摘 要：粉煤灰是火电厂燃煤过程中产生的固体残渣，其成分复杂，具有毒性，若处理不当会对环境造成危害。因此，粉煤灰的高附加值利用迫在眉睫。 然而，粉煤灰的品质是制约其高附加值利用的主要因素。 针对上述问题，粉煤灰的资源化特性，总结了粉煤灰的品质评价方法，重点阐述了粉煤灰附加值利用技术；最后，对粉煤灰高附加值利用的发展趋势做出了展望。
关键词：粉煤灰；品质评价；高附加值利用
煤炭的大量消耗产生了大量的粉煤灰，据统计，中国每年约产生 4.5 亿 t 粉煤灰 。 与普通工业副产品不同，粉煤灰成分复杂，如果处理不当会造成严重的环境问题， 而目前粉煤灰的主要处理方式是简易贮存或回填。 露天贮存的粉煤灰不仅占用了大量土地，细小的粉煤灰颗粒挥散到空气中，还会严重污染大气；粉煤灰中的有害元素如 Cr 、 Cd 、 Ni 、 Pb 等重金属，遇水后扩散到周围环境中，会造成土壤、地表水和地下水的污染，进而对生物健康造成威胁；掩埋处理的粉煤灰容易发生环境迁移性元素的浸出问题，对周围环境造成潜在的长期不良影响。 因此，开展相关技术对粉煤灰进行合理的处置或再利用至关重要。
当前粉煤灰的资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领域，高附加值领域的应用很少， 仅占粉煤灰总利用量的 10% 左右，因此，应该加强对粉煤灰高附加值利用领域的研究。 不同地区、不同电厂燃烧产生的粉煤灰品质差异较大，粉煤灰的品质差异使其适用领域也不同，这制约了它的高附加值利用， 所以构建成熟的品质评价体系对有效推动粉煤灰的高附加值利用而言十分必要。 目前适用于粉煤灰高附加值利用领域的品质评价体系较为缺乏。综上所述，促进粉煤灰高附加值利用需要，要建立完善的适用于粉煤灰高附加值利用的品质评价体系，创新集成新的粉煤灰高附加值利用技术，最终实现粉煤灰高附加值利用就显得尤为重要。
1 粉煤灰的资源化特性
1.1 粉煤灰的物理特性
粉煤灰是由直径为 1~100 μm 的球体组成的团聚体， 具有可研磨性、 大比表面积和优良的吸附活性；它的颜色通常呈灰白色或灰黑色，颜色的深浅取决于煤燃烧过程中未燃炭的比例，含炭量越低（高），颜色越浅（深） 。
1.2 粉煤灰的化学特性
粉煤灰的主要化学组分是 SiO2 和 Al2O3 （两者之和约占 80% 以上），此外还含有一定量的 Fe2O3 、 TiO2和 CaO ； 粉煤灰化学组分的差异与燃料煤的种类有关，褐煤和亚烟煤燃烧产生的粉煤灰中 Ca 、Mg 、S 等氧化物含量较高， SiO2 、Al2O3 及 C 含量较低，粉煤灰的化学组分及其存在性质，是决定其再利用潜力的关键。
1.3 粉煤灰的矿物学特性
在矿物学方面，粉煤灰主要由玻璃体、晶体相组成，此外还含有一定量的未燃炭。其中玻璃体组分多为铝硅酸盐玻璃体，通常占粉煤灰质量分数的 60%以上；粉煤灰的晶体相成分主要是莫来石、石英石和铁矿，在晶体相物质中莫来石所占的比例最大，约占总量的 6%~15% ；未燃炭在粉煤灰中一般不超过5%。 粉煤灰的矿物组成还受燃烧装置等的影响。粉煤灰中含有大量的铝硅酸盐玻璃、石英和莫来石，此外，燃料成分对粉煤灰的矿物组成也有较大影响。
2 粉煤灰的品质评价
因原料来源和燃烧方式的不同， 粉煤灰品质差异较大，其适用领域及程度也有较大差异。为了有效利用粉煤灰资源，须对粉煤灰的品质进行筛选。充分了解粉煤灰的品质参数及其相互关联，掌握准确的品质分类和评价方法，可以为粉煤灰的品质筛选提供理论依据。
2.1 品质参数及其相互关联
粉煤灰品质的参数主要包括细度、密度、烧失量、比表面积、活性等。 一般情况下粉煤灰的细度越小，烧失量越小，比表面积越大，其活性位点越多，活性越高， 活性高的粉煤灰容易与其他物质反应生成新物质，适用于资源化利用；粉煤灰的烧失量与未燃炭的含量成正比，烧失量或未燃炭量少，说明燃烧充分，结晶相含量高，而结晶相对粉煤灰的活性有显著影响，烧失量小的粉煤灰活性较高；粉煤灰的密度与粉煤灰的品质有一定的关联性， 若粉煤灰的密度发生变化，则粉煤灰的品质也可能发生变化，粉煤灰的密度还决定了粉煤灰的均匀性 。
2.2 分类方法
粉煤灰的分类方法大多针对于粉煤灰制建材、填料等低附加值领域。将粉煤灰分为硅铝酸盐型（ S ）、钙硅铝酸盐型（ CS ）、铁硅铝酸盐型（ FS ）及铁钙硅铝酸盐型（ FCS ） 4 类；根据粉煤灰中主要矿物相总含量的不同，将粉煤灰分为火山灰型 （ P ）、惰性型（ I ）、活性型（ A ）和混合型（ M ） 4种子类型。
2.3 品质评价方法
