新形勢下粉煤灰資源化利用分析

摘要：目前，粉煤灰主要作為建材原料進行資源化利用，但是隨著建材行業需求的顯著減少，尋找新的出路勢在必行。粉煤灰含有大量的氧化鋁，同時含有微量的鋰、鎵等戰略性元素。若合理回收鋁、鋰和鎵，則可以彌補我國資源缺口，產生可觀的經濟效益。另外，硅副產品可以合理進行轉化，有效達到粉煤灰減量的目的。粉煤灰可以采用酸法、堿法和酸堿聯合法進行處理，實現鋁的回收，同時鎵和鋰得到協同回收。結合現有粉煤灰資源化利用技術路線，簡述戰略性元素的提取工藝，對工程實例進行分析，評估經濟效益，提出工程應用要點，以更好地推進粉煤灰的資源化利用。

關鍵詞：粉煤灰；資源化利用；鋁；鎵；鋰；協同回收；經濟效益

中圖分類號：X773 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2024）12-0-0328

Analysis of Resource Utilization of Fly Ash under the New Situation

CUI Yin， REN Jiaqi

（China Energy Engineering Group Zhejiang Electric Power Design Institute Co.， Ltd.， Hangzhou 310012， China）

Abstract： At present， fly ash is mainly used as a raw material for building materials for resource utilization， however， with the significant reduction in demand in the building materials industry， it is imperative to find new ways out. Fly ash contains a large amount of alumina， as well as trace amounts of strategic elements such as lithium and gallium. If aluminum， lithium and gallium are reasonably recycled， it can make up for China’s resource gap and generate considerable economic benefits. In addition， silicon by-products can be reasonably converted to effectively achieve the goal of reducing fly ash. Fly ash can be treated using acid， alkali and acid-base combined methods to achieve aluminum recovery， while gallium and lithium are synergistically recovered. Based on the existing technology route for the resource utilization of fly ash， the extraction process of strategic elements is briefly described， the engineering examples are analyzed， the economic benefits are evaluated， and the key points for engineering applications are proposed， so as to better promote the resource utilization of fly ash.

Keywords： fly ash; resource utilization; aluminium; gallium; lithium; collaborative recycling; economic benefits

隨著大量火電機組陸續建成，我國粉煤灰產生量大幅增加。目前，粉煤灰主要作為建材原料進行資源化利用[1]。隨著房地產行業進入新常態，建材原料需求明顯縮減，這就需要尋找新的出路。我國每年產生8億～9億t粉煤灰，市場容量較大。粉煤灰富含鋁、硅，同時含有少量鋰、鎵等戰略性金屬。我國是鋁消費大國，而鋁土礦相對匱乏，鋰、鎵也有較高的經濟價值，鋁、鋰與鎵的協同回收不僅可以彌補我國資源缺口，還可以產生可觀的經濟效益。另外，硅副產品可以合理轉化，有效達到粉煤灰減量的目的。近年來，我國持續出臺政策文件，促進大宗固廢的綜合利用，提高粉煤灰綜合利用水平，在風險可控的前提下引導粉煤灰有價組分提取工藝的應用和推廣。2023年3月，浙江省發布《浙江省工業固體廢物污染環境防治規劃（2022—2025年）》，提出大力推動制造業類產業園區循環化改造，形成以電廠粉煤灰、鋼鐵廠冶金渣等大宗工業固體廢物綜合利用為重點的企業循環型產業鏈。

1 現有技術路線

粉煤灰呈現為細微固體顆粒物，來源于煤炭燃燒過程產生的煙氣，主要化學成分為Al2O3、SiO2、Fe2O3、Na2O、CaO、SO3、K2O及殘碳等[2]，具多孔結構和火山灰活性。粉煤灰顆粒呈菱形、球形以及多孔的不規則形，顏色有所差異，大部分灰樣呈灰色，主要原因是鐵和未燃盡碳含量不同。鋁是兩性金屬，目前從粉煤灰中回收鋁的主要方法有堿法、酸法和酸堿聯合法。前沿技術集中于鋁、鋰和鎵的一體資源化綜合利用。

