粉煤灰提取氧化鋁技術發展綜述

王丹妮

（神華集團有限責任公司，北京市東城區，100011）

粉煤灰根據鍋爐爐型不同分為煤粉爐粉煤灰（簡稱PC 灰）和循環流化床粉煤灰 （簡稱CFB灰）。PC灰是指粉煤在煤粉爐內1300℃～1600℃高溫下燃燒排出的灰，CFB 灰是指粉煤在循環流化床鍋爐內800℃～950℃溫度下燃燒排出的灰。這兩類粉煤灰在物理化學性質上存在較大差異。PC灰顆粒小、多為較規則的致密球狀顆粒，活性較差；CFB灰顆粒大且不規則，顆粒表面結構疏松，活性較好。

1 粉煤灰利用現狀

1.1 粉煤灰產生量

我國現役燃煤電廠鍋爐絕大多數是煤粉爐 （約占90%），一般情況下所指的粉煤灰即指煤粉爐粉煤灰。我國粉煤灰產生量和利用率呈逐年增加趨勢，是我國當前排量最大的工業廢渣之一，近年我國粉煤灰產生量和利用量見表1。

表1 近年我國粉煤灰產生量和利用量

1.2 粉煤灰利用現狀

目前，國內外粉煤灰綜合利用主要應用在工程和建材領域，常見的用途有水泥混凝土摻合料、粉煤灰加氣混凝土、粉煤灰混凝土路面磚、粉煤灰建筑砌塊、粉煤灰混凝土輕質隔墻板和粉煤灰陶粒等。除了以上粉煤灰綜合利用的傳統領域之外，近年來為了提高粉煤灰的資源化水平，對鋁、鐵、硅、鎵及其他高價值組分的提取技術引起了廣泛關注，國內外科研工作者開展了一系列探索。

2 粉煤灰提取氧化鋁技術發展

2.1 我國鋁土礦資源嚴重短缺

根據國土資源部統計，截至2008年底，國內鋁土礦探明可采儲量7.35億t，僅占全球基礎儲量的2.3%，且加工困難、耗能大的一水硬鋁石型礦石占總儲量的98%以上。按2010年國內氧化鋁產能3000萬t／a測算，鋁土礦儲量的靜態保證年限不到10年。但隨著經濟的快速發展和工業化建設步伐的加快，我國對金屬材料鋁的需求規模將不斷增加。2007-2010年，我國對鋁土礦需求的年均增長率達到22%。據海關總署數據統計，2010年我國鋁土礦進口量達到3036萬t，對外依存度超過60%，價格逐年攀升。且我國鋁土礦進口來源集中于印度尼西亞 （占進口總量的76.2%）和澳大利亞（占進口總量的21.9%），這對我國鋁工業安全構成嚴峻挑戰。

隨著我國西部煤炭資源的開發以及大型火力發電廠的建設，中西部地區出現了一種新的粉煤灰類型——高鋁粉煤灰，其Al2O3含量為45%，相當于我國中等品位鋁土礦中Al2O3的含量，是非常寶貴的再生含鋁礦物資源。利用高鋁粉煤灰生產氧化鋁，可緩解我國鋁土礦資源短缺的困境，具有重大的現實意義和長遠的戰略意義。目前國內神華集團、大唐電力、中電、中鋁等大型國有企業、地方能源企業都在進行此項技術的開發，但均未形成工業化生產。

2.2 技術發展現狀

粉煤灰中的SiO2和Al2O3是結合強度較高的玻璃體，如何打開Si-Al鍵，增強粉煤灰的活性是粉煤灰提取氧化鋁技術的難點之一。粉煤灰提取氧化鋁的方法大致可分為堿法、酸堿聯合法和酸法。

（1）堿法。粉煤灰提取氧化鋁最廣泛應用的技術，比較有代表性的是石灰石燒結法和堿石灰燒結法，其中石灰石燒結法已經投產進行工業化生產。

堿法的優點是工藝簡單、對設備要求低。缺點是投入堿量過大、助劑無法循環利用等因素，造成實際生產成本過高，使得目前的產業鏈效益下降、技術發展停滯。

（2）酸堿聯合法。先用Na2CO3與粉煤灰混合焙燒，再與利用強酸 （稀鹽酸或硫酸）溶解，生產硅膠和鋁鹽溶液，硅膠過濾后用于制備白炭黑，將鋁鹽加堿中和后煅燒得到氧化鋁。

酸堿聯合法的優點是可以實現氧化鋁和氧化硅同步提取。缺點是強酸和弱堿消耗量大、鋁鹽溶液中的鐵等雜質分離困難，影響氧化鋁產品質量。

（3）酸法。利用酸浸取粉煤灰，生成可溶性鋁鹽，煅燒得到氧化鋁產品，具有流程短、成本低等諸多優點，但受限于溶出率低、對設備材料防腐要求高的特點。

目前，神華準能資源綜合開發有限公司 （以下簡稱 “神華準資公司”）經過多年研發，率先開發出了循環流化床粉煤灰提取氧化鋁的 “一步酸溶法”工藝技術，并于2011年8月成功建成且投產運行了產能為4000t／a氧化鋁的工業化中試廠。該工藝技術屬于國際首創，填補了循環流化床粉煤灰酸法制備冶金級氧化鋁的國際空白。

