燃煤電廠粉煤灰生產(chǎn)氧化鋁的發(fā)展前景

郭建民，高榮，云冬冬，王強

(華電內(nèi)蒙古能源有限公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020)

0 引言

我國是一個以煤為主要能源資源的消耗國，在一次能源消耗中，煤炭消耗量一直占據(jù)主導(dǎo)。目前我國煤炭資源75%左右用于火力發(fā)電，燃煤電廠發(fā)電產(chǎn)生大量的粉煤灰，只有一小部分被利用，大部分被堆存，堆存的粉煤灰不僅占用了大量土地，還會污染環(huán)境，給當?shù)厣姝h(huán)境造成極大的危害。因此，粉煤灰的綜合利用是我國火電工業(yè)發(fā)展中的緊迫而又長期的任務(wù)。粉煤灰粒度小、均勻、含有氧化鋁，是一種極具開發(fā)利用價值的鋁土資源，從粉煤灰中生產(chǎn)氧化鋁，使資源利用價值最大化，即可綜合利用保護生態(tài)環(huán)境，又可緩解我國鋁土資源緊張的局面。

1 燃煤電廠粉煤灰的主要化學成分

燃煤電廠粉煤灰的主要成分是 SiO2，Al2O3，TiO2，CaO，MgO，F(xiàn)e2O3，Na2O 等。不同地區(qū)、不同種類的粉煤灰化學成分差異較大，資源利用效果也不同。內(nèi)蒙古準格爾礦區(qū)高鋁粉煤灰主要化學成分見表1。

表1 準格爾礦區(qū)粉煤灰主要化學成分 %

2 粉煤灰生產(chǎn)氧化鋁的意義

隨著我國燃煤機組的不斷增加，粉煤灰的排量也在急劇增長，1995年火電廠粉煤灰排放總量為0.9億t，2000年粉煤灰排放量為1.2億 t，到2010年已達到3.7億t。近年來，雖然我國粉煤灰開發(fā)利用取得了一定進展，但總體上看，仍以集中堆存和用于建材等低值化利用為主。目前，粉煤灰主要用來作混凝土和砂漿的摻合劑、生產(chǎn)水泥、制磚、道路基層材料、筑壩、改善土壤、提取礦物質(zhì)等。在經(jīng)濟迅猛發(fā)展的今天，國家更加注重資源綜合利用，力求粉煤灰的高技術(shù)開發(fā)，從其中提取氧化鋁，使粉煤灰綜合利用進入一個新階段。

內(nèi)蒙古中西部和山西北部等地區(qū)的部分煤炭資源中存有豐富的含鋁礦物，用于發(fā)電后產(chǎn)生的粉煤灰中氧化鋁質(zhì)量分數(shù)達40% ～50%，相當于我國中級品位鋁土礦中氧化鋁的含量，是一種寶貴的具有較高經(jīng)濟開發(fā)價值的含鋁資源。截至2008年年底，已探明高鋁煤炭資源儲量為319億t，遠景資源量約1000億t。因此，積極開拓高鋁粉煤灰生產(chǎn)氧化鋁這一新領(lǐng)域，使資源價值最大化，不但能減少粉煤灰堆存占用土地，減輕環(huán)境污染，還可提高煤炭利用的綜合效益。

3 粉煤灰生產(chǎn)氧化鋁工藝技術(shù)進展情況

目前，國內(nèi)外利用高鋁粉煤灰生產(chǎn)氧化鋁在技術(shù)上主要有石灰石燒結(jié)-拜耳法溶出工藝、預(yù)脫硅-堿石灰燒結(jié)法工藝、酸法工藝和硫酸銨法工藝。

3.1 國外技術(shù)研究情況

國外粉煤灰生產(chǎn)氧化鋁主要有直接堿浸出、鹽-蘇打燒結(jié)法、鈣燒結(jié)法、石灰石燒結(jié)法、氧化鈣熔融法、氫氟酸法等。除石灰石燒結(jié)法曾進行過工業(yè)化試生產(chǎn)且已停產(chǎn)外，其他方法均處于試驗研究階段。

