低品位含鋁資源的新型燒結(jié)法技術(shù)研究

秦鴻波

（杭州錦江集團(tuán)，浙江 杭州 310000）

1 前言

鋁工業(yè)是我國(guó)的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，經(jīng)濟(jì)建設(shè)對(duì)鋁土礦的需求量很大，而我國(guó)又大多數(shù)是中低品位的鋁土礦。目前我國(guó)氧化鋁產(chǎn)量的99%以上均為拜耳法生產(chǎn)工藝，隨著氧化鋁產(chǎn)能的不斷擴(kuò)大，鋁土礦無(wú)論是品位還是儲(chǔ)量都在迅速下降，從理論上講，近年來(lái)隨著拜耳法工藝技術(shù)的改進(jìn)，拜耳法處理鋁土礦的A/S可以達(dá)到5左右，即使這樣儲(chǔ)量也在迅速枯竭，以山西孝義地區(qū)（我國(guó)儲(chǔ)量最大的礦區(qū)）為例，2020年政府公布的鋁土礦儲(chǔ)量（A/S達(dá)到5以上）為1.4億噸，而該地區(qū)氧化鋁產(chǎn)能約1800萬(wàn)噸，根據(jù)這個(gè)產(chǎn)能速度，5年以后鋁土礦資源枯竭。因此，盡快尋找可替代鋁土礦資源是當(dāng)務(wù)之急。

1.1 拜耳法赤泥資源

目前我國(guó)氧化鋁產(chǎn)量的99%以上均為拜耳法生產(chǎn)工藝，隨著鋁土礦供礦品位下降的趨勢(shì)日益加劇，拜耳法赤泥中遺棄的氧化鋁和氧化鈉也越來(lái)越高，造成了資源的極大浪費(fèi)。另一方面，由于國(guó)產(chǎn)鋁土礦的質(zhì)量越來(lái)越差，價(jià)格越來(lái)越高，拜耳法成本也在不斷升高，近年來(lái)有些企業(yè)不得不從國(guó)外大量進(jìn)口鋁土礦，資料表明，近年來(lái)我國(guó)鋁土礦鋁資源的對(duì)外依存度高達(dá)55%。

雖然多年來(lái)，我國(guó)一些科研單位和企業(yè)相應(yīng)開發(fā)出了串聯(lián)法和混聯(lián)法等技術(shù)以利用赤泥、提高氧化鋁及氧化鈉的回收率，但是這兩種方法均需采用傳統(tǒng)燒結(jié)法的濕法燒結(jié)，這造成生產(chǎn)系統(tǒng)復(fù)雜龐大、基建投資增加、能耗高、難于控制、產(chǎn)品質(zhì)量較差等一系列問(wèn)題，經(jīng)濟(jì)性不佳，因此也逐步處于減產(chǎn)或停產(chǎn)狀態(tài)。

如何有效利用拜耳法赤泥，解決我國(guó)鋁土礦資源的浪費(fèi)，也是解決鋁土礦資源的有效辦法。

1.2 低品位鋁土礦的利用

我國(guó)又大多數(shù)是中低品位的鋁土礦，隨著近年來(lái)拜耳法氧化鋁產(chǎn)能的不斷擴(kuò)大，適用于拜耳法的鋁土礦量大幅下降，而低品位的鋁土礦一部分被開采廠家摻入高品位鋁土礦用于配礦，造成拜耳法指標(biāo)下降，成本升高。大部分（A/S＜2.0）則被遺棄，造成大量鋁資源浪費(fèi)。

另外，隨著含硫鋁土礦的不斷發(fā)現(xiàn)，這一儲(chǔ)量也在不斷增加，如何有效利用目前研究的企業(yè)及科研機(jī)構(gòu)也很多，但都存在成本過(guò)高問(wèn)題。

如何有效利用低A/S比鋁礦石及高硫鋁礦石，也是解決鋁土礦資源的有效辦法。

1.3 高鋁粉煤灰資源

由于特殊的成礦背景，在我國(guó)內(nèi)蒙古中西部的部分煤炭資源中，賦存大量勃姆石和高嶺石等含鋁礦物。此煤炭資源主要分布于準(zhǔn)格爾煤田、卓子山煤田及大青山煤田，其中氧化鋁含量達(dá)到9%～13%。發(fā)電后產(chǎn)生的粉煤灰中氧化鋁含量可達(dá)40%～50%，是一種非傳統(tǒng)的鋁土礦資源。

