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新形势下的粉煤灰综合利用分析

发布日期:2020-09-01  来源:能源与节能  作者:郭彦青  浏览次数:362
 电能是工业发展的“粮食”,保证电能的供应对于工业的快速发展具有十分重要的意义。电能的来源有火力发电、水力发电、风力发电、太阳能发电以及核能发电,现在用的电能主要来源于火力发电。火力发电是通过炭燃烧产生热量驱动涡轮机来发电,要燃烧大量的煤。火力发电燃烧用的煤多为机械粉碎后的煤粉,而这些煤粉在充分燃烧后会产生一定的粉煤灰。从某种程度上来说,粉煤灰是一种固体废弃物,若进行处理,则会造成严重的环境污染[1-2]。现在中国对环保的要求越来越高,在这种形势下需要重视粉煤灰的综合利用,以实现对环境的保护。经过实验室分析发现,粉煤灰具有一定的利用价值,可以二次利用。下面将对粉煤灰处理的必要性和粉煤灰综合利用的途径进行具体的分析。

1 粉煤灰处理的必要性

粉煤灰是指煤炭在高温燃烧后产生的碎末,主要是煤炭燃烧后有机物、水丢失形成的灰分。初形成的粉煤灰在空气中快速冷却后会形成规则且致密的固体物质。粉煤灰的产量与煤的变质程度有很大的关系,变质程度越高,煤燃烧形成的粉煤灰量越少。经过化验可知,粉煤灰主要是由莫来石等组成的结构致密且化学性质比较稳定的矿物,其主要化学成分为 SiO2、Al2O3 和 Fe2O3,这三种物质占总量的 70%左右,其他的成分如 CaO、MgO 和微量元素占 30%左右[3]。值得注意的是,粉煤灰的物理性质和化学性质与煤粉的细度、燃烧条件以及收集方式有很大的关系。

目前,中国粉煤灰的利用率相对较低,大多数粉煤灰堆积在发电厂周围,占用了大量的土地资源,如图 1所示。中国人口众多,土地资源极其宝贵,粉煤灰长期占用土地本身就是对资源的一种浪费。由于粉煤灰长期得不到处理,堆积的量只会越来越大,占用的土地也会越来越多。为了堆放产生的粉煤灰,一些电厂还占用了农业用地,这是十分不可取的。露天堆积的粉煤灰,在风力较大时会随风飘散,容易造成粉尘污染,而且这些粉尘在雨水作用下还会对建筑物造成腐蚀。与此同时,粉煤灰还容易污染水资源,这是因为粉煤灰在风力作用下会散落到河里,造成水资源浑浊,而且粉煤灰中的重属溶解到水中,还会引起水的重金属超标。一部分煤灰会随雨水落到地表,对农作物、草地以及树木产直接或间接的影响[4]。长期生活在高粉尘环境中的人容易患上慢性疾病,严重威胁到人们的身体健康。因此,必须采取有效的措施对粉煤灰进行处理,减少对环境污染。随着社会的发展,越来越多的人开始关注粉煤灰问题,政府也开始出台相应的措施来治理粉煤灰污染。

2 粉煤灰的综合利用途径分析

2.1 制成建筑材料

在粉煤灰中加入一定比例的沙子、水泥后可以制成空心砖 (如图 2 所示),用于房屋的建造,在比例控制恰当的情况下,空心砖具有很高的强度。这是一种最简单的粉煤灰利用方法,初期不需要投入太多,而且能获得很好的经济效益。经过化验可知,粉煤灰的主要成分是 SiO2、Al2O3 和 Fe2O3,这三种成分的熔、沸点极高,可以将粉煤灰制成耐火材料。此外,粉煤灰还具有耐化学腐蚀、细度高的特点,依据这种特性,可以将粉煤灰制成粉煤灰水泥,对于一些对防渗要求比较高的工程具有良好的适用性,例如港口工程、海防工程等。

2.2 提炼 Al2O3

一些地区产出的煤燃烧时形成的粉煤灰中 Al2O3 的含量非常高,例如山西、内蒙古等地的粉煤灰中 Al2O3的含量可以达到 50%,具有很高的提炼价值。回收粉煤灰中的 Al2O3,有利于资源的合理利用。目前,已经有部分企业开始尝试从粉煤灰中提炼 Al2O3,例如大唐电力集团已经建立了年产 2.0×105 t 的粉煤灰提炼 Al2O3工程,神华准能公司已经建成了年产 4.0×107 t Al2O3 工厂。在中国,从粉煤灰中提炼 Al2O3 仍处于起步阶段,还有许多关键性的问题亟需解决,比如如何控制工艺成本,保证经济效益。从粉煤灰中提炼 Al2O3 需要投入大量的设施设备,且提炼的过程能耗很高。

2.3 制成充填材料

由于制成建筑材料和提炼 Al2O3 的粉煤灰消耗量要远远低于粉煤灰的产生量,不能减少粉煤灰的总量,必须研发更高效、更经济的利用方法。随着充填采矿技术的发展,粉煤灰又有了新的利用途径,那就是制成充填材料回填采空区。众所周知,采空区的面积很大,要填满采空区需要大量的充填材料,而粉煤灰的总量大且成本低,符合充填材料的基本需求。在充填时,还需要满足一定的强度要求,这就要求在利用粉煤灰制作充填材料时需要加入一些其他的材料,一方面要控制胶结的时间,另一方面要控制胶结的强度[5]。总的来说,将粉煤灰制成充填材料能快速减少粉煤灰的存量,是一种高效的粉煤灰利用方法。

2.4 其他应用

中国的农业耕地长期使用化肥,存在严重的土壤板结问题,这给中国农业的可持续发展带来了巨大的难题。而粉煤灰具有较大的比表面积,其比表面积范围在 1 600~3 500 cm3/g,可以将粉煤灰加入到化肥中,以有效地改善土壤的导气性和导水性。与此同时,粉煤灰中还有一些农作物所需的微量元素,例如 K、Mg、Zn 等。大量实践表明,一些农田在使用粉煤灰制成的化肥后,作物的产量得到明显提高,且抗倒伏能力和病虫害能力显著增强。此外,国外学者在利用粉煤灰对土壤进行改良时发现,粉煤灰能促使土壤中的微生物显著增加,改善土壤,更有利于植物的生长。目前,中国的水污染严重,有的地区水酸化,有的地区水碱化,为了治理这些水污染问题,需要投入大量的人力和物力。粉煤灰中的 Al2O3 和 Fe2O3 能与酸反应,有效地减弱水的酸性。根据粉煤灰的这种特性,可以将粉煤灰制成污水处理剂,十分经济。与此同时,还可以利用粉煤灰较大的比表面积来吸附水中的一些离子,具有很好的效果。每年都有大量的石油泄漏海面上,为了治理海面上的石油,需要投入大量的人力和物力。若将粉煤灰制成具有漂浮能力的吸附剂,可以快速实现对海面石油的清理,减轻石油对海洋生态环境的破坏。这种吸附物一方面不会对海洋造成污染,另一方面成本非常低。

3 结语

粉煤灰在某种程度上来说是一种固体废弃物,若不进行处理,则会造成严重的环境污染。现在中国对环保的要求越来越高,在这种形势下需要重视对粉煤灰的综合利用,以实现对环境的保护。目前,粉煤灰的综合利用途径主要有制成建筑材料、提炼 Al2O3 以及制成充填材料,但每种利用途径都有其局限性。粉煤灰利用的关键在于,一方面要保证利用的效率,即利用量的问题;另一方面要保证一定的经济效益,这是企业关注的重点问题。

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