤灰的主要成分是SiO2、Al2O3、CaO、MgO等,在有水的情况下粉煤灰与碱金属发生反应,生成比表面积很大的多空结晶物,促进Ca2+和SO2反应,起到脱硫作用[12]。粉煤灰引溶液引入氯离子后能够促进对氧氮的脱离[12-13]。
  3 粉煤灰综合利用前景
  目前粉煤灰用量最多的是在建筑领域,在其他方面用量非常小,未来粉煤灰的综合利用的方向是稳定建筑领域的用量,重点增加农业、环保等方面粉煤灰的用量,借鉴国外粉煤灰的综合利用经验,开发粉煤灰综合利用的新途径,鉴于此,作者认为主要从下几个方面深入研究。
  3.1 建工
  粉煤灰在建工方面主要是作为水泥的替代品生产商砼,商砼中粉煤灰的掺入比例最高可以达到50%,如果高于50%,混凝土凝固后会产生裂缝,产生裂缝的原因是钙含量过高[14]。未来的研究方向是在满足建筑技术要求的情况下,提高粉煤灰在商砼生产中的掺入比例。
  3.2 农业
  未来在农业方面粉煤灰主要用来修复污染土壤和生产肥料。由于中国土壤污染面积非常大,急需修复,为了国家的粮食安全和国民的饮食健康,中国已推出相关项目,对污染的土壤会大规模修复。污染土壤修复传统技术是换土,换土不仅成本高,而且置换出来的污染土壤需要继续处理。实践表明,粉煤灰是土壤修复成本最低,效果最好的“修复剂”。在一定程度上还可以增加土壤的肥度。这将是粉煤灰综合利用的主要途径之一。
  粉煤灰生产的肥料主要有粉煤灰硅肥、粉煤灰磷肥、粉煤灰复合肥、粉煤灰磁化肥,但是用量极小。未来的方向是降低粉煤灰肥料的生产成本,由国家制定政策,在农业生产中推广使用粉煤灰肥料。
  3.3 环保
  由于粉煤灰比表面积大,具有很强的吸附性,在一定条件下,可以和废水中的有害物质发生反应,生成絮状沉淀物。粉煤灰还可以吸附废气中的硫、氮、汞、甲苯、二甲苯等。从20世纪80年代开始,国外就开始使用粉煤灰合成沸石,由于粉煤灰的主要化学组成类似亚高岭石,因此,可以用富含亚高岭石的粉煤灰合成沸石。随着中国环保要求的提高,粉煤灰在环保方面发挥很大作用。
  4 结论
  粉煤灰综合利用范围很广,具有广阔的利用前景,除了目前已经利用的方面外,我们应该研究和加强在已有领域的高效利用及开发在其他领域的使用。将粉煤灰变废为宝,实现资源的高效利用。
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