3.2 國內(nèi)研究進展情況

目前我國粉煤灰生產(chǎn)氧化鋁研究的工藝路線主要有:傳統(tǒng)的石灰石燒結(jié)法-低溫拜耳法，預(yù)脫硅+堿石灰(石)燒結(jié)法，酸法，硫酸銨法等工藝。產(chǎn)業(yè)化程度高的有大唐國際再生資源開發(fā)有限公司(以下簡稱大唐國際)的預(yù)脫硅+堿石灰(石)燒結(jié)法工藝已投入工業(yè)化運行，產(chǎn)出合格的氧化鋁;此外，蒙西高新技術(shù)集團有限公司的石灰石燒結(jié)-低溫拜耳法工藝，也進入產(chǎn)業(yè)化階段;神華準能公司的“聯(lián)合除雜一步酸溶法”生產(chǎn)氧化鋁工藝基本完成了半工業(yè)試驗。華電內(nèi)蒙古能源有限公司的硫酸銨法生產(chǎn)氧化鋁完成了擴大化試驗，進入工業(yè)化試驗階段。

3.2.1 石灰石燒結(jié)-低溫拜耳法工藝

早在20世紀50年代，波蘭克拉科夫礦冶學院格日麥克(J.Grzymek)教授以高鋁煤矸石或高鋁粉煤灰(Al2O3的質(zhì)量分數(shù)大于30%)為主要原料，從中生產(chǎn)氧化鋁和利用其殘渣生產(chǎn)水泥。波蘭利用該技術(shù)建設(shè)了生產(chǎn)規(guī)模為6 000 t/a的氧化鋁項目，但由于其規(guī)模小、工藝技術(shù)不成熟、副產(chǎn)物排放大、配套利用率低等因素導(dǎo)致生產(chǎn)成本偏高，該項目于20世紀90年代末停產(chǎn)。該工藝技術(shù)為粉煤灰石灰石燒結(jié)法，主要流程為:原料配制及燒結(jié)自粉化，鋁酸鹽的提取，浸出液的過濾，偏鋁酸鈉的除硅處理，偏鋁酸鈉的碳酸化處理，氫氧化鋁經(jīng)煅燒制得氧化鋁。

石灰石燒結(jié)-低溫拜耳法工藝是蒙西高新技術(shù)集團有限公司借鑒20世紀50年代波蘭技術(shù)進行開發(fā)的粉煤灰生產(chǎn)氧化鋁工藝方法，該工藝完成了工業(yè)化試驗。年產(chǎn)40萬t工業(yè)化生產(chǎn)線正在分期建設(shè)。主要工序包括:原料的配制、生料燒結(jié)及(自)粉化、(鋁酸鈉)堿液浸取、液固分離、鋁酸鈉溶液碳分、拜爾法溶出、種分、氫氧化鋁分離及焙燒和水泥熟料鍛燒等。石灰石燒結(jié)-低溫拜耳法工藝生產(chǎn)流程如圖1所示。

圖1 石灰石燒結(jié)－低溫拜耳法工藝流程圖

3.2.2 預(yù)脫硅-堿石灰(石)燒結(jié)法工藝

2004年，大唐國際與清華同方共同合作對高鋁粉煤灰生產(chǎn)氧化鋁技術(shù)進行技術(shù)攻關(guān)，研發(fā)出高鋁粉煤灰預(yù)脫硅-堿石灰(石)燒結(jié)法提取氧化鋁工藝技術(shù)，并采用該技術(shù)建成年產(chǎn)3000t中試線，順利生產(chǎn)出氫氧化鋁。2010年8月30日，內(nèi)蒙古大唐國際使用此工藝建設(shè)的年產(chǎn)24萬t氧化鋁工程順利生產(chǎn)出了產(chǎn)品。

預(yù)脫硅-堿石灰(石)燒結(jié)法是利用高鋁粉煤灰提取氧化鋁聯(lián)產(chǎn)活性硅酸鈣等硅產(chǎn)品的技術(shù)，主要特點是采用預(yù)脫硅技術(shù)，提高鋁硅比，降低成渣量，并將粉煤灰中氧化鋁和二氧化硅分別提取利用，拓寬了硅產(chǎn)品的利用渠道。主要工序包括:粉煤灰預(yù)脫硅、脫硅溶液處理及活性硅酸鈣制備、生料漿制備、熟料燒成、熟料溶出、硅鈣渣分離洗滌脫堿脫水、一、二段脫硅、碳分、種分和焙燒等工序。預(yù)脫硅-堿石灰(石)燒結(jié)法工藝流程如圖2所示。

