粉煤灰提取氧化铝现状及工艺研究进展

于晓东

摘 要：粉煤灰作为一种工业废渣，会对环境和人类生存造成严重的危害。目前，利用高铝粉煤灰提取氧化铝是粉煤灰综合利用研究的一大热点。本文从高铝粉煤灰的排放及利用出发，通过研究高铝粉煤灰的特点，综述了从高铝粉煤灰中提取氧化铝的技术，并分析各个技术的优缺点，最后展望从高铝粉煤灰提取氧化铝技术。

关键词：粉煤灰;氧化铝;技术

粉煤灰是燃煤锅炉随烟气排出的固体废弃物，它是煤在高温燃烧时其中杂质熔融，是制备氧化铝和氢氧化铝的很好资源。高铝粉煤灰比普通的粉煤灰中Al2O3含量近高一倍，接近于传统铝土矿（一般在55%～65%）的含量，是一种十分重要的非传统铝资源。目前，粉煤灰主要利用于建筑生产水泥、砌砖、制作微晶玻璃、农业改良土壤、生产肥料、环保废水处理、烟气脱硫等方面。除了以上这些粉煤灰利用的传统领域之外，我国大力积极引导企业开展高铝粉煤灰的综合利用。科研工作者根据高铝粉煤灰的特点，提高对其资源化利用，开始着眼于粉煤灰内铝硅等主量元素和稼、锗、镍、钒等微量元素的提取，实现高铝粉煤灰的资源综合利用。

1 粉煤灰的危害

从煤燃烧后的烟气中搜捕下来的细灰称为粉煤灰，是燃煤发电厂排出的主要固体废弃物。粉煤灰是中国当前排放量较大的工业废渣之一，并且随着电力工业的发展，燃煤电厂的粉煤灰排放量逐年增加。大量粉煤灰不加处理，会产生扬尘，污染大气;若排入水系会造成河流淤塞，而其中的有毒化学物质还会对人体和生物造成危害;若建灰场堆存处理，会占用大量土地，一次性投资较高，且遇水容易使粉煤灰中的重金属元素渗透到土壤里，污染环境。

2 粉煤灰提取氧化鋁的工艺技术

目前，从粉煤灰中提取氧化铝的技术主要有：碱法、酸法、酸碱联合法。

2.1 碱法

碱法是目前粉煤灰提取氧化铝工艺使用最广泛的技术，具有代表性的是石灰石烧结自粉化法和碱石灰烧结法。

2.1.1 石灰石烧结自粉化法

石灰石烧结自粉化法是从粉煤灰中提取氧化铝较为成熟的工艺，工艺过程主要包括：烧结、熟料自粉化、溶出、脱硅、炭化、煅烧几个工序。由于粉煤灰中的主要矿物组成为莫来石和石英，莫来石中的氧化铝活性较差，必须将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温煅烧的条件下将氧化铝进行活化，煅烧后的产物为块状烧结物，将烧结后的自粉料加入一定浓度的碳酸钠溶液，使其中的铝以偏铝酸钠的形式溶出。在溶出的过程中，由于有一部分的硅以硅酸钠的形式存在，对铝的回收影响很大。所以要制得高纯铝和提高铝的回收率，对溶出液进行脱硅处理。脱硅工序主要是溶液中加入石灰乳使得硅酸钠转变成溶解度很小的铝硅酸钙。脱硅后加入有机溶剂和分散剂，剧烈搅拌后偏铝酸钠就会发生水解而结晶析出为氢氧化铝。氢氧化铝煅烧后得氧化铝。

2.1.2 碱石灰烧结法

碱石灰烧结法生产氧化铝的工艺过程主要包括：原料准备、熟料烧结、熟料溶出、脱硅、碳酸化分解、焙烧、分解母液蒸发。各组分中氧化物之间的配比通称为炉料的配方，配方的适宜比例直接决定烧结过程和熟料的物相组成。由于铝硅比与铁铝比是由原料本身决定，所有配方的优劣主要是控制好碱比与钙比这两项指标。熟料的烧制过程是工艺过程中关键工序，它决定着烧制产品的质量、能耗及产量。烧结产物通常叫熟料，它的矿物组成为铝酸钠、原硅酸钙、铁酸钠等矿物。熟料经破碎后用稀碱溶液溶出、沉降分离后达到有用成分与有害杂质的基本分离。粗液（铝酸钠溶液）中常添加拜耳法赤泥、石灰或碳铝酸钙来进行脱硅，脱硅后溶液通入CO2可以使粗液中的氧化铝以氢氧化铝的形式结晶出来。其中少量的脱硅后溶液进行晶种分解，目的是返回脱硅工序保证硅渣分离的稳定性。氢氧化铝煅烧后得氧化铝。烧结法产生的硅渣量是氧化铝产品的7～10倍，为了提高烧结效率，减少排放硅渣量。基于这些原因，使得碱法生产的工业化厂产业链效益下降，技术发展停滞。降低生产能耗指标，提高铝的提取率，加强钙硅渣的综合利用能力，有效的减少生产成本是碱法生产氧化铝技术需解决的难题。