1.1 堿法

堿法是利用石灰石、Na2CO3等堿劑，將其與粉煤灰按照一定比例混合，在高溫下對粉煤灰進行活化，使惰性組分中的硅鋁分離，再采取特定方法脫除硅，得到Al2O3。堿法技術相對成熟，工藝較為簡單，設備材質要求低，但減量效果差，除雜困難，在新形勢下，不適用于減量要求高的地區。

1.2 酸法

酸法采用H2SO4、HCL等酸劑對粉煤灰進行活化浸出，使硅鋁得以分離，酸浸液經除雜、結晶、焙燒等過程得到Al2O3[3]。一步酸溶法研發周期較長，該法使用鹽酸作為酸劑，在低溫條件下處理粉煤灰，經過濾除雜后得到濃縮液，經過結晶、煅燒等步驟最終實現Al2O3產品化。一步酸溶法可以實現有價元素的協同回收，得到Al2O3和鎵、硅等副產品[4]。

1.3 酸堿聯合法

酸堿聯合法需要聯合使用酸劑和堿劑，兩種試劑通過一定順序和粉煤灰按比例混合，經過活化焙燒及除雜程序，煅燒后得到Al2O3產品。酸堿聯合法鋁提取率較高，但工藝流程較長，過程復雜，在工程應用中較難實現，酸、堿試劑消耗量多，成本相應增加。

2 戰略性元素的提取工藝

粉煤灰還含有微量的鋰、鎵等戰略性元素，因此為了提升經濟價值，有必要研究其提取工藝。

2.1 鎵的提取

粉煤灰中的鎵呈現兩性狀，因此可以用酸劑或者堿劑進行處理，具體視實際情況而定。富鎵浸出液可通過沉淀法、萃取法和吸附法回收鎵。各種離子達到沉淀條件時，反應體系的pH值有所不同，因此分別沉淀分離較為可行。使用萃取法時，鎵也可以與其他元素分離，原因是溶解度存在差異。樹脂法成本較低，也有一定優勢。

2.2 鋰的提取

因為鋰電池等產品的大量使用，鋰需求持續存在。粉煤灰可以采用酸劑進行處理，浸出后，鋰與各種有價金屬元素均在溶液中。可依次通過預處理、堿劑處理和鋁沉淀，分離鋁和鋰；可以通過堿劑處理和過濾，使鋰處于濾液中，采用特定的吸附劑進行吸附和脫附，再進一步沉淀，得到碳酸鋰。

2.3 鋁、鎵與鋰的協同回收

粉煤灰中鎵、鋰的含量較低，單獨回收鎵或鋰的經濟效益較差，因此粉煤灰回收鎵或鋰需在回收鋁的基礎上開展，在新形勢下，推薦鋁、鋰和鎵等多金屬協同回收的粉煤灰資源化利用技術。深度脫硅-兩步堿溶工藝將鋰提取放置在脫硅液中進行，鋁、鎵的提取則在浸出液中實現，從而達到鋁、鎵和鋰的協同回收。該工藝采用兩步堿處理替代傳統的活化焙燒，從而解決傳統堿法工藝能耗高的問題，但是產渣量大，工業化推廣較難實現。

3 工程實例分析

按照目前調研結果，堿法工藝需要投入專門堿劑，而酸法工藝腐蝕性大，設備材質要求高，現有項目運行情況均不太理想。大唐國際發電股份有限公司研發的預脫硅-堿石灰燒結工程是目前唯一實現長周期連續運行的項目，但是能耗高，產渣量大。內蒙古自治區地廣人稀，粉煤灰具備一定的堆存條件，同時經濟不發達，硅系產品轉化消納動力不強，該項目已于2018年停產。

3.1 項目1

項目1為年產40萬t氧化鋁生產線，屬于內蒙古蒙西高新技術集團有限公司。該項目位于呼和浩特市玉泉區石羊橋路蒙西文化廣場，工藝為石灰石煅燒-拜耳法。但是，大量廢渣堆放造成環境污染，燒結溫度高導致能耗大。根據核心反應條件，燒結溫度為1 300～1 400 ℃，鋁提取率為80%，目前已打通流程。

