我国资源特色是富煤、贫油、少气。2019年，我国一次能源生产总量为39.7 亿t 标准煤，其中原煤产量为38.5 亿t（折合27.5 亿t 标准煤），占一次能源生产总量的69.3%，原煤生产同比增长4.0%；全年能源消费总量达48.6 亿t 标准煤，比上年增长3.3%，其中煤炭消费量增长1.0%，在能源消费总量中占比57.7%，比2018年下降1.5%。2019年，我国发电量为75 034.3 亿kW·h，其中燃煤火力发电量为52 201.5 亿kW·h，占比为69.6%[1]。英国石油公司（BP）预测2040年我国能源结构中煤炭占比将下降到35%，但是我国煤炭消费仍占全世界煤炭总消费量的39%，且依然是全球最大的能源消费国，在全球能源消费中的份额占比达22%[2]。也就是说，在未来很长一段时间内，煤炭在我国工业、经济和社会发展中仍然起着不可替代的作用，是我国最主要的能源资源来源。

粉煤灰是电厂发电过程中煤炭燃烧后从烟道气体中收集捕捉得到的细灰状残余物，是燃煤火力发电厂产生的主要固体废物，粉煤灰、煤矸石、工业副产石膏一起被称作三大主要固废资源。例如，2013年我国原煤消费量为36.1 亿t，其中产生粉煤灰5.8 亿t[3]，近年来都维持在6.0 亿t 左右。粉煤灰大量堆放占用农田、山林，影响水质、土壤和环境等，因而加快粉煤灰的综合利用基础研究和工程应用非常迫切，为此，科学技术部最近两年都推出了固废专项的重点研发计划，其中就包括粉煤灰的高值化综合利用。

本文主要结合我国粉煤灰的现状，就粉煤灰制备墙体材料、水泥、混凝土以及保温材料、先进陶瓷等综合利用进行了分析和讨论，并就未来的发展提出设想。

1 粉煤灰的特性

粉煤灰具有火山灰特性，主要由氧化硅、氧化铝、氧化钙、氧化铁和氧化镁等组成，从形状来看，其主要由球形的玻璃微珠、不规则的海绵状玻璃体和碳颗粒构成；粉煤灰的矿物学组成十分复杂，以玻璃体为主，一般占比超过50%，甚至可能高达90%，主要有莫来石、石英、磁铁矿、赤铁矿、钙长石、方解石等矿相[4]。不同产地的粉煤灰成分具有较大的差异，我国几种代表性粉煤灰的主要成分如表1 所示。

表1 产地不同的四种代表性粉煤灰的成分来源 SiO2 Al2O3 CaO Fe2O3 MgO 其他淮南平圩电厂[5] 51.49 27.62 3.19 9.25 0.58 2.68内蒙古某燃煤电厂循环流化床[6] 34.87 50.97 2.25 1.91 0.13 9.89新疆某电厂[7] 53.26 18.20 10.92 8.48 2.48 3.95郑州某电厂[8] 53.97 31.15 -- 4.16 1.01 10.08

由表1 可见，不同产地的粉煤灰成分存在较大差异，为此粉煤灰按照成分、粒度等进行了区分。例如，根据燃煤的品种，《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》（GB/T 1596—2017）把燃烧产物粉煤灰分为F 类粉煤灰（由无烟煤或烟煤燃烧后收集的粉煤灰）和C 类粉煤灰（由褐煤或次烟煤燃烧后收集的粉煤灰，氧化钙含量一般不小于10%），实际就是低钙和高钙粉煤灰，且对细度、烧失量、需水量比、含水量、密度、安定性、强度活性指数等都有具体的要求，因而在使用粉煤灰前，人们需要对其组成、物相和特性等进行专门的分析。

2 粉煤灰制备墙体材料

粉煤灰最重要的用途是制备墙体材料[3]，典型应用为蒸压实心砖、空心砖、空心砌块等，即以粉煤灰和生石灰（或电石渣）为主要原材料，掺入一定量的石膏、外加剂以及其他辅助集料，经过坯料准备、压制成型、高压蒸汽养护等工艺而制成建筑用砖[9]。蒸压粉煤灰砖的具体工艺流程为：原料检验→配料→消解→轮碾→压坯→静养→蒸压。

配料工艺需要考虑各种原材料比例，尤其要控制含水率和有效钙含量。消解环节使生石灰充分消解反应生成Ca（OH）2，并与粉煤灰等原料发生预水化反应，提高生坯的流动性、可塑性和成型性能。静养可以使生砖坯在蒸压养护工艺之前获得一定的强度，避免蒸压养护期间温度和湿度变化以及水分迁移而导致砖坯内部产生应力，造成砖坯裂缝或变形[9-11]，更重要的是，静养促使泥料中的水分分布更加均匀，进一步提高泥料的可塑性、成型性和保型性。因而，静养要保持一定的湿度和温度，使得坯料氧化和水解等反应顺利进行。

最后一步是蒸压，典型的工艺为先升温升压、然后长时间恒温恒压、最后降温降压。其间，粉煤灰与氧化钙、生石膏发生化学反应，生成结晶相对稳定且强度较高的水化硅酸钙系列矿物，其主要组成相一般为托贝莫来石，此外还会生成抗碳化性能良好的水化石榴子石，保证成品砖具有较高的强度。蒸压通常在180 ℃左右、1.2 MPa 的条件下进行。粉煤灰蒸压砖作为建筑行业的墙体材料，需要承受一定荷载，一般需要具有一定的强度和抗冻能力。例如，空心砖的空心率应不小于35%，MU3.5 规格的五块砖的平均强度应不小于3.5 MPa，线性干燥收缩值应不大于0.65 mm/m，碳化系数应不小于0.85，吸水率应不大于25%[9]。

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