目前，每年僅內(nèi)蒙古鄂爾多斯地區(qū)高鋁煤炭產(chǎn)量就達(dá)到1.2億噸，其中部分煤炭用于發(fā)電后產(chǎn)生近3000萬(wàn)噸高鋁粉煤灰，其中內(nèi)蒙古中西部地區(qū)約1400萬(wàn)噸，集中堆存在呼和浩特、鄂爾多斯，是具有較高經(jīng)濟(jì)開發(fā)價(jià)值的含鋁資源。

如何有效利用高鋁粉煤灰，解決我國(guó)鋁土礦資源的不足及工業(yè)固廢利用，也是緩解鋁土礦資源緊張的有效途徑之一。

2 工藝介紹

新型工藝的研究就是以低品位含鋁資源為對(duì)象，從工藝技術(shù)的消耗、成本、設(shè)備、規(guī)?；⑦\(yùn)行穩(wěn)定性及硅產(chǎn)品的開發(fā)應(yīng)用前景出發(fā)，在學(xué)習(xí)借鑒鋼鐵、水泥、燒堿、農(nóng)肥、建材等工藝技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)大量的試驗(yàn)、驗(yàn)證、研究和借鑒相關(guān)企業(yè)的成熟技術(shù)，對(duì)傳統(tǒng)燒結(jié)法工藝進(jìn)行了改進(jìn)。

新工藝的研發(fā)思路是在傳統(tǒng)堿石灰燒結(jié)法生產(chǎn)氧化鋁的工藝技術(shù)基礎(chǔ)上，結(jié)合低品位鋁資源的特性，對(duì)簡(jiǎn)化工藝路線、調(diào)整工藝配方、燒結(jié)方法、堿液處理、硅基材料利用等方面的工藝技術(shù)、設(shè)備選型均進(jìn)行了改進(jìn)、完善。

2.1 工藝改進(jìn)

圖1 傳統(tǒng)燒結(jié)法工藝流程圖

2.2 新型燒結(jié)工藝特點(diǎn)

與傳統(tǒng)燒結(jié)法工藝相比，實(shí)現(xiàn)干法燒結(jié)、全種分分解及種分母液高濃度蒸發(fā)，減少了石灰制備、二氧化碳?xì)怏w壓縮、生料漿制備及調(diào)配、二次脫硅、碳分分解、碳分蒸發(fā)等高耗能工序。

通過(guò)對(duì)原有傳統(tǒng)工藝流程的簡(jiǎn)化、優(yōu)化，可以減少項(xiàng)目投資額，降低運(yùn)行費(fèi)用，保證產(chǎn)品質(zhì)量，提高經(jīng)濟(jì)效益。

五個(gè)核心技術(shù)：

（1）赤泥窯外烘干及干法配料技術(shù)：利用窯尾煙氣余熱，采用機(jī)械式烘干機(jī)對(duì)生料進(jìn)行烘干，同時(shí)在配料皮帶上采用水泥行業(yè)的成熟在線分析技術(shù)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)整配料。針對(duì)拜耳法赤泥，進(jìn)行壓濾后運(yùn)用這種烘干機(jī)效果突出。同時(shí)利用余熱烘干，降低了能耗。

圖2 新型燒結(jié)法工藝流程圖

（2）干法燒成技術(shù)：窯外烘干技術(shù)為干法燒成提供了基礎(chǔ)，采用帶預(yù)熱器的水泥燒成窯技術(shù)，能耗大幅降低。

（3）熟料燒結(jié)兩個(gè)配方技術(shù)：為了溶出渣產(chǎn)品的應(yīng)用，采用同一套燒結(jié)系統(tǒng)可以進(jìn)行兩個(gè)配方的熟料燒結(jié)。

