中國(guó)粉體網(wǎng)訊 我國(guó)是一個(gè)以煤為主要能源的國(guó)家，在一次能源探明總量中煤炭占90%。目前，我國(guó)煤炭資源75%左右用于火力發(fā)電，燃煤電廠發(fā)電會(huì)產(chǎn)生大量的粉煤灰，其中只有一小部分被利用，大部分都被堆存。
粉煤灰的主要成分組成表
粉煤灰是燃煤電廠以及煤矸石、煤泥綜合利用電廠排出的主要固體廢物。近年來(lái)，研究者通過(guò)對(duì)位于我國(guó)中西部地區(qū)的部分電廠飛灰進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)飛灰中氧化鋁含量高達(dá)50%以上，是一種新類型的粉煤灰——高鋁粉煤灰。高鋁粉煤灰比普通的粉煤灰中Al2O3含量近高一倍，接近于傳統(tǒng)鋁土礦(一般在55%～65%)的含量，是一種十分重要的非傳統(tǒng)鋁資源。
鋁土礦又稱鋁礬土，是工業(yè)上能利用的以三水鋁石、軟水鋁石或硬水鋁石為主要礦物成分的礦石統(tǒng)稱。世界鋁土礦產(chǎn)量的92％用于生產(chǎn)冶金級(jí)氧化鋁，其余８％用于其他行業(yè)，稱為非冶金用氧化鋁或多品種氧化鋁。金屬鋁是僅次于鋼鐵的重要金屬材料。每生產(chǎn)１t金屬鋁約需２t冶金級(jí)氧化鋁原料。根據(jù)中國(guó)海關(guān)，2019年全年我國(guó)共進(jìn)口鋁土礦10066.39萬(wàn)噸，而2018年我國(guó)共進(jìn)口鋁土礦8256.97萬(wàn)噸，同比增加21.91%，年度進(jìn)口量首度破億噸水平。從國(guó)別角度看，幾內(nèi)亞、澳大利亞、印尼三國(guó)依舊維持三足鼎立局面，系我進(jìn)口鋁土礦最大來(lái)源國(guó)的前三位，占總進(jìn)口量的94%以上。
針對(duì)中國(guó)鋁土礦資源不足的狀況，利用高鋁粉煤灰生產(chǎn)氧化鋁不僅有望緩解鋁資源的不足，而且可減少粉煤灰對(duì)大氣、水體的污染和大量土地資源的占用。目前，粉煤灰主要利用于建筑（生產(chǎn)水泥、砌磚、制作微晶玻璃）、農(nóng)業(yè)（改良土壤、生產(chǎn)肥料）、環(huán)保（廢水處理、煙氣脫硫）等方面。除了以上這些粉煤灰利用的傳統(tǒng)領(lǐng)域之外，我國(guó)自“十一五”期間，大力積極引導(dǎo)企業(yè)開展高鋁粉煤灰的綜合利用�？蒲泄ぷ髡吒鶕�(jù)高鋁粉煤灰的特點(diǎn)，提高對(duì)其資源化利用，開始著眼于粉煤灰內(nèi)鋁硅等主量元素和稼、鍺、鎳、釩等微量元素的提取，實(shí)現(xiàn)高鋁粉煤灰的資源綜合利用。
粉煤灰制取氧化鋁的方法
粉煤制取氧化鋁，按提取方式的不同，可分為堿法和酸法。堿法主要有：堿——石灰燒結(jié)法、石灰石煅燒法、預(yù)脫硅-燒結(jié)法等。
堿法
石灰石煅燒法
石灰石煅燒法的主要原理是:在1300～1400℃的高溫條件下使石灰與粉煤灰中的氧化鋁反應(yīng)生成易溶的鋁酸鈣12CaO•7Al2O3，與硅反應(yīng)生成難溶的硅酸二鈣2CaO•SiO2；活化后的熟料以Na2CO3溶液浸出，實(shí)現(xiàn)鋁硅分離;浸出液經(jīng)深度脫硅、碳分、煅燒最終獲得氧化鋁。
石灰石煅燒工藝流程
堿－石灰石煅燒法
堿－石灰石煅燒法是將粉煤灰、石灰石、碳酸鈉在1100～1200℃的條件下進(jìn)行煅燒，煅燒過(guò)程中Na2CO3與灰中Al2O3、Fe2O3反應(yīng)生成易溶于水的NaAlO2、NaFeO2，而灰中的TiO2、SiO2與CaO反應(yīng)生成難溶鈦酸鈣、原硅酸鈣;用稀堿或水溶鋁時(shí)，氯酸鈉溶解進(jìn)入溶液，NaFeO2水解生成NaOH、Fe2O3•H2O沉淀，而原硅酸鈣及鈦酸鈣不溶成為殘?jiān)�，分離鋁殘?jiān)蟮玫铰人徕c溶液，再通入CO2進(jìn)行碳酸化分解，析出Al(OH)3，碳分母液經(jīng)蒸發(fā)濃縮返回配料燒結(jié)，循環(huán)使用。Al(OH)3經(jīng)煅燒成為氧化鋁產(chǎn)品。
堿-石灰石煅燒法工藝流程
預(yù)脫硅－堿－石灰石燒結(jié)法