当前较为常用的粉煤灰品质评价方法是单因子评价法，即根据粉煤灰不同的应用特点，选择代表性的单项品质影响因子来评价粉煤灰的品质， 常见的粉煤灰单项品质影响因子包括密度、未燃炭含量、细度等，单因子品质评价法具有简单易行、适用范围广等优势，但它不能全面综合地反映粉煤灰的品质，容易造成资源浪费。为解决上述问题，最典型的是组合因子品质评价法。 组合因子品质评价法是一种基于粉煤灰的应用需求筛选相关组合因子， 以组合因子的品质特征制定综合指标（或复合指数），并根据综合指标进行评价的新方法，它综合考虑了粉煤灰的多个品质参数，评价结果的可信度相对较高。
3 粉煤灰的高附加值利用
3.1 确定化学激发矿渣/粉煤灰地聚物结合透水混凝土的基本配合比，获得化学激发矿渣/粉煤灰透水混凝土施工性能调控措施及相关检测报告。
3.1.2.开展加气砼、路面砖、蒸压砖产品中进行地聚物生产应用，对产品进行强度、抗冻性、耐磨性功能研究及工艺配比优化，进行批量生产，降低原料成本。
3.1.3.采用地聚物进行透水混凝土实验室配比研究试验。
3.2 实施内容
3.2.1.提高生产线的产能发挥，全年预计使用地聚物3500吨，对地聚物储存仓放料仓进行改造，提高放料效率。
3.2.2.在加气砼储物仓改造，实现地聚物与水泥交替使用，对产品进行强度、抗冻性研究及工艺配比优化，降低加气砼生产线原料消耗成本。
3.2.3.在砖线利用地聚物进行生产路面砖，由前期粒状无水偏硅酸钠改变为粉状剂进行添加，对产品进行强度、抗冻性、耐磨性功能研究及工艺配比优化，降低水泥消耗成本。
3.2.4.在蒸压砖产品中进行地聚物生产应用，调整蒸养参数，降低动力能源消耗，对产品进行强度、抗冻性、抗折性功能研究及工艺配比优化，降低石灰消耗成本。
3.2.5.在夏季，采用地聚物进行透水混凝土实验室配比研究，用于分厂库区部分场地硬化，抑制车辆行走时造成的扬尘，提高分厂作业环境，降低环保风险，属于长期经济效益。
4 效益分析
4.1 原料成本费用：随着2019年年底，上行原料、运输成本的上升，各水泥厂均进行涨价，P.O42.5级和P.SA32.5级两种等级水泥价格涨幅在8.9%-10.1%。通过2019年年底利用矿渣/粉煤灰地聚物在加气砼、路面砖、蒸压砖产品中进行地聚物生产运用，计划2020年利用地聚物规模化运用，降低原料成本。
4.2 加气砼运用：2019年加气砼使用水泥2894吨，2020年计划生产10.5万立，利用地聚物替代水泥生产2万立，所需地聚物600吨，可节约水泥600吨，P.O42.5级每吨水泥采购费用345元/t（不含税）。通过项目开展，节约水泥费用：使用P.O42.5级水泥600t*345元/t=20.7万元。
4.3 蒸压砖运用：蒸压砖运用过程中，可全部替代石灰、建筑石膏粉用量，2020年计划生产3600万块，利用地聚物替代石灰生产700万块，所需地聚物980吨，可节约水泥980吨，2020年石灰单价预计为360元/t（不含税）。节约石灰费用：980t*360元/t=35.3万元。
4.4 路面砖运用：2019年路面砖使用水泥6988.67吨，2020年计划生产1400万块，利用地聚物替代水泥生产400万块，所需地聚物1840吨，可节约水泥1840吨，P.SA32.5级水泥每吨采购费用256元/t（不含税）。通过项目开展，节约水泥费用：使用P.SA32.5级水泥1840t*256元/t=47.1万元。
4.5 原料采购费用：将能源材料费用65万元和项目费用（外部）38万元用于分厂地聚物添加剂采购，2020年中试线地聚物共计生产600+980+1840=3420吨，所需地聚物添加剂约350吨，现场现有添加剂30吨，每吨添加剂约2800元，共计（350-30）*2800=89.6万元。
4.5 透水混凝土的研发费用：除采购添加剂费用，剩余的53.4万元进行透水混凝土的研发项目，用于分厂库区部分地面硬化，降低生产产品下线破损和车辆行走时造成的扬尘，提高固废利用率。
（二）创效合计：
1. 2020年中试线地聚物共计生产600+980+1840=3420吨，因中试线产能发挥有限，各线按照计划错峰利用地聚物进行生产。则2020年全年创效为：20.7+35.3+47.1=103.1万元。
2. 透水混凝土的研发项目，用于库区部分场地硬化，抑制车辆行走时造成的扬尘，提高分厂作业环境，降低环保风险，属于长期经济效益。
5 总结与展望
粉煤灰组成成分复杂， 其品质因煤的燃烧方式和来源的不同而参差不齐。 本文综述了现有的粉煤灰品质评价方法以及高附加值利用技术， 对未来发展方向提出如下建议：
5.1全面分析粉煤灰品质影响参数及其相互关联，开展粉煤灰的组分、结构、形貌等品质特征与粉煤灰性能之间联系的研究，完善粉煤灰的分类体系；
5.2应加强研发绿色、低成本、高效的集成技术，针对剩余尾渣的组成、存在形态及特点， 对尾渣进行再利用， 加工成吸附剂、催化剂载体等，最终实现可持续发展与循环经济的理念；
5.3应加大对粉煤灰高附加值利用的政策扶持力度， 鼓励产灰企业积极对粉煤灰进行有效处理及利用，推进粉煤灰高附加值利用技术的工业化应用。