神華集團煤炭能源清潔利用邁向新里程
——“一步酸溶法”粉煤灰提取氧化鋁技術具備工業(yè)化條件

姬學良 高飛 馮賢|文

從燃煤電廠超低排放，到百萬噸煤炭間接液化技術及設備的國產研發(fā)，神華集團在煤炭能源清潔利用上一直處于全國領跑的地位。2017年初春，捷報再傳——“一步酸溶法”粉煤灰提取氧化鋁中試裝置第七次試車圓滿完成。

能源的清潔利用是國家能源產業(yè)的發(fā)展趨勢，作為全球最大煤炭供應商的神華集團堅持能源清潔利用是遠見卓識、更是央企擔當。從燃煤電廠超低排放，到百萬噸煤炭間接液化技術及設備的國產研發(fā)，神華集團在煤炭能源清潔利用上一直處于全國領跑的地位。2017年初春，捷報再傳——“一步酸溶法”粉煤灰提取氧化鋁中試裝置第七次試車圓滿完成。肩負推進工業(yè)化進程任務的第七次試車各項數據表明，神華集團自主研發(fā)、世界首創(chuàng)的“一步酸溶法”粉煤灰提取氧化鋁技術具備工業(yè)化條件。神華集團煤炭清潔利用邁向新里程。

世界首創(chuàng)的“一步酸溶法”

“一步酸溶法”粉煤灰提取氧化鋁技術以電廠循環(huán)流化床粉煤灰為原料，和鹽酸進行反應生產冶金級氧化鋁，是神華集團煤炭資源綜合開發(fā)利用的一項突破性技術。該技術相對于氧化鋁行業(yè)通用的堿法提取，具有技術條件寬泛、減量化、工藝流程短、酸循環(huán)利用、安全環(huán)保、能耗低、成本低的優(yōu)點，而且可以從中提取鎵、鋰等稀有金屬。

神華集團以國家能源戰(zhàn)略為指引，根據準格爾煤田煤炭高鋁富鎵的特性，于2004年便展開了粉煤灰提取氧化鋁煤炭資源綜合開發(fā)利用的研究，在氧化鋁提取行業(yè)首創(chuàng)性地提出酸法提取的技術路線，于2009年攻破酸法提取氧化鋁工藝技術。2011年8月神華準能資源綜合開發(fā)有限公司氧化鋁中試廠（以下簡稱“氧化鋁中試廠”）建成投運，神華集團開始 “一步酸溶法”的工業(yè)化攻關。同年12月18日，神華準格爾礦區(qū)礦產資源綜合利用示范基地揭牌暨煤炭伴生資源循環(huán)經濟產業(yè)項目一期開工奠基儀式在準格爾旗舉行，神華集團與內蒙古自治區(qū)雙雙將該項目列為“一號工程”，舉全集團、全自治區(qū)之力全力推進。

研發(fā)歷程

一項行業(yè)創(chuàng)新、世界首創(chuàng)的技術，其從萌芽到雛形再到成熟，必然要經歷無數次的攻關與論證?！耙徊剿崛芊ā狈勖夯姨崛⊙趸X技術從氧化鋁中試廠建成至今共經歷七次試車，技術指標不斷創(chuàng)新，每一次試車都是一次突破。

2011年8月25日，氧化鋁中試廠開始第一次試車，粉煤灰提取氧化鋁中試裝置一次性全部貫通，證明了該項技術以及中試裝置的可行性。但接下來的每一步都步履維艱，酸法提取因其高酸性，曾讓許多勇敢的探索者望而卻步，酸對設備的強腐蝕性，也一度成為中試過程中的最大障礙。然而神華集團把煤炭的清潔利用看作一種使命，使命履行絕沒有半途而非的前例。憑著敢啃硬骨頭的毅力和打破常規(guī)思維的創(chuàng)新意識，神華集團歷經多次試車終于解決了設備材質的各項難題。首創(chuàng)的技術催生了許多首創(chuàng)的材料制造，同時滿足耐酸、耐磨、耐腐條件的低價材料應用，得到了氧化鋁行業(yè)以及有色金屬行業(yè)的認可。

第五次試車，設備連續(xù)運行159天，達產運行3個月，實現了長周期運行的目標。第六次試車，氧化鋁溶出率從最初的60%提高到85%以上，借用稀土、鋼鐵行業(yè)的萃取、酸洗再生技術，破解了廢水綜合利用的問題，各項環(huán)保排放指標達標。2016年9月到2017年1月的第七次試車，是“一步酸溶法”粉煤灰提取氧化鋁工業(yè)化進程中具有里程碑意義的一次試車，此次試車中，解決了氧化鋁純度的問題，生產的氧化鋁產品純度達99.39%，達到國家冶金一級品標準；鎵提取率60%，純度達4N級（99.99%）；產量、質量、環(huán)保排放、設備完好率全都達到或者超過了工業(yè)化設計方案的預期值。