生料配方

一鈣配方：堿比=1.0；鈣比=1.0

熟料主要成分為：Na2O·Al2O3、CaO·Na2O·SiO2

渣的主要成分：CaO·SiO2

二鈣配方（傳統(tǒng)燒結(jié)法配方）：堿比=1.0；鈣比=2.0

熟料主要成分為：Na2O·Al2O3、2CaO·SiO2

渣的主要成分：2CaO·SiO2

以處理拜耳法赤泥為例，從表1中可以看出：兩種配方的產(chǎn)渣量與產(chǎn)液堿量相互制約，一鈣配方渣減量化大，但產(chǎn)液堿量大，與拜耳法工廠匹配時(shí)，處理赤泥量小；二鈣配方渣減量化小，與拜耳法工廠匹配時(shí)，處理赤泥量大?？筛鶕?jù)渣的用途選擇不同的配方，或者定期進(jìn)行切換作業(yè)。

表1 處理拜耳法赤泥的消耗、產(chǎn)出主要指標(biāo)比較

（4）高濃度種分母液蒸發(fā)及鋁酸鈉結(jié)晶技術(shù)：采用兩段蒸發(fā)，中間排鹽技術(shù)，實(shí)現(xiàn)兩段蒸發(fā)都采用降膜蒸發(fā)器，汽水比大幅降低（與采用強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)比較），將種分母液濃度蒸發(fā)到Nk 550g/l以上，再進(jìn)行鋁酸鈉結(jié)晶，結(jié)晶母液可作為液堿進(jìn)行配料，也可進(jìn)入拜耳法系統(tǒng)或?qū)ν怃N售。

（5）采用全種分工藝技術(shù)：簡(jiǎn)化傳統(tǒng)燒結(jié)法工藝流程1/3（去掉了石灰爐系統(tǒng)、碳分分解及碳分母液蒸發(fā)系統(tǒng)），由于采用了高濃度蒸發(fā)及鋁酸鈉結(jié)晶技術(shù)，綜合種分分解率可達(dá)90%以上。

2.3 新型工藝具有以下優(yōu)勢(shì)

（1）工藝流程大幅簡(jiǎn)化。去掉三個(gè)主要工序（石灰爐及CO2凈化及加壓系統(tǒng)、深度脫硅系統(tǒng)、碳分分解及碳分母液蒸發(fā)系統(tǒng)），生產(chǎn)組織更加簡(jiǎn)單，影響生產(chǎn)概率大幅降低。

（2）燒結(jié)法核心工序燒成操作更加穩(wěn)定，熟料質(zhì)量能夠大幅提高。干法燒成技術(shù)成熟，生產(chǎn)故障少、運(yùn)轉(zhuǎn)率高，熟料的溶出指標(biāo)好于濕法回轉(zhuǎn)窯的熟料。同時(shí)實(shí)現(xiàn)了在線分析、監(jiān)測(cè)、調(diào)整的自動(dòng)化配料技術(shù)，提高氧化鋁裝備水平，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)化流程、減少人員、降低投資額的目的，干法燒結(jié)較濕法燒結(jié)能耗降低30%以上。

（3）采用兩種燒結(jié)配方，產(chǎn)出性能不同的渣相，能實(shí)現(xiàn)赤泥完全綜合利用，可產(chǎn)出五種產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)七個(gè)用途。

（4）能夠?qū)⒉糠至畠r(jià)的工業(yè)純堿轉(zhuǎn)化為附加值高的燒堿。

（5）生產(chǎn)運(yùn)行方面：系統(tǒng)結(jié)疤速度延緩，運(yùn)行周期延長(zhǎng)；清理、檢修工作量大幅減少。

（6）投資額減少，崗位員工減少。

2.4 設(shè)備特點(diǎn)

（1）借鑒鋼鐵行業(yè)技術(shù)，采用了半干法混料的大型立式混料機(jī)，混料均勻度可高達(dá)90%以上，產(chǎn)能可達(dá)400噸/小時(shí)。

（2）根據(jù)赤泥混料后的含水物料，研發(fā)出了一套機(jī)械烘干設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了窯外烘干技術(shù)。

（3）借鑒水泥行業(yè)技術(shù)，改進(jìn)完善了帶預(yù)熱器的干法燒結(jié)回轉(zhuǎn)窯，產(chǎn)能大幅提高，比濕法窯產(chǎn)能提高2倍以上。

（4）借鑒水泥行業(yè)技術(shù)，采用干法自動(dòng)配料系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)熟料指標(biāo)合格率高達(dá)90%以上。（目前濕法配料合格率只有60%）

