摘 要：粉煤灰是火電廠燃煤過程中產生的固體殘渣，其成分復雜，具有毒性，若處理不當會對環境造成危害。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，總結了粉煤灰的品質評價方法，重點闡述了粉煤灰附加值利用技術；最后，對粉煤灰高附加值利用的發展趨勢做出了展望。
關鍵詞：粉煤灰；品質評價；高附加值利用
煤炭的大量消耗產生了大量的粉煤灰，據統計，中國每年約產生 4.5 億 t 粉煤灰 。 與普通工業副產品不同，粉煤灰成分復雜，如果處理不當會造成嚴重的環境問題， 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生環境遷移性元素的浸出問題，對周圍環境造成潛在的長期不良影響。 因此，開展相關技術對粉煤灰進行合理的處置或再利用至關重要。
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、不同電廠燃燒產生的粉煤灰品質差異較大，粉煤灰的品質差異使其適用領域也不同，這制約了它的高附加值利用， 所以構建成熟的品質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評價體系，創新集成新的粉煤灰高附加值利用技術，最終實現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，褐煤和亞煙煤燃燒產生的粉煤灰中 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，是決定其再利用潛力的關鍵。
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，通常占粉煤灰質量分數的 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 粉煤灰的品質評價
因原料來源和燃燒方式的不同， 粉煤灰品質差異較大，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，須對粉煤灰的品質進行篩選。充分了解粉煤灰的品質參數及其相互關聯，掌握準確的品質分類和評價方法，可以為粉煤灰的品質篩選提供理論依據。
2.1 品質參數及其相互關聯
粉煤灰品質的參數主要包括細度、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反應生成新物質，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，結晶相含量高，而結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有一定的關聯性， 若粉煤灰的密度發生變化，則粉煤灰的品質也可能發生變化，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 品質評價方法
當前較為常用的粉煤灰品質評價方法是單因子評價法，即根據粉煤灰不同的應用特點，選擇代表性的單項品質影響因子來評價粉煤灰的品質， 常見的粉煤灰單項品質影響因子包括密度、未燃炭含量、細度等，單因子品質評價法具有簡單易行、適用范圍廣等優勢，但它不能全面綜合地反映粉煤灰的品質，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評價法。 組合因子品質評價法是一種基于粉煤灰的應用需求篩選相關組合因子， 以組合因子的品質特征制定綜合指標（或復合指數），并根據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參數，評價結果的可信度相對較高。
3 粉煤灰的高附加值利用
3.1 確定化學激發礦渣/粉煤灰地聚物結合透水混凝土的基本配合比，獲得化學激發礦渣/粉煤灰透水混凝土施工性能調控措施及相關檢測報告。
3.1.2.開展加氣砼、路面磚、蒸壓磚產品中進行地聚物生產應用，對產品進行強度、抗凍性、耐磨性功能研究及工藝配比優化，進行批量生產，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 實施內容
3.2.1.提高生產線的產能發揮，全年預計使用地聚物3500噸，對地聚物儲存倉放料倉進行改造，提高放料效率。
3.2.2.在加氣砼儲物倉改造，實現地聚物與水泥交替使用，對產品進行強度、抗凍性研究及工藝配比優化，降低加氣砼生產線原料消耗成本。
3.2.3.在磚線利用地聚物進行生產路面磚，由前期粒狀無水偏硅酸鈉改變為粉狀劑進行添加，對產品進行強度、抗凍性、耐磨性功能研究及工藝配比優化，降低水泥消耗成本。
3.2.4.在蒸壓磚產品中進行地聚物生產應用，調整蒸養參數，降低動力能源消耗，對產品進行強度、抗凍性、抗折性功能研究及工藝配比優化，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，用于分廠庫區部分場地硬化，抑制車輛行走時造成的揚塵，提高分廠作業環境，降低環保風險，屬于長期經濟效益。
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、蒸壓磚產品中進行地聚物生產運用，計劃2020年利用地聚物規模化運用，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10.5萬立，利用地聚物替代水泥生產2萬立，所需地聚物600噸，可節約水泥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3600萬塊，利用地聚物替代石灰生產700萬塊，所需地聚物980噸，可節約水泥980噸，2020年石灰單價預計為360元/t（不含稅）。節約石灰費用：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1400萬塊，利用地聚物替代水泥生產400萬塊，所需地聚物1840噸，可節約水泥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600+980+1840=3420噸，所需地聚物添加劑約350噸，現場現有添加劑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項目，用于分廠庫區部分地面硬化，降低生產產品下線破損和車輛行走時造成的揚塵，提高固廢利用率。
（二）創效合計：
1. 2020年中試線地聚物共計生產600+980+1840=3420噸，因中試線產能發揮有限，各線按照計劃錯峰利用地聚物進行生產。則2020年全年創效為：20.7+35.3+47.1=103.1萬元。
2. 透水混凝土的研發項目，用于庫區部分場地硬化，抑制車輛行走時造成的揚塵，提高分廠作業環境，降低環保風險，屬于長期經濟效益。
5 總結與展望
粉煤灰組成成分復雜， 其品質因煤的燃燒方式和來源的不同而參差不齊。 本文綜述了現有的粉煤灰品質評價方法以及高附加值利用技術， 對未來發展方向提出如下建議：
5.1全面分析粉煤灰品質影響參數及其相互關聯，開展粉煤灰的組分、結構、形貌等品質特征與粉煤灰性能之間聯系的研究，完善粉煤灰的分類體系；
5.2應加強研發綠色、低成本、高效的集成技術，針對剩余尾渣的組成、存在形態及特點， 對尾渣進行再利用， 加工成吸附劑、催化劑載體等，最終實現可持續發展與循環經濟的理念；
5.3應加大對粉煤灰高附加值利用的政策扶持力度， 鼓勵產灰企業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的工業化應用。