燃煤电厂的燃烧产物(Coal Combustion Products ，简称CCPs)，包括粉煤灰(fly ash， 简称FA)，炉底灰(bottomash，简称BA)，炉渣(boiler slag，简称BS)，流化床锅炉灰(fluidized bed combustionash，简称FBC灰)，以及半干法脱硫灰(semi dry absorption product，简称SDA脱硫灰)和脱硫石膏(flue gasdesulphurization gypsum，简称FGD gypsum)。

　　一、燃煤电厂粉煤灰的特征

　　(一)粉煤灰的形成过程

　　煤粉以一定压力喷入炉膛，由于粒度、初始速度的不同，呈悬浮——沉降状态。

　　部分煤粉颗粒处于焰心部位，挥发分迅速从硅酸盐、铝酸盐粘土矿物质与固体碳之间的缝隙间逸出，比表面积迅速放大;固体碳完全燃烧；矿物质脱水、分解、氧化、部分熔融，比表面积逐渐缩小;烟气温度迅速降低，颗粒内部的气体来不及排出，，形成包裹着气体、珠壁也带有大量微小的海绵状气孔的空心微珠。

　　部分煤粉颗粒由于粒度偏大、在高温区域停留时间过短，上述相变过程进行不充分，形成具有较高潜在活性的球形玻璃体。还有少量煤粉颗粒燃烧不充分，形成多孔碳粒。

　　在锅炉尾部引风机的负压作用下，含有大量上述颗粒烟气流向炉尾，经除尘器过滤、收集、风选后获得的细小颗粒统称飞灰；风选分离出来、沉降下来的比较粗的颗粒称为炉底灰。合称粉煤灰。

　　因此，粉煤灰是颗粒不均匀、矿物相组成复杂、活性多变的混合物，受到煤粉颗粒成分、粒度、燃烧温度、风压等多种因素的随机叠加影响。

　　工业发达国家因为煤种和火电厂燃烧条件单一，所以粉煤灰的特征相对稳定;而我国幅员辽阔，煤炭资源分布面广，各地工业发展水平不同，因此粉煤灰特征各异。

　　(二)粉煤灰的化学成分

　　1、粉煤灰的主要化学成分

粉煤灰的化学成分来源于煤粉的无机组分。煤的无机组分包括粘土矿物、少量黄铁矿、方解石、石英等。因此我国燃煤电厂粉煤灰的主要化学成份为：SiO2、AI2O3、Fe2O3、CaO、MgO、K2O、Na2O、SO3及未燃尽有机质(烧失量)等。其中SiO2、AI2O3来自黏土、页岩;氧化铁主要来自黄铁矿；氧化镁和氧化钙来自与其相应的碳酸盐和硫酸盐。不同来源的煤在不同燃烧条件下产生的粉煤灰，其化学成分差别很大。

　　2、粉煤灰各化学成分对其性能的影响：

　　SiO2和Al2O：

　　粉煤灰的活性主要来自玻璃体SiO2和玻璃体 Al2O3在一定碱性条件下的水化能力。

　　CaO、MgO和R2O：

　　结合态的CaO 含量愈高，愈能提高其自硬性，使其活性大大高于低钙粉煤灰，对提高混凝土的早期强度很有帮助。然而，我国电厂排放的粉煤灰 90% 以上为低钙粉煤灰，因此，开发高钙粉煤灰不失为改善粉煤灰资源化特性的一条途径。

　　即粉煤灰中的f-CaO、MgO、有效碱在一定的条件下有利于促进SiO2和AI2O3的水化反应。但为了绝对保证用于混凝土中粉煤灰的质量，在各国的规范中都对这类物质的含量加以限制。

　　MgO含量过高时，将使掺入粉煤灰的水泥、混疑土安定性带来不利影响。

　　SO3：

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　　粉煤灰中硫以氧化物SO3形态存在，且含量过多时，有可能产生膨胀和对钢筋有锈蚀作用.GBJ146-1990、GB/T1596-2005和JGJ28-1986都规定拌制混凝土和砂浆用粉煤灰SO3 不大于3%。水泥活性混合材料用粉煤灰不大于3.5%。

　　Fe2O3：

　　过量的Fe2O3对粉煤灰的活性不利。

　　未燃炭粒：

　　粉煤灰中的未燃炭粒为非活性物质，由于疏松多孔、吸水大，当含炭量过多时，对混凝土的需水性、密实度、外加剂掺量不利。值得注意的是，碳粒颗粒的粒径大部分在45μm以上，平均密度只有1.5g/cm3左右。其体积比要比重量比大得多。