3 “一步酸溶法”粉煤灰提取氧化鋁的技術特點與面臨的問題

3.1 “一步酸溶法”工藝技術

“一步酸溶法”工藝技術具有流程短、工藝技術條件寬泛、可循環利用、成本低、環保等優點。截至2013年5月底，神華準資公司產能為4000t／a氧化鋁中試廠進行了5次試車，共運行362d，其中最長實現連續運行156d，生產氧化鋁1610t，產品質量達到國家冶金一級品標準（見圖1）。

圖1 “一步酸溶法”粉煤灰提取氧化鋁技術路線

該技術初步形成了高鋁粉煤灰高效環保型綜合利用工藝，填補了循環流化床燃煤灰酸法制備冶金級氧化鋁的國際空白。首次研發了在粉煤灰溶液中一次性除鐵和硅工藝技術，“一步酸溶法”工藝中實現了反應液閉路循環使用；首次解決了粉煤灰酸法制備冶金級氧化鋁工藝中關鍵設備的防腐問題。

“一步酸溶法”屬 “減量法”，具有酸可循環利用、流程短、生產的二氧化硅渣經處理后可以再利用的優點。而堿法工藝屬 “增量法”，反應劑在提取氧化鋁過程中不能循環利用，產生的廢棄物多，對環境造成二次污染。

3.2 粉煤灰酸法生產氧化鋁面臨的主要問題

3.2.1 煤粉爐粉煤灰綜合利用工業化中試關鍵技術研發

神華準資公司的 “一步酸溶法”提取氧化鋁技術是針對循環流化床粉煤灰的工藝路線。實現粉煤灰提取氧化鋁的工業化必須突破煤粉爐粉煤灰酸法提取氧化鋁的技術難題。目前，神華研發出了煤粉爐粉煤灰 “硫酸-鹽焙燒活化”法提取氧化鋁，取得了突破性進展。該技術在濃硫酸焙燒活化體系中加入少量焦硫酸鹽，利用焦硫酸根的高活性，對濃硫酸分解高穩定性鋁硅酸鹽起促進作用。

3.2.2 酸法提取氧化鋁的鋁電解關鍵技術研究

神華集團開發的 “一步酸溶法”粉煤灰提取氧化鋁工藝生產的氧化鋁產品經化驗分析其物理特性指標與傳統的拜耳法、燒結法或聯合法等工藝生產的氧化鋁產品相比，在容重、粒度、安息角 （流動性）、比表面積等方面有著較大的差別 （見表2）。

目前，現已投產或正在建設的大型電解鋁廠的裝備及流程都是依據堿法氧化鋁的標準來設計的，生產工藝不適用于“一步酸溶法”生產的氧化鋁。因此，亟需開發基于 “一步酸溶法”粉煤灰提取氧化鋁的鋁電解技術。

表2 酸法氧化鋁與傳統堿法氧化鋁主要物理特性比較

3.2.3 耐酸材料研究及關鍵設備研制

該技術在酸性條件下的反應溫度及溶液磨蝕程度都較高，因此現行氯堿行業使用的材料和設備不適合該工藝條件。酸法提取氧化鋁工藝從中試到工業化放大過程中，材料和設備問題是主要制約因素。神華準資公司產能為4000t／a氧化鋁中試裝置系統酸腐蝕問題突出，耐酸的材料選擇、溶出罐等核心裝置的研制是下一步研發重點。

3.2.4 廢水和殘渣處理技術研究

該技術工業廢水偏酸性，氯離子含量高，且化學成分復雜。解決酸法提取氧化鋁工藝過程中生產廢水的處理回用和殘渣處理是影響工業化生產的關鍵問題之一。

3.2.5 二氧化硅工業化應用研究

二氧化硅是粉煤灰提取氧化鋁工藝主要副產品和固體廢棄物。未來的研究重點是如何實現二氧化硅的大規模工業化應用。根據目前研究表明，使用二氧化硅可以替代粉煤灰在傳統建材領域制備發泡保溫板、瓷磚、二氧化硅制備白碳黑、橡塑填料等產品。

4 結論

隨著我國經濟高速發展，氧化鋁需求的增長與鋁土礦資源短缺的矛盾日益突出，開發新型鋁資源勢在必行。利用高鋁粉煤灰提取氧化鋁不僅將廢物處理和資源開發緊密結合起來，而且有利于推動當地循環經濟發展。現開展的各種粉煤灰提取氧化鋁技術研究各有利弊，未來要實現工業化，必須從技術、環保和生產成本三方面綜合考慮。工藝流程減量化、避免二次污染、開發新型設備和材料、進一步降低成本是未來的主要研究方向。此外，國家政策引導和財稅優惠也將推動粉煤灰提取氧化鋁技術早日實現工業化。

［1］ 葛鵬鵬，李鎮，茅沈棟等.粉煤灰提取氧化鋁工藝研究進展 ［J］.無機鹽工業，2010 （7）

［2］ 楊權成，馬淑花，謝華等.高鋁粉煤灰提取氧化鋁的研究進展 ［J］.礦產綜合利用，2012 （3）

［3］ 趙劍宇，田凱.微波助溶從粉煤灰提取氧化鋁新工藝研究 ［J］.無機鹽工業，2005 （2）