預(yù)脫硅－堿－石灰石燒結(jié)法是首先采用高濃度的NaOH溶液與粉煤灰在一定的溫度下發(fā)生反應(yīng)，灰中的非晶態(tài)氧化硅生成硅酸鈉進(jìn)入溶液，而鋁依舊殘留在渣中，從而提高渣中的鋁硅比。脫硅后的渣以堿－石灰石燒結(jié)法提鋁，脫硅溶液經(jīng)進(jìn)一步處理可制備附加值較高的白炭黑等，進(jìn)一步提高了經(jīng)濟(jì)效益。
預(yù)脫硅-堿-石灰石煅燒法工藝
酸法
酸法是采用無(wú)機(jī)酸處理高鋁粉煤灰，生產(chǎn)相應(yīng)的鋁鹽如AlCl3、Al2(SO4)3 等，原料中的氧化硅生成偏硅酸膠體殘?jiān)�。將鋁鹽凈化后使之分解制得氧化鋁。酸浸法提取氧化鋁的主要化學(xué)反應(yīng)如下：
酸堿聯(lián)合法
工藝過(guò)程：高鋁粉煤灰與純堿按比例混合后中溫?zé)Y(jié)，燒結(jié)熟料浸入稀鹽酸或硫酸中轉(zhuǎn)化為硅膠沉淀和含鋁溶液［ＡlCl3或Ａl2(SO4)3］，過(guò)濾所得硅膠可生產(chǎn)白炭黑、氧化硅氣凝膠、多孔氧化硅等化合物；濾液經(jīng)苛化、除雜、碳分或種分制備氫氧化鋁，經(jīng)煅燒制得氧化鋁。
高鋁粉煤灰提取氧化鋁技術(shù)回顧
利用高鋁粉煤灰提取氧化鋁的技術(shù)始于20世紀(jì)50年代，波蘭克拉科夫礦冶學(xué)院Grzymek教授以高鋁粉煤灰（Al2O3含量≥30％）為原料，采用石灰石燒結(jié)法提取氧化鋁，同時(shí)利用剩余硅鈣渣生產(chǎn)水泥。1953年建成年產(chǎn)１萬(wàn)ｔ氧化鋁和副產(chǎn)10萬(wàn)ｔ水泥生產(chǎn)線，采用石灰石燒結(jié)法，Al2O3提取率可達(dá)80％。1980年安徽冶金科研所和合肥水泥研究所采用石灰石燒結(jié)－碳酸鈉溶液溶出工藝，從粉煤灰中提取氧化鋁、其硅鈣渣用作水泥原料。20世紀(jì)80年代后，又出現(xiàn)了堿石灰燒結(jié)法、酸溶沉淀法、鹽－蘇打燒結(jié)法、氟氨助溶法等利用高鋁粉煤灰提取氧化鋁的方法。
高鋁粉煤灰制備氧化鋁需要突破的方向
但當(dāng)前，我國(guó)對(duì)于粉煤灰制備氧化鋁生產(chǎn)工藝還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，或許是因?yàn)槠湓谥苽溥^(guò)程中存在的過(guò)多問(wèn)題導(dǎo)致。研究表明從高鋁粉煤灰中提取氧化鋁的方法很多，國(guó)內(nèi)先后建成基于不同工藝的中試廠及工業(yè)示范裝置，但由于各種原因還未能達(dá)到工業(yè)化進(jìn)程。從高鋁粉煤灰中提取氧化鋁需突破的方向有：（1）解決酸法工藝中設(shè)備材質(zhì)問(wèn)題。由于現(xiàn)有的普通生產(chǎn)設(shè)備無(wú)法滿足酸性物質(zhì)的腐蝕要求，亟需研究適合酸法工藝條件且性價(jià)比高的設(shè)備。（2）解決堿法工藝的“加量化”生產(chǎn)模式。利用高鋁粉煤灰提取氧化鋁是對(duì)固廢的資源化利用，確保生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的鈣硅渣能循環(huán)利用，避免“二次污染”。（3）工藝改進(jìn)的深入研究。探索新的工藝路線，利用更有效的經(jīng)濟(jì)手段在鋁和硅的分離方面下功夫，從而提高產(chǎn)品品質(zhì)。
總結(jié)
粉煤灰是各種煤燃燒后所產(chǎn)生的固體廢棄物，是多種物質(zhì)的混合物，其主要化學(xué)成分為硅、鋁、鐵以及未然碳。大量的粉煤灰排放、堆積致使土地占用，水體污染，造成了極大的環(huán)境壓力。而粉煤灰中制取氧化鋁生產(chǎn)工藝的研究，既能夠解決環(huán)境壓力，又能夠解決我國(guó)對(duì)鋁的需求。從當(dāng)前環(huán)保壓力問(wèn)題以及部分國(guó)家戰(zhàn)略資源安全問(wèn)題、可持續(xù)發(fā)展及經(jīng)濟(jì)角度等各方面來(lái)看，都是多贏的結(jié)果。
參考文獻(xiàn)：
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高志強(qiáng).粉煤灰綜合利用研究及工程設(shè)計(jì)
新浪財(cái)經(jīng).2019年中國(guó)進(jìn)口鋁土礦1.007億噸，同比增長(zhǎng)21.91%
