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主办单位:煤炭科学研究总院有限公司、中国煤炭学会学术期刊工作委员会

粉煤灰建材化增值利用:最新技术与未来展望

2024-09-29


创新点
(1)系统地综述了粉煤灰建材化增值利用的最新技术和应用现状。
(2)重点阐述了粉煤灰建材化利用过程活性组分反应与功能化调控机理。

(3)详细讨论了粉煤灰建材化利用现有的问题与挑战,展望了低碳增值利用技术。

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粉煤灰建材化增值利用:最新技术与未来展望

作者时雅倩1,关渝珊1,葛伟哲1,夏 岩1,王 磊1,胡艳军2,王树荣1

单位:1.浙江大学 能源高效清洁利用全国重点实验室;2.浙江工业大学 能源与动力工程研究所
研究背景
 RESEARCH  BACKGROUND 

富煤、贫油、少气是我国能源结构的基本特征,决定了我国长期以煤炭为主的能源消费结构。2021年我国原煤产量达41.3亿t,煤炭消费量占我国能源消费总量56%,占全球煤炭消费量53.8%。预计到2025年我国煤炭消费仍占50%左右,煤炭依然是支撑我国国民经济发展的主体能源。目前国内用于发电的煤炭总量保持稳定,略有下降趋势,但随着大气污染治理工作的标准化与制度化,以及火力发电厂除尘、脱硫、脱硝技术日益成熟,粉煤灰作为燃煤电厂的主要副产物,其产量逐年增加。据计算,每燃烧1 t标准煤会产生138 kg的粉煤灰,每发电1 kW·h需要消耗300 g原煤、产生41 g左右的。2021年,我国粉煤灰产量高达7.9亿t,累计堆积量已超过30亿t,成为我国最大的单一工业固体废物污染源。大量的粉煤灰堆存导致土地被大面积占用,同时造成土壤、水体和大气的污染,严重破坏生态环境,还会刺激人体器官,引发呼吸道感染,对人体造成伤害,因此,粉煤灰的处理处置和综合利用问题亟待解决。

目前,我国粉煤灰的综合利用率为68%70%,粉煤灰特殊的理化性质和活性组分赋予其建材化利用的可能性。由于粉煤灰具有与水泥相似的化学组成与反应活性,可应用于水泥生产原料、混凝土掺合料、粉煤灰砖及人造骨料等,开发出低成本的固废衍生低碳绿色建材,有效缓解建筑行业碳排放量大的紧迫问题,从而实现大宗固废的资源化利用与建材行业的节能减排。目前传统建材领域粉煤灰消纳量较为可观,但生产工艺缺陷多,经济效益不佳,多属于低层次、低值化利用。对于新型粉煤灰基建材的研究主要有微晶陶瓷玻璃、轻质保温耐火材料和新型智能建筑材料等,这对于实现粉煤灰高值化利用有重要意义,具有广阔的应用前景。笔者详细介绍了粉煤灰的物理化学特性,整理归纳了近几年来国内外粉煤灰建材化利用技术的研究进展,分析了现有技术存在的问题,并对我国粉煤灰资源化利用提出合理化建议,为实现粉煤灰高效绿色利用提供参考,推动我国粉煤灰高附加值利用技术的发展。
摘要
 ABSTRACT 

粉煤灰是燃煤电厂产生的大宗固体残余物,其产量巨大且逐年增加。大量的粉煤灰不加以处理,则会对生态环境造成危害,也是一种资源的浪费。粉煤灰建材化利用技术可提高资源利用效率、减低环境风险,符合大宗固废高效低碳资源化利用的需求,助力实现国家“双碳”战略目标。

利用粉煤灰生产绿色建筑材料,通过优化生产工艺与开发高新技术,可提高其建材化利用效率,进而实现粉煤灰的规模化与高值化利用。总结了粉煤灰的生产概况与物理化学特性,在此基础上,系统地介绍了近年来我国主要粉煤灰建材化利用技术类型,包括用作水泥生产原料、混凝土掺合料、粉煤灰砖、人造骨料、玻璃陶瓷材料、耐火保温材料和新型智能建筑材料等。

进一步重点阐述粉煤灰在建材领域资源化利用的研究现状,分析了现阶段不同技术的适用性,总结粉煤灰基绿色建材制备最新技术及未来研究面临的挑战,详细介绍了粉煤灰应用在建筑材料中的作用机理,针对粉煤灰在建材化利用中存在的问题提出思考。

最后,对粉煤灰基绿色建材的研发和应用前景进行展望,提出粉煤灰“传统建材化工艺的大规模消纳”与“新型建材化技术的高值化利用”并行研究,理论研究与工程实践互为支撑,为粉煤灰建材化利用研究提供参考。
部分图片






图1  我国粉煤灰利用途径


图2  粉煤灰的主要矿物相及其质量分数


图3  粉煤灰的主要建材化利用途径


图4   粉煤灰烧制水泥工艺流程

图5  粉煤灰与水泥水化反应机理

图6  粉煤灰基功能性混凝土工艺流程

图7  免烧蒸压粉煤灰砖生产工艺流程

图8   粉煤灰蒸压透水砖的孔隙3D分布

图9   粉煤灰陶粒制备流程

图10  轻质废物基石膏复合材料

作者简介


王磊,男,19899月生,浙江宁波人,浙江大学能源工程学院百人计划研究员,博士生导师,国家级青年人才,洪堡学者,香港理工大学杰青研究生青年校友。担任中国动力工程学会国际合作工作委员会秘书长;担任SCI期刊Soil Use Manag.副主编,J. Hazard. Mater.4SCI期刊的编委,Bioresour. Technol.10SCI期刊的客座编辑,被授予Publons全球顶级审稿人;担任国家基金委、教育部等多个青年人才项目通讯评审专家,新加坡等5国基金的国际评审专家;担任亚太生物炭大会等20余次国内外会议的特邀报告人、分会场主席、学术委员会委员。

研究方向

研究方向主要包括固废能源化清洁利用,危险废物低碳高效处置、固废建材化增值利用、二氧化碳封存与利用等

主要成果

Environ. Sci. Technol.Cem. Concr. Res.J. Hazard. Mater.等国际知名期刊上已发表SCI论文90余篇(第一作者/通讯作者53篇),包括ESI热点论文5篇,ESI高被引论文20篇,共同主编英文专著2本,参编英文专著8本。SCI被引7000余次,h-index55,连续多年入选全球Top2%科学家。





来源:

时雅倩,关渝珊,葛伟哲,等. 粉煤灰建材化增值利用:最新技术与未来展望[J]. 煤炭学报,2024,49(6):2860−2875.

  责任编辑:宫在芹

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