圖2 預(yù)脫硅堿石灰燒結(jié)法工藝流程圖

3.2.3 酸法工藝

采用酸法處理粉煤灰進展較大的有鹽酸法，有代表性的是“聯(lián)合除雜一步酸溶法”生產(chǎn)氧化鋁，其主要過程是:粉煤灰磁選除鐵、酸溶、過濾、分離、樹脂吸附除鐵等凈化后得到合格的溶出液、蒸發(fā)濃縮和結(jié)晶析出結(jié)晶氯化鋁、通過煅燒得到氧化鋁產(chǎn)品、冷卻和初步回收氯化氫氣體、二次回收氯化氫氣體、調(diào)節(jié)回收的鹽酸濃度、所得鹽酸應(yīng)用于酸溶過程。其酸溶過程是:將粉煤灰與質(zhì)量分數(shù)為20% ～30%的鹽酸反應(yīng)，保持溫度130～150℃的條件下，反應(yīng)1.5～2.5 h。

2009年神華集團和吉林大學合作，研發(fā)酸法生產(chǎn)氧化鋁技術(shù)，采用鹽酸作為反應(yīng)介質(zhì)，在試驗的基礎(chǔ)上，2011年年產(chǎn)4000 t氧化鋁的中試驗廠建成并投產(chǎn)。

該技術(shù)是利用發(fā)電廠循環(huán)流化床鍋爐產(chǎn)生的高鋁粉煤灰，采取“一步酸溶法”工藝路線制取冶金級氧化鋁，即將高鋁粉煤灰與一定濃度的鹽酸配料溶出，經(jīng)濾渣、蒸發(fā)、濃縮結(jié)晶、焙燒后得到氧化鋁，生產(chǎn)過程中同時提取鎵。該工藝流程短而簡單，且不產(chǎn)生赤泥。廢棄物為“白泥”，可用于生產(chǎn)建材。酸法工藝生產(chǎn)流程如圖3所示。

圖3 酸法工藝工業(yè)流程圖

3.2.4 硫酸銨法工藝

硫酸銨法是將粉煤灰與硫酸銨燒結(jié)反應(yīng)生成可溶于水的硫酸鋁銨和不溶于水的二氧化硅，過濾分離后得到硫酸鋁銨溶液和硅渣。硫酸鋁銨溶液中有鐵、鋁、鎂等雜質(zhì)，除雜后得到硫酸鋁銨精制液，向該精制液中通氨，得到Al(OH)3和(NH4)2SO4，過濾分離后得到Al(OH)3和硫酸銨溶液，由于Al(OH)3中含有部分鐵等雜質(zhì)，通過氫氧化鈉溶液溶出后種分，可以除雜和提高氫氧化鋁產(chǎn)品質(zhì)量，氫氧化鋁煅燒可得到Al2O3，硫酸銨溶液蒸濃返回與粉煤灰反應(yīng)。

硫酸銨法采用非酸非堿的硫酸銨作為循環(huán)介質(zhì)提取粉煤灰中的氧化鋁，克服了設(shè)備的相對腐蝕及對環(huán)境造成的壓力，采用了“先鋁后硅”的生產(chǎn)工藝，可實現(xiàn)粉煤灰的相對綜合利用。目前，華電內(nèi)蒙古能源有限公司的硫酸銨法處理粉煤灰提取氧化鋁中試生產(chǎn)線正在建設(shè)之中。硫酸銨法工藝流程如圖4所示。

以上4種方案從工藝方面比較，均能實現(xiàn)粉煤灰中的氧化鋁和二氧化硅分別提取利用，大唐國際的預(yù)脫硅+堿石灰(石)燒結(jié)法工藝產(chǎn)業(yè)化程度高，已投入工業(yè)化試生產(chǎn)，其他技術(shù)總體還處于半工業(yè)試驗及完成半工業(yè)試驗階段。

圖4 硫酸銨法工藝流程圖

4 國內(nèi)鋁土資源情況

4.1 我國鋁土礦資源現(xiàn)狀

我國鋁土礦資源相對稀缺。截至2009年年底，鋁土礦資源量約32億t，其中可采儲量只有10億多t，按目前的開采量計算，最多只能供應(yīng)10多年，采儲比在全球?qū)儆谧罡咚?，資源過度開采情況嚴重，因此鋁土礦資源的短缺已成為中國鋁工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的最大憂患，極度有限的資源已不能支撐鋁行業(yè)的高速增長。