（5）從液堿行業(yè)引進(jìn)了高濃度堿液蒸發(fā)設(shè)備，可使Na2Ok濃度蒸到500g/l以上（目前拜耳法蒸發(fā)Na2Ok最高只能達(dá)到280g/l左右），直至片堿。

3 渣的綜合利用研究

3.1 水泥應(yīng)用方向的研究 （二鈣渣）

3.1.1 溶出渣脫堿研究

二鈣配方溶出渣主要成分為硅酸二鈣，與水泥成分相近，但Na2O含量較高，需進(jìn)行脫堿處理，經(jīng)研究及小型（5kg級(jí)）試驗(yàn)，采用石灰乳脫堿能夠?qū)崿F(xiàn)Na2O小于1%的標(biāo)準(zhǔn)，符合水泥應(yīng)用要求。

脫堿條件為：CaO加入量：5%，溫度：95℃～100℃，時(shí)間：1小時(shí)

表2 赤泥脫堿渣與高鐵水泥成分

物相比較：

水泥熟料的物相：C3S、C2S、C4AF、C3A

脫堿赤泥物相：C2S、FeOH（針鐵礦）、水化石榴石

從高鐵水泥生料的化學(xué)成分看，脫堿渣與之基本相近，成分需要進(jìn)行微調(diào)，從熟料的物相看主要成分都是C2S，其他成分FeOH（針鐵礦）、水化石榴石需要進(jìn)行物相轉(zhuǎn)換。

3.1.2 直接做水泥混合材

（1）根據(jù)試驗(yàn)在水泥中直接加入10%作為混合材，3天和28天強(qiáng)度不受影響。

（2）低溫煅燒活化后（脫結(jié)晶水450℃）做水泥混合材及混凝土添加料，添加量會(huì)進(jìn)一步提高。

3.1.3 用作水泥生產(chǎn)原料

從高鐵水泥生料的化學(xué)成分看，與脫堿渣的相似度極高，從物相構(gòu)成看在燒成過(guò)程中需要將FeOH（針鐵礦）、水化石榴石轉(zhuǎn)化為C4AF、C3A、C3S。

用脫堿渣作為水泥生產(chǎn)原料，具有以下優(yōu)勢(shì)：

（1）反應(yīng)熱耗低，水泥生產(chǎn)主要吸熱反應(yīng)是碳酸鈣分解，其他的基本是放熱反應(yīng)，而脫堿渣已經(jīng)是CaO，僅有的吸熱反應(yīng)是脫出12%左右的結(jié)晶水和少量調(diào)整成分的碳酸鈣分解，因此熟料燒結(jié)反應(yīng)熱耗不到水泥的一半。

（2）燒結(jié)溫度低，由于生料含鐵較高，液相較易生成，燒結(jié)溫度僅為1280℃～1350℃，比常規(guī)水泥燒結(jié)低100℃。

（3）原料消耗少，脫堿渣與水泥生料成分非常接近，只需添加少量原料進(jìn)行配方調(diào)整即可。

（4）采用窯外烘干技術(shù)，燒成窯系統(tǒng)指標(biāo)及產(chǎn)量不受影響。

由于以上優(yōu)勢(shì)，采用脫堿渣生產(chǎn)水泥熟料，成本可大幅降低，具有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

3.2 土壤調(diào)理應(yīng)用方向的研究 （一鈣渣）

3.2.1 硅肥應(yīng)用方面

我國(guó)60%左右耕地缺硅，我國(guó)長(zhǎng)江流域70%的土壤缺硅，黃淮海及遼寧約有一半的土壤缺硅，而且土壤缺硅的區(qū)城正在逐步擴(kuò)大，因此，施用硅肥成為我國(guó)土壤補(bǔ)硅的有效措施。硅肥若在全國(guó)推廣，按照每畝施用硅肥50kg計(jì)算，我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)每年需要硅肥3000～4000萬(wàn)噸，而目前我國(guó)硅肥的年生產(chǎn)能力遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到這一產(chǎn)能，2008年底的統(tǒng)計(jì)年生產(chǎn)能力僅有300萬(wàn)噸左右，因此，硅肥市場(chǎng)潛力巨大。以水稻為例，我國(guó)常年種植水稻的面積達(dá)3333多萬(wàn)公頃，缺硅土壤占50%以上。如果全部施用硅肥，按增產(chǎn)10%計(jì)，僅此一項(xiàng)每年應(yīng)可增產(chǎn)100萬(wàn)噸稻谷，推廣硅肥的生產(chǎn)與應(yīng)用具有非常明顯的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。

