郭晨夫
（1.山西奇色环保科技股份有限公司，山西 太原 030100；2.山西沪金新材料有限公司，山西 太原 030006）
引言近年来，我国火力发电机组的容量得到了极大提升，粉煤灰的排放量也不断增加。对粉煤灰处理不当，不仅需要占用一定面积的土地上进行堆置，而且在堆置过程中还会对周围地下水、地表以及空气等造成污染。在当前大力倡导保护环境的大背景下，实现对粉煤灰的资源化利用，是当前对粉煤灰处理的主要手段[1]。本文将重点开展关于粉煤灰的综合应用研究。
1 粉煤灰概述所谓粉煤灰，是指煤粉在高温燃烧后所形成的火山灰质混合材料。其中，煤粉是将煤炭研磨至直径小于100 μm 的颗粒，燃烧的温度为1 300～1 500 ℃，粉煤灰是在上述燃烧反应后所收集的直径为1～50 μm 范围之内的灰白色或黑色的颗粒。粉煤灰的形成过程如图1 所示。
对我国燃煤电厂所排放的粉煤灰进行检测，其主要成分包括有SiO2、Fe2O3、Al2O3以及CaO 等。除此之外，还包括有少量的氧化物[2]。可得出一般粉煤灰的物理性质，如表1 所示。
表1 常态粉煤灰物理性质参数
目前，粉煤灰的排放主要分为干法排灰和湿法排灰两种方式。为进一步规范粉煤灰的资源化利用，避免随意排放粉煤灰对环境造成污染的问题，我国制定并颁发了一系列关于粉煤灰资源化利用的标准和规范。目前，粉煤灰主要在建筑工程、墙材生产以及烧结陶粒工程等方面应用。本文将重点研究基于粉煤灰提取Si、制备Al（OH）3等方面的应用展开研究。
2 粉煤灰提取硅的应用研究鉴于粉煤灰中含有大量的SiO2，而Si 元素为制备水玻璃的主要成分。因此，可通过对粉煤灰中的Si元素进行提炼，并完成对制备水玻璃的工艺[3]。具体思路为：SO2在高温环境下与NaOH 溶液反应可实现对粉煤灰中Si 元素的提炼。为保证在提炼过程中实现对温度的可控，采用高压反应釜并为其配套相应的温度传感器。工艺总流程如图2 所示。
图2 中，粉煤灰与NaOH 的反应温度为150 ℃，在高压反应釜中反应2 h 后停止并降温100 ℃之后，对反应的产物进行过滤处理。其中，滤液即为所需的水玻璃。滤渣烘干后为低硅粉煤灰，其可作为后续资源化利用的产物。
上述制备水玻璃的工艺流程中，影响最终SiO2溶出率的因素包括有液固比（粉煤灰与NaOH 溶液的质量比）、NaOH 的浓度、温度以及碱浸时间等。
以温度对SiO2溶出率的影响为例。设定液固比为2，NaOH 溶液的浓度为25%，碱浸时间为2 h。在此基础上，分别对反应温度为130 ℃、140 ℃、150 ℃、160 ℃以及170 ℃下对应的SiO2的溶出率进行对比，分析所得数据，得出如下页图3 所示的结论。
在130～150 ℃的范围之内，随着温度的升高，SiO2的溶出率提升明显。当反应温度大于150 ℃之后，随着温度的升高，SiO2的溶出率几乎趋于平缓的趋势。因此，应将基于粉煤灰制备水玻璃的最佳反应温度设定为150 ℃[4]。
同理，得出基于粉煤灰制备水玻璃的最佳液固质量比为2，最佳NaOH 溶液的浓度（质量分数）为20%，最佳碱浸时间为2 h。而且，在上述最佳反应条件下，对应的SiO2的溶出率最大可以达到92.43%，对应得到的水玻璃的模数为1.08。
3 粉煤灰制备Al2O3 的应用粉煤灰中含有大量的Al2O3，在众多理论分析的基础上得出可采用（NH4）2SO4法对粉煤灰进行处理，从而实现对粉煤灰中Al2O3的处理。根据工艺流程可知，基于粉煤灰制备Al2O3需在不同阶段加入不同的化学试剂，包括（NH4）2SO4、H2SO4、NaOH 溶液等。其中，在整个反应的工艺流程中影响最终Al2O3提取率的参数包括有原料配比：（NH4）2SO4与粉煤灰的比值、烧结时间、烧结温度、水浴温度等。本节同样采用单因素法对上述不同参数下对应Al2O3的提取率进行对比，得出最佳的工艺参数组合。
以烧结时间对Al2O3提取率的影响为例，设定粉煤灰提取Al2O3的其他关键参数为：原料配比为2∶1、烧结温度为400 ℃、水浴温度为60 ℃、对烧结时间为0.5 h、1 h、1.5 h、2 h 以及2.5 h 对应的Al2O3的提取率进行实验研究，实验结果如图4 所示。
如图4 所示，随着烧结时间的增加对应Al2O3的在整体上呈现上升的趋势，但是当烧结时间大于2 h后，某种程度上Al2O3的提取率呈现下降的趋势。综上所述，粉煤灰提取Al2O3对应的最佳烧结时间为2 h[5]。
同理，得出基于粉煤灰提取Al2O3的最佳工艺参数为：原料的最佳配比为2.5∶1，对应的最佳焙烧温度为450 ℃，最佳反应温度为70 ℃。在上述最佳反应的工艺参数下得出Al2O3的最高提取率为89.37%。
4 结语粉煤灰是火电厂在实际发电过程中，煤粉在高温反应下所形成的直径小于50 μm 的白色或者黑色的颗粒，粉煤灰直接排放会对周围所在区域的地下水、地表水以及空气造成污染。因此，实现对粉煤灰的资源化利用，不仅可实现废物再用，而且还能够保护环境。为实现粉煤灰的综合应用，本文基于粉煤灰探讨了其提取Al2O3和Si 的工艺，并总结如下：
1）基于粉煤灰制备水玻璃的最佳液固质量比为2，最佳NaOH 溶液的浓度（质量分数）为20%，最佳碱浸时间为2 h。而且，在上述最佳反应条件下，对应的SiO2的溶出率最大可以达到92.43%，对应得到的水玻璃的模数为1.08。
2）基于粉煤灰提取Al2O3的最佳工艺参数为：原料的最佳配比为2.5∶1，对应的最佳焙烧温度为450 ℃，最佳反应温度为70 ℃。在上述最佳反应的工艺参数下得出Al2O3的最高提取率为89.37%。