　　烧失量略大于含炭量，—般相差0.5%，若粉煤灰中有Ca(OH)2或碳酸盐存在时，由于它们在600℃时会分解，差别会更大。

　　GBJ146-1990、GB/T1596-2005和JGJ28-1986都规定拌制混凝土和砂浆用I级灰烧失量不大于5%，II级粉煤灰不大于8%，III级粉煤灰不大于15%。国内有80%以上的粉煤灰烧失量超过6%，许多地区的粉煤灰烧失量达不到II级要求。上海市推广的磨细粉煤灰研究表明：磨细后烧失量虽不降低，但碳粒对混凝土的不利影响明显改善，烧失量限值可以适当放宽。

　　水泥活性混合材料用粉煤灰烧失量不大于8%。

　　含水率：

　　含水率影响粉煤灰的储、运，对高钙粉煤灰来说，含水还会明显影响粉煤灰的活性，并造成固化结块。

　　GB/T1596-2005和JGJ28-1986、GBJ146-90都规定含水率不得超过1%。

　　(三)粉煤灰的矿物成分

　　粉煤灰是非晶体矿物、晶体矿物、少量未燃炭的混合物，三者的比例同样受到煤粉颗粒成分、粒度、燃烧温度、风压等多种因素的随机叠加影响。其中非晶体矿物为玻璃体、无定形碳和次生褐铁矿。玻璃体含量为50%～80%，是粉煤灰活性的来源。晶体矿物为石英、莫来石、磁铁矿、赤铁矿、氧化镁、生石灰及无水石膏等。石英为粉煤灰中的原生矿物，常呈棱角状，不规则粒径，含量不高；

　　莫来石针状形集合晶体来源于粉煤灰中的二氧化硅和三氧化二铝，含量在1.3-3.6%之间，其变化与煤粉中Al2O3含量及煤粉燃烧时的炉膛温度等诸多因素有关。

　　磁铁矿和赤铁矿是粉煤灰中铁的主要赋存状态，一般磁铁矿含量较高。

　　(四)粉煤灰的物理性能：

　　1、表观色泽

　　变化很大，与成分相关。低钙灰一般呈乳白色，高钙粉煤灰一般呈浅黄色;随含碳量升高，粉煤灰色泽逐渐变深至灰黑色。用色泽指数表征，可以粗略判断粉煤灰性质的变化。

　　2、颗粒分类：

　　用扫描式电子显微镜的观察表明，分为珠状颗粒和渣状颗粒两大类。珠状颗粒包括漂珠(常称空心微珠)、空心沉珠、复珠(子母珠)、密实沉珠(实心微珠)和富铁玻璃微珠等五大品种;在渣状颗粒中包括海绵状玻璃渣粒、碳粒、钝角颗粒、碎屑和粘聚颗粒等五大品种。较多电厂的粉煤灰以密实沉珠为主。正是由于这些颗粒各自组成上的变化，比例不同，直接影响到粉煤灰质量的优劣。

　　3、细度：

　　是用于评估混凝土中粉煤灰质量最重要的参数之一。粒径分布范围与水泥接近，为0.5～300μm，但集中在45μm以下，即比水泥细得多。JGJ28-1986规定，以80μm标准筛人工筛分法测定其筛余量：I级灰不大于5%，II级灰不大于8%，III级不大于25%。GBJ146-90粉煤灰混凝土应用技术规范、GB1596-2005粉煤灰新标准中，采用45μm气流筛筛余量(%)为细度指标：拌制混凝土和砂浆用I级灰不大于12%，II级灰不大于20%，III级灰不大于45%。水泥活性混合材料用粉煤灰对细度未作要求。

　　4、比表面积：

　　由于密实颗粒与多孔颗粒混杂，比表面积不易测准。沿用气体吸附BET原理测定固态物质比表面积的方法检测，粉煤灰比表面积分布于1500～5000cm2/g。

　　5、密度：

　　可以评定粉煤灰质量的均匀性，是评估混凝土中粉煤灰质量最重要的参数之一。低钙灰的密度一般为1800～2800kg/m3 ，高钙灰密度可达2500~2800kg/m3 ；堆积密度600～900kg/m3，压实密度1300-1600kg/m3 ；空隙率一般为60-75%。

　　6、需水量比

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　　按GB/T2419测定试验胶砂和粉煤灰取代30%水泥的对比胶砂达到130-140mm流动度时的加水量之比，能在一定程度上反映粉煤灰物理性质的优劣。JGJ28-1986、GBJ146-1990、GB1596-2005都规定：拌制混凝土和砂浆用I级粉煤灰需水量比不大于95%，II级灰不大于105%，III级灰不大于115%。水泥活性混合材料用粉煤灰需水量比未作规定。