2013年，中國有色金屬工業(yè)協(xié)會和煤炭工業(yè)協(xié)會聯(lián)合對神華集團“高鋁粉煤灰提取氧化鋁關鍵技術研究及其工業(yè)化中試裝置開發(fā)”進行科技成果鑒定。鑒定結果認為“該成果構建了酸法分解高鋁粉煤灰提取氧化鋁的理論體系，實現了高鋁粉煤灰的資源化高附加值利用，工藝技術屬國內外首創(chuàng)，達到了世界領先水平，建議加快工業(yè)化示范線建設”。第七次試車，工業(yè)化的可行性得到了肯定論證。神華集團用5年的時間，將“一步酸溶法”從實驗室里的“襁褓嬰兒”培養(yǎng)成了具備工業(yè)化條件的“青壯年”，打造了煤炭清潔利用的又一個范本。

“一步酸溶法”粉煤灰生產氧化鋁技術

“一步酸溶法”工藝技術主要由配料、溶出、分離洗滌凈化、蒸發(fā)結晶、焙燒、酸回收六個工序組成，具體流程：電廠生產的粉煤灰與鹽酸按一定配比形成成品料漿；成品料漿在溶出工序達到預定的溶出效果后送至分離洗滌凈化工序；溶出料漿經過分離洗滌凈化去除雜質得到氯化鋁精制液；氯化鋁精制液送至蒸發(fā)結晶工序后經過蒸發(fā)結晶得到氯化鋁晶體，將氯化鋁晶體送至焙燒工序；在焙燒工序氯化鋁晶體發(fā)生脫水與分解反應生成最終產品氧化鋁。在氯化鋁晶體焙燒過程中會產生大量的煙氣（成分主要為氯化氫），煙氣經過洗滌除塵、多級吸收后制成合格的鹽酸溶液返回配料工序。

同時，在提取氧化鋁過程中，開發(fā)了鎵、鋰、稀土元素的富集和提取技術，開展了多品種氧化鋁的研究，實現產品多樣化，提升了產業(yè)鏈價值。

在整個過程中，除雜技術是“一步酸溶法”工藝需突破的重點、難點，經過多年努力，神華集團開發(fā)了專有的除鐵、除鈣技術系統(tǒng)并研制了配套設備，成功解決了這一難點。

除此之外，溶出料漿具有腐蝕性和磨蝕性，在160攝氏溫度下，防腐耐磨材料的選擇及成套設備的研制同樣也是粉煤灰提取氧化鋁的難點。為此神華集團先后與中國航天科技集團、中國科學院金屬研究所等40余家研發(fā)單位合作，經過7年的深入研究，尤其是近5年的工業(yè)化中試對比實驗和改進，研制的設備穩(wěn)定可靠。經過資質機構的檢測，關鍵設備使用壽命可以達到10年以上，滿足了粉煤灰提取氧化鋁“一步酸溶法”工藝技術的要求。

國家后續(xù)鋁資源的有力保障

“一步酸溶法”粉煤灰提取氧化鋁技術，是神華集團對能源安全高效清潔低碳發(fā)展方式的有益探索，是踐行“1245”清潔能源戰(zhàn)略的重要成果。以該技術為核心的神華集團循環(huán)經濟煤炭伴生資源綜合利用示范項目，上游與煤礦、電廠相接，下游緊聯(lián)電解鋁、鋁型材加工、鎵鋰稀有金屬提取以及白泥建筑材料生產，實現了煤炭資源的吃干榨盡、清潔利用。煤炭完成從燃料到原料的進化，經濟效益可增加15倍多，是神華集團經濟發(fā)展新的增長極。

神華集團用事實證明——“未來的鋁資源在煤里”。我國鋁土礦資源相對匱乏，但需求量大，每年將近50%依靠進口，“一步酸溶法”粉煤灰提取氧化鋁技術的成功研發(fā)，對我國增強鋁資源的自主保障能力、推動煤炭清潔高效利用、促進民族地區(qū)發(fā)展具有重大意義。以晉陜蒙三省的高鋁煤炭儲量測算，其中含鋁約30億噸，是國家后續(xù)鋁資源的有力保障。

與粉煤灰提取氧化鋁同步的，“一步酸溶法”工藝流程中還可以提取鎵、鋰等稀有金屬，更為國家光伏發(fā)電、電能存儲的技術進步提供了新的空間。

能源清潔利用的引領與示范

“一步酸溶法”粉煤灰提取氧化鋁技術及其工業(yè)中試裝置目前共撰寫并申報國家專利188項，已獲得國際PCT授權專利4項，獲得國內授權專利95項，其中發(fā)明專利57項，實用新型專利38項；國家發(fā)明專利審查中24項，國內發(fā)明專利申請中48項，國內實用新型專利申請中8項。神華集團已發(fā)表循環(huán)經濟產業(yè)相關論文37篇，建立企業(yè)標準4項，目前正在整理制定行業(yè)標準、編制氧化鋁工藝包和電解鋁工藝包。

“一步酸溶法”粉煤灰提取氧化鋁技術成為神華集團首個在全球范圍內掌握核心技術的應用技術，是其由規(guī)模速度型向質量效益型發(fā)展轉變的重大成果，在國家的能源清潔利用上起到了引領與示范的作用。以“一步酸溶法”粉煤灰提取氧化鋁技術具備工業(yè)化條件為標志，神華集團“1245”清潔能源戰(zhàn)略實施邁向了新里程。