粉煤灰提取氧化鋁現(xiàn)狀及工藝研究進展

于曉東

摘 要：粉煤灰作為一種工業(yè)廢渣，會對環(huán)境和人類生存造成嚴重的危害。目前，利用高鋁粉煤灰提取氧化鋁是粉煤灰綜合利用研究的一大熱點。本文從高鋁粉煤灰的排放及利用出發(fā)，通過研究高鋁粉煤灰的特點，綜述了從高鋁粉煤灰中提取氧化鋁的技術(shù)，并分析各個技術(shù)的優(yōu)缺點，最后展望從高鋁粉煤灰提取氧化鋁技術(shù)。

關(guān)鍵詞：粉煤灰;氧化鋁;技術(shù)

粉煤灰是燃煤鍋爐隨煙氣排出的固體廢棄物，它是煤在高溫燃燒時其中雜質(zhì)熔融，是制備氧化鋁和氫氧化鋁的很好資源。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。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，提高對其資源化利用，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，實現(xiàn)高鋁粉煤灰的資源綜合利用。

1 粉煤灰的危害

從煤燃燒后的煙氣中搜捕下來的細灰稱為粉煤灰，是燃煤發(fā)電廠排出的主要固體廢棄物。粉煤灰是中國當前排放量較大的工業(yè)廢渣之一，并且隨著電力工業(yè)的發(fā)展，燃煤電廠的粉煤灰排放量逐年增加。大量粉煤灰不加處理，會產(chǎn)生揚塵，污染大氣;若排入水系會造成河流淤塞，而其中的有毒化學物質(zhì)還會對人體和生物造成危害;若建灰場堆存處理，會占用大量土地，一次性投資較高，且遇水容易使粉煤灰中的重金屬元素滲透到土壤里，污染環(huán)境。

2 粉煤灰提取氧化鋁的工藝技術(shù)

目前，從粉煤灰中提取氧化鋁的技術(shù)主要有：堿法、酸法、酸堿聯(lián)合法。

2.1 堿法

堿法是目前粉煤灰提取氧化鋁工藝使用最廣泛的技術(shù)，具有代表性的是石灰石燒結(jié)自粉化法和堿石灰燒結(jié)法。

2.1.1 石灰石燒結(jié)自粉化法

石灰石燒結(jié)自粉化法是從粉煤灰中提取氧化鋁較為成熟的工藝，工藝過程主要包括：燒結(jié)、熟料自粉化、溶出、脫硅、炭化、煅燒幾個工序。由于粉煤灰中的主要礦物組成為莫來石和石英，莫來石中的氧化鋁活性較差，必須將其活化后才能更好的提取。首先在粉煤灰中需加入定量的石灰石高溫煅燒的條件下將氧化鋁進行活化，煅燒后的產(chǎn)物為塊狀燒結(jié)物，將燒結(jié)后的自粉料加入一定濃度的碳酸鈉溶液，使其中的鋁以偏鋁酸鈉的形式溶出。在溶出的過程中，由于有一部分的硅以硅酸鈉的形式存在，對鋁的回收影響很大。所以要制得高純鋁和提高鋁的回收率，對溶出液進行脫硅處理。脫硅工序主要是溶液中加入石灰乳使得硅酸鈉轉(zhuǎn)變成溶解度很小的鋁硅酸鈣。脫硅后加入有機溶劑和分散劑，劇烈攪拌后偏鋁酸鈉就會發(fā)生水解而結(jié)晶析出為氫氧化鋁。氫氧化鋁煅燒后得氧化鋁。

2.1.2 堿石灰燒結(jié)法

堿石灰燒結(jié)法生產(chǎn)氧化鋁的工藝過程主要包括：原料準備、熟料燒結(jié)、熟料溶出、脫硅、碳酸化分解、焙燒、分解母液蒸發(fā)。各組分中氧化物之間的配比通稱為爐料的配方，配方的適宜比例直接決定燒結(jié)過程和熟料的物相組成。由于鋁硅比與鐵鋁比是由原料本身決定，所有配方的優(yōu)劣主要是控制好堿比與鈣比這兩項指標。熟料的燒制過程是工藝過程中關(guān)鍵工序，它決定著燒制產(chǎn)品的質(zhì)量、能耗及產(chǎn)量。燒結(jié)產(chǎn)物通常叫熟料，它的礦物組成為鋁酸鈉、原硅酸鈣、鐵酸鈉等礦物。熟料經(jīng)破碎后用稀堿溶液溶出、沉降分離后達到有用成分與有害雜質(zhì)的基本分離。粗液（鋁酸鈉溶液）中常添加拜耳法赤泥、石灰或碳鋁酸鈣來進行脫硅，脫硅后溶液通入CO2可以使粗液中的氧化鋁以氫氧化鋁的形式結(jié)晶出來。其中少量的脫硅后溶液進行晶種分解，目的是返回脫硅工序保證硅渣分離的穩(wěn)定性。氫氧化鋁煅燒后得氧化鋁。燒結(jié)法產(chǎn)生的硅渣量是氧化鋁產(chǎn)品的7～10倍，為了提高燒結(jié)效率，減少排放硅渣量?；谶@些原因，使得堿法生產(chǎn)的工業(yè)化廠產(chǎn)業(yè)鏈效益下降，技術(shù)發(fā)展停滯。降低生產(chǎn)能耗指標，提高鋁的提取率，加強鈣硅渣的綜合利用能力，有效的減少生產(chǎn)成本是堿法生產(chǎn)氧化鋁技術(shù)需解決的難題。