3.2 項目2

項目2為年產20萬t氧化鋁生產線，屬于大唐國際發電股份有限公司。該項目位于呼和浩特市托克托縣新營子鎮，工藝為預脫硅-堿石灰燒結法。但是，能耗高，產渣量大，硅系副產品在當地滯銷。根據核心反應條件，預脫硅溫度為95 ℃，燒結溫度為1 200～1 250 ℃，鋁提取率為85%，連續運行8年。

3.3 項目3

項目3為年產4 000 t氧化鋁中試裝置，屬于中國神華能源股份有限公司。該項目位于鄂爾多斯市準格爾旗薛家灣鎮氧化鋁中試廠，工藝為一步酸溶法。但是，設備材質存在問題。根據核心反應條件，溫度為160～180 ℃，HCl濃度為30%，提取率為85%，實現短周期運行。

3.4 項目4

項目4為年產1萬t氧化鋁生產線，屬于內蒙古開元生態鋁業有限公司。該項目位于鄂爾多斯市準格爾旗大路工業園，工藝為硫酸鹽燒結法。但是，廢水需要處理，對設備有一定腐蝕，投資較大，產生高硅渣。根據核心反應條件，燒結溫度為570～590 ℃，鋁提取率為83%，實現短周期運行。

3.5 項目5

項目5為年回收1萬t鋁硅合金生產線，屬于鄂爾多斯市蒙泰鋁業有限責任公司。該項目位于內蒙古鄂爾多斯達拉特經濟開發區，工藝為酸堿聯合除雜法。但是，提取氧化鋁的成本高昂，強酸和強堿消耗量大，鋁鹽溶液中的鐵等雜質分離困難，影響氧化鋁產品質量。根據核心反應條件，脫硅溫度為95 ℃，酸除雜溫度為60～70 ℃，酸濃度為6～9 mol/L，焙燒溫度為830～880 ℃，鋁提取率為84%，項目正在運行中。

4 經濟效益評估

采用弱酸體系（硫酸銨法）[5]處理Al2O3含量為30%的粉煤灰（質量1 t），模擬其資源化處理效果，估算成本及收益，如表1、表2所示。經合計，單位質量粉煤灰的資源化成本為513～713元，資源化收益為958～1 158元。數據顯示，粉煤灰資源化后收益與成本存在一定差值，能保證一定經濟效益。

5 工程應用要點

堿法減量效果不佳，強酸法設備造價偏高，因此試劑應避免使用強酸及堿體系，可采用弱酸體系，并盡可能促成循環利用。提取有價金屬后，考慮產品充分外售，例如，Al2O3全部外售給下游電解鋁企業，高硅渣結合項目地硅系副產品需求進行定制開發，或者考慮人造土壤、礦坑填充及淤泥質地基填充等方向。項目選址充分考慮上游煤炭成分，盡可能選擇高鋁粉煤灰。

6 結論

在新形勢下，企業可采用鋁、鋰和鎵等多金屬協同回收的粉煤灰資源化利用技術?，F有酸法和堿法均存在一定短板，強酸法易腐蝕設備，堿法除雜及減量效果較差。經評估，采用弱酸體系（硫酸銨法）處理Al2O3含量為30%的粉煤灰，經濟效益較好。在實際應用中，企業應采用循環體系，選擇高鋁粉煤灰，將產品充分外售，提高經濟效益。

參考文獻

1 雷 瑞，付東升，李國法，等.粉煤灰綜合利用研究進展[J].潔凈煤技術，2013（3）：106-109.

2 吳元鋒，儀桂云，劉全潤，等.粉煤灰綜合利用現狀[J].潔凈煤技術，2013（6）：100-104.

3 武飛樂，李世春.粉煤灰中鋁、鎵、鋰回收技術研究進展[J].中國有色冶金，2023（2）：116-125.

4 郭昭華.粉煤灰“一步酸溶法”提取氧化鋁工藝技術及工業化發展研究[J].煤炭工程，2015（7）：5-8.

5 羅振勇，陳沐陽，公彥兵，等.粉煤灰中鋁資源回收技術研究進展[J].有色金屬（冶煉部分），2024（5）：53-61.

作者簡介：崔吟（1984—），女，浙江安吉人，高級工程師。研究方向：水處理、固廢處理和環境保護。