一鈣配方產(chǎn)出的硅酸鈣渣在硅肥應(yīng)用上特點(diǎn)突出，具有幾個(gè)明顯優(yōu)勢(shì)：1、有效硅含量28%以上（河南硅肥所分析，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)≥20%）；2、含水率50%～70%；3、PH值9-10；4、各種有害重金屬含量不超標(biāo)。

表3 硅酸鈣渣的化學(xué)成分

表4 有害金屬分析

3.2.2 土壤調(diào)理方面

（1）土壤酸堿調(diào)節(jié)性。

由于硅鈣渣中含有少量的堿，PH值9-10，硅鈣渣可作為土壤酸堿調(diào)節(jié)劑。探索性試驗(yàn)表明，經(jīng)添加10%左右硅鈣渣改良的土壤，PH在8-8.5，可有效中和我國(guó)普遍存在的酸性土壤，改良土壤特性，達(dá)到農(nóng)作物增產(chǎn)、增值目的。

（2）降低土壤容重，增強(qiáng)透氣性。

一般土壤容重約為1.3g/cm3，硅鈣渣的容重只有約0.35g/cm3，因此，在土壤中摻入硅鈣渣后，可大幅降低土壤容重，又由于硅鈣渣孔隙率高達(dá)90%，摻入土壤中能顯著改善土壤的透氣性。

（3）吸水性。

為考察硅鈣渣的吸水性能，前期初步考察了普通土壤和硅鈣渣的吸水性能。結(jié)果表明，普通土壤的飽和含水率為27%，硅鈣渣的飽和含水率為50%～70%，硅鈣渣的儲(chǔ)水能力是土壤的兩倍以上。在土壤中摻入少量硅鈣渣，可大大提高土壤的持水能力，內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)采用硅鈣渣進(jìn)行了土壤含水試驗(yàn)，含有硅鈣渣及含硅鈣渣的土壤失水速率遠(yuǎn)低于普通土壤。

3.3 建材方面的研究

硅鈣渣用于建材方向主要利用其兩大優(yōu)勢(shì)，一是物料輕質(zhì)，容重≤350kg/m3，制作輕質(zhì)建材優(yōu)勢(shì)大；二是硅酸鈣孔隙率很高，隔音、隔熱性能好。

表5 用于建材硅酸鈣渣成分

作為硅酸鈣板生產(chǎn)原料，傳統(tǒng)硅酸鈣板材一般是用石灰、石英砂、水泥、水及少量助劑等按一定比例經(jīng)混和、攪拌、擠壓成型、高溫水熱合成、烘干、加工整修而成的一種以托貝莫來(lái)石型水化硅酸鈣為主要組成的新型無(wú)機(jī)板材，而硅鈣渣就是這種形態(tài)，而且具有輕質(zhì)特點(diǎn)，性能更加優(yōu)良。

利用其輕質(zhì)特點(diǎn)，制作輕質(zhì)硅酸鈣板材。利用其孔隙率高特點(diǎn)，制作隔熱、隔音板材及墻體填充材料；制作各種輕質(zhì)砌塊；制作活動(dòng)板房的填充材料等。

4 結(jié)語(yǔ)

低鋁資源的合理有效利用，是解決我國(guó)鋁土礦資源緊張和依賴進(jìn)口的有效途徑，也是綜合利用工業(yè)固廢的有力探索，實(shí)現(xiàn)工業(yè)固廢的資源化、減量化、無(wú)害化的目標(biāo)。

新型燒結(jié)法工藝是在傳統(tǒng)燒結(jié)法的基礎(chǔ)上的改進(jìn)，簡(jiǎn)化了流程、降低了能耗、減少了投資、克服了傳統(tǒng)燒結(jié)法的缺陷。

低鋁資源的難度在于渣的利用方面，本文提出的利用方向也是在多年的研究上提出的，在工業(yè)化的應(yīng)用上還有大量的研究工作，同時(shí)還需要國(guó)家層面的政策引導(dǎo)和鼓勵(lì)以及各級(jí)政府有關(guān)部門的大力支持。