4.2 鋁土礦質(zhì)量下降帶來生產(chǎn)成本升高

由于我國氧化鋁產(chǎn)量的大幅度提高，鋁土礦開采量迅速擴大，使得鋁土礦質(zhì)量迅速降低。例如，河南的氧化鋁企業(yè)在2003年之前，處理的鋁土礦鋁硅比大于10，到2006年時鋁土礦鋁硅比下降至7左右，而到2010年時鋁土礦鋁硅比再下降至5左右，導(dǎo)致以鋁土礦為原料生產(chǎn)氧化鋁的企業(yè)各項消耗急劇增加，如堿耗、蒸汽消耗、礦石消耗等，使得生產(chǎn)成本持續(xù)升高。

4.3 我國鋁土資源對外依存度不斷擴大

2011年我國氧化鋁的年生產(chǎn)能力約5100萬t，氧化鋁產(chǎn)量3 900萬t，隨著我國鋁工業(yè)的高速發(fā)展，我國鋁土礦資源的制約愈發(fā)明顯，礦石資源對外依存度在不斷擴大，2008年和2009年氧化鋁行業(yè)對外依存度分別為54.79%和45.11%。2011年鋁土礦進口量達到了4 485萬t。2005—2011年中國鋁土礦的產(chǎn)量及進口量如圖5所示。

圖5 2005—2011年中國鋁土礦的產(chǎn)量及進口量

按照生產(chǎn)1 t氧化鋁需要2.5 t鋁土礦估算，2006—2011年我國進口鋁土礦生產(chǎn)氧化鋁產(chǎn)量見表2。

表2 2006—2011年我國進口鋁土礦生產(chǎn)氧化鋁產(chǎn)量

從上表中可以看出，我國鋁土礦進口量不但連創(chuàng)新高，而且氧化鋁產(chǎn)量也在不斷擴大。我國的鋁土礦貿(mào)易來源主要是印尼和澳大利亞，存在高度集中的特點。近年來，印尼經(jīng)濟增速加快，對本國資源的利用、保護意識不斷增強，將會限制主要礦產(chǎn)資源出口，這將會加劇我國鋁土礦市場供應(yīng)的緊張程度，存在一定的風險。國內(nèi)鋁土礦資源短缺與需求旺盛的矛盾十分突出，亟待解決，需要積極找尋并利用其他含鋁資源。

5 經(jīng)濟效益和社會效益

國內(nèi)不同工藝粉煤灰生產(chǎn)氧化鋁可變成本為1500～1800元/t，經(jīng)測算2010年傳統(tǒng)行業(yè)鋁土礦生產(chǎn)氧化鋁平均可變成本為1627元/t，二者可變成本相比基本相當，但隨著鋁土礦質(zhì)量的持續(xù)下降，采用鋁土礦生產(chǎn)氧化鋁的行業(yè)平均成本將會持續(xù)升高;而隨著技術(shù)的進一步成熟，生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴大，大型煤電鋁循環(huán)經(jīng)濟一體化項目的發(fā)展，粉煤灰生產(chǎn)氧化鋁的可變成本將會降低。2011年國內(nèi)氧化鋁市場平均價格為2967元/t，進口氧化鋁價格為2975元/t，可見利用粉煤灰生產(chǎn)氧化鋁利潤可觀，盈利空間較大，效益顯著。同時可以有效地利用我國豐富的高鋁粉煤灰資源，將粉煤灰變廢為寶，對于新建電廠的粉煤灰利用還是對于已經(jīng)集中堆存的粉煤灰治理都具有很好的現(xiàn)實社會效益。因此，粉煤灰生產(chǎn)氧化鋁在國內(nèi)具有較強的市場競爭優(yōu)勢。

6 結(jié)論

我國高鋁煤炭資源儲量豐富，發(fā)電后產(chǎn)生的高鋁粉煤灰的堆放不僅給當?shù)貛憝h(huán)境污染，同時也造成了寶貴的含鋁礦物資源的浪費。從發(fā)展的眼光看，開發(fā)粉煤灰生產(chǎn)氧化鋁發(fā)展前景較好，利用電廠粉煤灰生產(chǎn)氧化鋁，可緩解我國鋁土礦等資源缺乏的問題，同時也能減輕環(huán)境污染，還可提高煤炭利用的綜合效益。

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