　　7、火山灰活性

　　1987年戴维斯(Davis、R,E)及其同事提出的“粉煤灰具有火山灰质混合材料的性质”。ISO对火山灰材料及其活性定义如下：火山灰材料就是在常温下与石灰一起水化后能够生成具有硬性的化合物的材料。对粉煤灰而言，就是在常温下与石灰反应的能力。SiO2、A12O3为酸性氧化物，CaO、Mg0为碱性氧化物，计算其碱性率(Mo)，可以初步评定其活性：

　　若Mo=(CaO%+MgO%)/(SiO2%+AI2O3%)<1，则属酸性，利于进行“火山灰反应”。

　　各国的混凝土用粉煤灰标准多数采用“抗压强度比”表达粉煤灰的火山灰活性。但是其试验结果却不能直接用来指导粉煤灰混凝土的配合比，也不能用来确定粉煤灰对混凝土强度的贡献。

　　鉴于粉煤灰的活性必须通过混凝土试验才能合理地反映出来，GB1596-2005中只对用于水泥的粉煤灰规定“强度活性指数”的要求，而对用于混凝土的粉煤灰则无要求。JGJ28-1986和GBJ146-1990也不作火山灰活性的规定。

　　8、沸煮安定性

　　雷氏夹沸煮后增加距离不大于5mm。

　　9、收缩性

　　美国ASTM C-618对粉煤灰砂浆试件28d的收缩性增加的最大限值为0.03%，虽然这一规定并非强制性的，但对选用粉煤灰却是很有好处的。我国的有关规范、标准和规程对收缩性都不作规定。

　　10、均匀性

　　美国ASTM　C-618规定粉煤灰密度和细度的均匀性偏差不得大于5%，对引气剂需要量的均匀性规定不得大于20%。我国对此不作规定。

　　二、国内外粉煤灰综合利用现状

　　(一)我国粉煤灰综合利用现状

　　我国粉煤灰综合利用工作，长期以来一直受到国家的重视。

　　50年代已开始在建筑工程中作混凝土、砂浆的掺和料，在建筑工业中用来生产砖，在道路工程中作路面基层材料等，尤其在水电建设大坝工程中使用最多；

　　60年代开始粉煤灰利用重点转向墙体材料，研制生产粉煤灰密实砌块、墙板、粉煤灰烧结陶粒和粉煤灰粘土烧结砖等；

　　近年来，粉煤灰的排放量、利用率呈同步增长：

　　1990年粉煤灰排放量为6700万t，利用率为28.3%；

　　1995年排放量为9936万t，利用率42%；

　　2000年排放量为1.2亿t，利用率为58%；

　　2005年排放量为3.02亿t，利用率为66%；

　　2010年排放量为4.8亿t，利用率为68%。

　　2015年排放量预计达到5.8亿t，《大宗固体废物综合利用实施方案》提出综合利用率目标为70%。

　　目前我国粉煤灰的综合利用领域主要有以下几类：

　　建材产品：

　　约占利用总量的45%左右，主要用于粉煤灰水泥(掺量30%以上)，代粘土做水泥原料，普通水泥(掺量30%以下)，硅酸盐承重砌块和小型空心砌块，加气混凝土砌块及板，烧结陶粒，烧结砖，蒸压砖，蒸养砖，高强度双免浸泡砖，双免砖，钙硅板，大体积混凝士，泵送混凝土，高低标号混凝土，灌浆材料等。

　　道路工程：

　　约占利用总量的20%，主要用于粉煤灰、石灰石砂稳定路面基层，粉煤灰沥青混凝土，粉煤灰用于护坡、护提工程和刚粉煤灰修筑水库大坝等。

　　农业：

　　约占利用总量的15%，主要用于改良土壤，制作磁化肥，微生物复合肥，农药等。

　　填筑材料：

　　约占利用总量的15%，主要有：粉煤灰综合回填，矿井回填，小坝和码头等的填筑等。

　　提取矿物和高附加值利用：

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　　约占利用总量的5%，主要有：粉煤灰中提取微珠、碳、铁、铝，洗煤重介质，冶炼三元合金，高强轻质耐火砖和耐火泥浆，作为塑料，橡胶等的填充料，制作保温材料和涂料等。

