我国高铝粉煤灰提铝的研究及工业化现状
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[摘 要]高铝粉煤灰作为一种区别于铝土矿的非传统氧化铝资源，其利用方式一直备受关注。高铝粉煤灰提取氧化铝既可以解决粉煤灰的堆存及环境污染问题，又可以缓解我国铝土矿资源不足的现状。本文介绍了高铝粉煤灰在我国的利用前景，介绍了几种高铝粉煤灰提铝技术，并对其优缺点进行比对。最终介绍了目前我国高铝粉煤灰提铝的工业化现状，探讨了今后探索的方向和扩大产能需要解决的问题。
[关键词]高铝粉煤灰 氧化铝 工业化
中图分类号：TD926 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）45-0131-01
1 概述
铝的用量是我国仅次于钢铁的第二大金属，年消费量约占钢铁消费量的3%，广泛应用于建筑、交通运输、航空、电力等领域。截止2010年底，我国铝产量及消费量已连续8年居世界第一，但是，我国铝土矿资源严重不足，我国现已查明的铝土矿资源储量不足30亿吨，按目前的开采规模测算，资源保障年限不足20年，远不能满足铝产业快速发展的需要。近年我国每年 的铝土矿进口量都占全国总需求量的50%以上（2009年进口铝土矿2579万吨，加上进口氧化铝458万吨，我国氧化铝对外依存度已达55%），2011年全年进口铝土矿44840kt，同比增长49.14%；如不解决铝土矿资源短缺问题，我国铝行业将面临巨大挑战。
粉煤灰是火力发电厂燃煤锅炉排放的废渣，一般每消耗4t 电煤就会产生1t 左右的粉煤灰。近年来，由于我国电力工业迅速发展，且燃煤发电比重较大（2010年燃煤发电量占全国总发电量的80. 8%），导致粉煤灰排放量也逐年增加。2010年我国煤炭消费量超过32亿t [1]，其中电力行业耗煤约占一半，由此产生的粉煤灰约4 亿t，预计到2015年粉煤灰年排放量将达到5.5亿t[2]。由于粉煤灰排放量过大且有效利用不足，我国高铝煤炭燃烧后形成的高铝粉煤灰主要以堆存为主，少量用来制砖、铺路或做水泥原料，高铝粉煤灰中的铝资源未得到有效利用，开发高铝粉煤灰资源提取氧化铝，并进一步深加工，可以提高产品附加值，如用准格尔地区高铝粉煤灰生产1000万吨氧化铝则相当于2010年我国氧化铝消费量的40%，其经济效益达到250亿元左右，且利用高铝粉煤灰生产氧化铝可减少约2500万吨铝土矿的进口，可节约外汇折合人民币100亿元；如将氧化铝进一步深加工生产铝锭或铝合金，其上下游产业产生的经济价值将高达1000亿元，远远超过煤炭自身的价值。
2 粉煤灰提取氧化铝工艺简介
由于氧化铝在粉煤灰中大多以硅酸盐的形式存在，所以回收铝多以化学法为主。现存的提炼方法主要有酸法和碱法两大类。
2.1 酸法
酸法提铝主要原理是理由盐酸或硫酸来溶解硅铝酸盐，为了提高氧化铝的活性，通常会加入部分氟化物作为助溶剂，加速硅铝酸盐的溶解。其主要反应如下：
6HCl+6NH4F+ SiO2（-Al2O3）=H2SiF6+6NH4Cl+2H2O
6HCl+Al2O3=2AlCl3+3H2O
或
3H2SO4+6NH4F+SiO2（-Al2O3）=H2SiF6+3（NH4）2SO4+2H2O
3H2SO4+Al2O3=Al2（SO4）3+3H2O
盐酸法工艺生产过程中由于盐酸沸点低、浓度低的特殊性，加热反应过程中会释放出大量的氯化氢气体，生产环境恶劣，对环境造成了很大的压力；同时由于盐酸的强腐蚀性，对设备的腐蚀大，需要采用耐酸的材料加工制造，导致设备投资过高，设备大型化支援因素难以突破。