2.2 酸法

酸法生產(chǎn)氧化鋁主要是采用無機酸（硫酸、鹽酸）來溶解粉煤灰中的硅鋁酸鹽，生成鋁鹽AlCl3，原料中的鈣、鎂、鉀、鈉、鐵等雜質(zhì)也生成相應(yīng)的氯鹽，硅以SiO2殘渣形式存在，經(jīng)除雜凈化后分解制得氧化鋁。以“一步酸溶法”為例來說明酸法生產(chǎn)氧化鋁流程，主要工藝流程包括：配料、溶出、沉降分離、蒸發(fā)結(jié)晶、焙燒。該方法是將粉煤灰與鹽酸按照一定的配比用攪拌進行混合，混合后的成品料漿經(jīng)高溫溶出后稀釋，稀釋液經(jīng)沉降分離洗滌、凈化除雜工序后得到氯化鋁精制液和主要成分為二氧化硅的白泥。氯化鋁精制液經(jīng)蒸發(fā)結(jié)晶得到六水氯化鋁晶體，焙燒后制得氧化鋁。其中含有二氧化硅的白泥經(jīng)過脫水后可生產(chǎn)白炭黑、橡型填料、分子篩等硅系列產(chǎn)品。工藝中所產(chǎn)生的鹽酸氣體可通過酸回收工序進行回收再利用，減少了酸氣對環(huán)境的破壞。

2.3 酸堿聯(lián)合法

酸堿聯(lián)合法是以無水碳酸鈉為助劑與粉煤灰按一定比例混合焙燒，目的用來分解粉煤灰中的莫來石和鋁硅酸鹽，從而增加粉煤灰的活性。然后用不同濃度的稀鹽酸進行溶解，生成硅膠和氯化鋁（或硫酸鋁）溶液，待反應(yīng)結(jié)束后進行過濾，從而使粉煤灰中的Si和Al分離。硅膠過濾制備白炭黑等硅產(chǎn)品，濾液除雜后加入氫氧化鈉進行中和、沉淀生成氫氧化鋁，最后鍛燒得到產(chǎn)品氧化鋁。利用酸堿聯(lián)合法以電廠的粉煤灰為原料制得符合標準的冶金級氧化鋁產(chǎn)品。利用酸堿聯(lián)合法生產(chǎn)氧化鋁，工藝中用酸溶除硅，堿溶除鐵，該方法制得的氧化鋁產(chǎn)品純度高，但是成本也高。

3 粉煤灰的綜合利用

中國自開展對粉煤灰綜合利用的研究，已在許多領(lǐng)域有所應(yīng)用。如用粉煤灰回填、筑堤、灌漿的低技術(shù)高容量的應(yīng)用，還有在建筑材料方面如水泥原料、混合材料等中等技術(shù)中等容量的應(yīng)用，再有就是高技術(shù)方面的應(yīng)用，如金屬與礦物的分選等。目前，就國內(nèi)外粉煤灰綜合利用的情況來看，粉煤灰在建材、建筑、道路和農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用技術(shù)比較成熟，高技術(shù)、更高附加值方面的應(yīng)用還有待進一步研究開發(fā)。加大對粉煤灰綜合利用的研究，尤其是針對粉煤灰富含資源的綜合利用開發(fā)研究，不僅有利于減少粉煤灰對環(huán)境的污染，還能解決中國鋁土礦資源短缺問題，從而創(chuàng)造良好的經(jīng)濟效益和社會效益。國家應(yīng)加大對粉煤灰綜合利用的支持力度，特別是一些創(chuàng)新類的、具有開拓新的應(yīng)用領(lǐng)域的項目，給予相應(yīng)的優(yōu)惠政策，從而使粉煤灰創(chuàng)造更高的綜合利用價值。

從高鋁粉煤灰中提取氧化鋁的綜合利用可以降低我國對鋁資源進口依存度，有效的減少粉煤灰對環(huán)境的污染，對我國的可持續(xù)發(fā)展具有一定的現(xiàn)實意義。研究表明從高鋁粉煤灰中提取氧化鋁的方法很多，國內(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到工業(yè)化進程。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)問題。由于現(xiàn)有的普通生產(chǎn)設(shè)備無法滿足酸性物質(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固廢的資源化利用，確保生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的鈣硅渣能循環(huán)利用，避免“二次污染”;③工藝改進的深入研究。因此，研究出具有產(chǎn)業(yè)化前景的生產(chǎn)工藝技術(shù)是煤電鋁產(chǎn)業(yè)鏈循環(huán)經(jīng)濟布局的核心和關(guān)鍵。探索新的工藝路線，利用更有效的經(jīng)濟手段在鋁和硅的分離方面下功夫，從而提高產(chǎn)品品質(zhì)。值得關(guān)注的是，相信隨著新技術(shù)的不斷研發(fā)，采用“一步酸溶法”從高鋁粉煤灰中提取氧化鋁中試裝置會逐步實現(xiàn)工業(yè)化進程，這樣將大規(guī)模的消納粉煤灰，同時實現(xiàn)減量化、能耗低、長周期生產(chǎn)目標，有更廣闊的應(yīng)用。

參考文獻：

[1]張曉云.利用高鋁粉煤灰制備冶金級氧化鋁的實驗研究[D].北京：中國地質(zhì)大學，2018.

[2]王國凱.循環(huán)經(jīng)濟與“一步酸溶法”提取氧化鋁產(chǎn)業(yè)[J].內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟，2019（11）：13.

[3]王永旺，松麗濤，陳東，張云峰.高鋁粉煤灰提取氧化鋁技術(shù)及其工業(yè)化進展[J].化工管理，2017（16）：18-20.