　(二)日本粉煤灰综合利用现状

　　日本1955年首先在大坝中使用粉煤灰。从1955年至1968年共建筑了27座粉煤灰混凝土水坝，而后在建筑、道路、桥梁等工程中大量应用。

　　根据日本煤炭能源中心(JCOAL)提供的数据显示，2006年日本粉煤灰使用量为1065.7万吨，各利用方向占利用总量的比例。

　　2007年日本粉煤灰产生量1199万吨，有效利用1163万吨，有效利用率97%。各利用方向占有效利用总量的比例。

　　由于粉煤灰产生量逐年增加，而水泥产量不断减少，虽然增加了粉煤灰替代粘土作为水泥原料的比例，但也已经接近极限。因此，日本近年来又进行了以下方面的探索：

　　兵库县赤穂市的basalt工业株式会社用粉煤灰开发生产各种耐腐蚀、耐高温、重量轻的管材，出口30多个国家地区。

　　NEC利用粉煤灰开发出了阻燃性聚碳酸脂树脂。

　　三井造船株式会社研发粉煤灰的改质除碳技术。

　　JFE控股公司利用粉煤灰和煤矸石等工业固体废料为原料，使用电热还原法直接制备铝硅铁合金。

　　旭硝子株式会社以粉煤灰、硅砂、水泥、石灰等为主要原料，研发轻质加气混凝土板材。

　　东北発电工业(株)东京営业所用粉煤灰研发水処理剤「FA-MICS」。具有多孔粒子特性，具有很强的吸附有害化学物质的功能。

　　自然応用科学(株)用粉煤灰研发微晶玻璃。

　　(株)竹中道路用粒径用粉煤灰研发出高强度、低吸水率的彩色铺路材料。

　　(株)神戸制钢所：用粉煤灰研发出了透水系数为1×10-2cm/sec，压缩强度为16N/mm2，空隙率8～18%的透水性及强的混凝土材料。

　三、当前粉煤灰综合利用技术及其前沿综述

　　(一)高铝粉煤灰和煤矸石工业化制备铝硅铁合金试验

　　中国有色金属工业协会组织北京航空航天大学研究完成了“高铝粉煤灰和煤矸石工业化制备铝硅铁合金试验”项目的研究，该项目在我国首次进行了利用粉煤灰和煤矸石等工业固体废料为原料，使用电热还原法直接制备铝硅铁合金的工业试验，合金含铝24%，含硅49%，含铁25%。

　　(二)高强粉煤灰烧结陶粒

　　高强粉煤灰烧结陶粒指经过成球和1000℃以上高温焙烧等工艺过程，将粉煤灰转变成具有高强轻质、连续级配、粒型合理、吸水率低、质量稳定、保温性能和泵送性能优异的圆球状颗粒。

　　主要技术指标 ：

　　筒压强度≥5Mpa；

　　堆积密度650-850Kg/m3；

　　颗粒粒径(5-20mm和5mm以下)级配连续；

　　属结构型轻骨料，主要用于配制轻骨料混凝土：强度LC10-60、容重1750-1950 (轻骨料混凝土技术规程：JGJ51-2002)和生产混凝土制品。

　　(三)利用粉煤灰制备高纯超细氢氧化铝与氧化铝

　　上世纪50年代，波兰格日麦克(J.Grzymek)教授以高铝煤矸石或高铝粉煤灰(Al2O3≥30%)为主要原材料，从中提取氧化铝并利用其残渣生产水泥，于1953年建成年产1万吨氢氧化铝和10万吨水泥生产线，后在波兰和美国等10个国家先后取得专利权；70年代,匈牙利的塔塔邦在引进波兰专利后,经消化吸收成为格日麦克-塔塔邦法的干烧结法，亦取得了专利；80年代后，美国等又先后提出了酸溶沉淀法，盐-苏打烧结法，煅烧冷却法，煅烧/稀酸过滤法等从粉煤灰中回收氢氧化铝的方法；与此同时，我国水电部、冶金部及安徽、浙江、四川等地一些科研单位也开始对该技术进行研究。

　　目前其主要生产工艺有两种，即石灰石烧结法和碱石灰烧结法。

　　石灰石烧结法的主要工艺环节为熟料烧成、自粉化溶出、脱硅、碳分和煅烧：

　　1、熟料烧成：使粉煤灰中Al2O3与石灰石结合成为铝酸钙(5CaO·3Al2O3和CaO·Al2O3)；

　　2、熟料自粉化：当熟料冷却时，在约650℃温度下硅酸二钙(C2S)由β相转变为γ相，体积膨胀约在10%，致使熟料自行粉化；

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　　3、溶出：碳酸钠溶液与粉化熟料混合，其中的铝酸钙与碱反应生成铝酸钠进入溶液，而生成的碳酸钙和硅酸二钙留在渣中，达到铝和硅、钙分离的目的。

　　其反应式为：5CaO·3Al2O3+5Na2CO3+2H2O→5CaCO3↓+6NaAlO2+4NaOH

　　4、脱硅：由于铝酸钠(NaAlO2)粗液中还有少量SiO2，需加入石灰乳液进行脱硅处理中和过剩的Na2CO3，以便得到NaAlO2精液，确保产品氧化铝的纯度。

　　5、碳分(即碳酸化分解)：即是用CO2中和NaAO2溶液，降低溶液的碱度，使Al(OH)3有控制地析出，同时生成的Na2CO3可循环使用。

　　6、煅烧：将所得Al(OH)3放入窑内，经1200℃煅烧，除去水分和结晶水，从而获得一定纯度的Al2O3。