硫铵法以硫酸铵作为循环介质提取粉煤灰中的氧化铝，采用了“先铝后硅”的生产工艺，虽然克服了对设备的腐蚀，但整个工艺流程中加热的环节比较多，蒸发水量大，能耗也高，生产过程中需要易挥发性物质氨水，容易污染环境，反应条件控制严格等缺点，同样存在设备难以大型化的问题。
2.2 碱法
碱法提铝的主要原理是利用石灰石或碱石灰与粉煤灰一起烧结，生成铝酸钠和硅钙渣，再经过溶出，分离，过滤，分解，焙烧等工序提炼出成品氧化铝。其主要反应如下：
氧化铝熟料煅烧：
7Al2O3+12CaCO3=12CaO.7Al2O3+12CO2
Al203+CaCO3= CaO.Al2O3+CO2
SiO2+CaCO3=2Cao.SiO2+2CO2
氧化铝熟料溶出：
12CaO.7Al2O3+12Na2CO3+33H2O=14NaAl（OH）4+10NaOH+12CaCO3
CaO.Al2O3+Na2CO3+8H2O=2NaAl（OH） 4+2NaOH+CaCO3
粗氢铝的拜耳法溶出：
NaAl（OH） 4+H2O=Al（OH） 3+NaOH
焙烧
2Al（OH）3=Al2O3+3H2O
脱硅碱石灰烧结法提取氧化铝可以提高粉煤灰的铝硅比，降低提铝过程中加入的石灰石量，减少烧结过程中的物料流量，但产生的硅钙渣含有Na2O.AL2O3.2SiO2三元化合物，副产品硅钙渣碱含量超出了作为生产水泥原料的要求，其外排的硅钙渣综合利用比较困难。
将粉煤灰和石灰石按照适当比例混合，通过高温烧结打破原来粉煤灰中稳定的莫来石结构，使粉煤灰中的铝硅物相发生转化，其中铝转化为易被Na2CO3溶液浸出的12CaO・7Al2O3，硅被固结为在碳酸钠溶液中较稳定的2CaO・SiO2，从而实现铝、硅分离。2CaO・SiO2在由介稳态的β-2CaO・SiO2向稳态的γ-2CaO・SiO2转化过程中产生体积膨胀，使块状的2CaO・SiO2转变为粉状[3]，即生产出的氧化铝熟料发生自粉化，用碱溶出其中的氧化铝，然后用拜耳法生产一级冶金砂状氧化铝，该工艺的优点在于生产过程中将粉煤灰中的氧化铝，金属镓等有价元素实现梯级提取，提取完氧化铝的硅钙渣不含碱，能够全部作为水泥的原料。在生产过程中没有废水、废渣等废弃物排放，设备可以大型化，并可以实现规模化生产。其劣势是石灰石用量大，造成物料流量大。但产生的硅钙渣可作为生产水泥的原料，以提高资源的综合利用率
3 粉煤灰提取氧化铝的工业化现状
目前在我国，酸法目前还未见有工业化应用的报道。碱法的两种工艺国内均已有工业化的报道，大唐国际再生资源开发有限公司和内蒙古蒙西高新技术集团有限公司年均有产量数十万吨级的生产线投入使用。
4 结语
粉煤灰提取氧化铝的工业化，酸法由于设备投资过高很难实现大型化，工业化，而碱法则可以实现一定规模的工业化，但是一定要形成产业链，建设下游产业来消化碱法产生的大量硅钙渣，既可以减少乃至消除二次污染，又可以节约成本增大利润。在我国铝土矿资源日趋贫乏的现状和国务院要求加快建设资源节约型、环境友好型社会的大背景下，粉煤灰提取氧化铝的工业化无疑是一种极佳的探索途径。
参考文献
[1]谢克昌.认识煤化工大力推进煤的清洁高效利用[N].中国化工报， 2010-11-24.
[2]刘文宇.粉煤灰综合利用现状及前景[J].科技情报开发与经济， 2010（ 19）：167-170.
[3]杨权成，马淑花，谢华，张然，郑诗礼.高铝粉煤灰提取氧化铝的研究进展[J].矿产综合利用，2012（6）：2-6.