2.2 酸法

酸法生产氧化铝主要是采用无机酸（硫酸、盐酸）来溶解粉煤灰中的硅铝酸盐，生成铝盐AlCl3，原料中的钙、镁、钾、钠、铁等杂质也生成相应的氯盐，硅以SiO2残渣形式存在，经除杂净化后分解制得氧化铝。以“一步酸溶法”为例来说明酸法生产氧化铝流程，主要工艺流程包括：配料、溶出、沉降分离、蒸发结晶、焙烧。该方法是将粉煤灰与盐酸按照一定的配比用搅拌进行混合，混合后的成品料浆经高温溶出后稀释，稀释液经沉降分离洗涤、净化除杂工序后得到氯化铝精制液和主要成分为二氧化硅的白泥。氯化铝精制液经蒸发结晶得到六水氯化铝晶体，焙烧后制得氧化铝。其中含有二氧化硅的白泥经过脱水后可生产白炭黑、橡型填料、分子筛等硅系列产品。工艺中所产生的盐酸气体可通过酸回收工序进行回收再利用，减少了酸气对环境的破坏。

2.3 酸碱联合法

酸碱联合法是以无水碳酸钠为助剂与粉煤灰按一定比例混合焙烧，目的用来分解粉煤灰中的莫来石和铝硅酸盐，从而增加粉煤灰的活性。然后用不同浓度的稀盐酸进行溶解，生成硅胶和氯化铝（或硫酸铝）溶液，待反应结束后进行过滤，从而使粉煤灰中的Si和Al分离。硅胶过滤制备白炭黑等硅产品，滤液除杂后加入氢氧化钠进行中和、沉淀生成氢氧化铝，最后锻烧得到产品氧化铝。利用酸碱联合法以电厂的粉煤灰为原料制得符合标准的冶金级氧化铝产品。利用酸碱联合法生产氧化铝，工艺中用酸溶除硅，碱溶除铁，该方法制得的氧化铝产品纯度高，但是成本也高。

3 粉煤灰的综合利用

中国自开展对粉煤灰综合利用的研究，已在许多领域有所应用。如用粉煤灰回填、筑堤、灌浆的低技术高容量的应用，还有在建筑材料方面如水泥原料、混合材料等中等技术中等容量的应用，再有就是高技术方面的应用，如金属与矿物的分选等。目前，就国内外粉煤灰综合利用的情况来看，粉煤灰在建材、建筑、道路和农业中的应用技术比较成熟，高技术、更高附加值方面的应用还有待进一步研究开发。加大对粉煤灰综合利用的研究，尤其是针对粉煤灰富含资源的综合利用开发研究，不仅有利于减少粉煤灰对环境的污染，还能解决中国铝土矿资源短缺问题，从而创造良好的经济效益和社会效益。国家应加大对粉煤灰综合利用的支持力度，特别是一些创新类的、具有开拓新的应用领域的项目，给予相应的优惠政策，从而使粉煤灰创造更高的综合利用价值。

从高铝粉煤灰中提取氧化铝的综合利用可以降低我国对铝资源进口依存度，有效的减少粉煤灰对环境的污染，对我国的可持续发展具有一定的现实意义。研究表明从高铝粉煤灰中提取氧化铝的方法很多，国内先后建成基于不同工艺的中试厂及工业示范装置，但由于各种原因还未能达到工业化进程。从高铝粉煤灰中提取氧化铝需突破的方向有：①解决酸法工艺中设备材质问题。由于现有的普通生产设备无法满足酸性物质的腐蚀要求，亟需研究适合酸法工艺条件且性价比高的设备;②解决碱法工艺的“加量化”生产模式。利用高铝粉煤灰提取氧化铝是对固废的资源化利用，确保生产过程中产生的钙硅渣能循环利用，避免“二次污染”;③工艺改进的深入研究。因此，研究出具有产业化前景的生产工艺技术是煤电铝产业链循环经济布局的核心和关键。探索新的工艺路线，利用更有效的经济手段在铝和硅的分离方面下功夫，从而提高产品品质。值得关注的是，相信随着新技术的不断研发，采用“一步酸溶法”从高铝粉煤灰中提取氧化铝中试装置会逐步实现工业化进程，这样将大规模的消纳粉煤灰，同时实现减量化、能耗低、长周期生产目标，有更广阔的应用。

参考文献：

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