硫酸法提取粉煤灰中氧化铝工艺研究进展

朱科明，侯正烜，汪义杰

（华北理工大学冶金与能源学院，河北 唐山 063210）

1 背景现状

我国是一个铝土矿资源严重缺乏的国家，80%以上均为中低品位铝土矿，铝土资源日益消减，难以保持铝资源的供求平衡[1，2]，因此，亟待完善铝资源回收体系[3，4]，寻找铝土矿替代品。研究表明，粉煤灰中含有大量铝资源，部分高铝粉煤灰中Al2O3含量可达50%以上[5]，是潜在的铝土矿替代品[6]，故开展高铝粉煤灰生产Al2O3的研究就显得尤为重要。

一般来说，从粉煤灰中回收Al2O3的工艺主要分为碱法与酸法两大类，其中碱法是目前工业生产上较为常用的方法，但由于碱法回收Al2O3工艺能耗高，大量产生硅钙渣等废料，并且对粉煤灰品位要求较高等缺陷[7，8]，制约了碱法提铝的工业化应用；而酸法提铝的工艺凭借着能耗低、流程简单、对粉煤灰品位要求较低等优势[9，10]，在实验室范围内引起了广泛研究，并且正在逐步推进从粉煤灰中酸法回收Al2O3的工业化应用，对于缓解我国铝土资源短缺起到重要作用。

2 研究进展

硫酸浸取法是指用硫酸对经细磨活化的粉煤灰浸出，从而获得相应硫酸铝盐溶液，溶液通过渣液分离浓缩结晶得到硫酸铝，后煅烧得到Al2O3的工艺方法。

李来石等[11]对该工艺提取Al2O3进行了研究，通过细磨加焙烧对粉煤灰进行活化后，将焙烧熟料在85℃～90℃下溶出40min～90min，再将溶出液在110℃～120℃下蒸发浓缩出硫酸铝晶体；最后将硫酸铝晶体在810℃左右煅烧4～6h，得到冶金级Al2O3，此时Al2O3提取率最高达到了93.2%。陈朝轶等[12]采用硫酸直接浸出对Al2O3活性较好的循环流床粉煤灰进行了研究，得到了最佳工艺条件：在液固比为5:1、硫酸初始浓度为3.7mol·L-1、在180℃条件下浸出5h，Al2O3提取率最大达到了95.16%。

辛海霞等[13]开展了水热硫酸浸取法对疏松型粉煤灰提铝的研究，通过实验得出结论：在浸取温度为180℃下，使用过量系数为3、浓度为61%的硫酸浸取4h，此时铝的回收率最高，达到88%。蒋训雄等[14]在硫酸浸取的基础上进行了浓硫酸熟化-水浸取法提取Al2O3的研究，研究表明：在浓硫酸熟化过程中，以硫酸过量系数为1.2的条件下每分钟升温1℃，并在120℃和200℃下各保温1h，此时硫酸铝转化率最高，可达94%以上。

图1 工艺流程

Wu等[15]进行了在硫酸浸取中加压对提铝影响的研究，通过实验得到：铝的萃取随粉煤灰粒度的减小以及硫酸浓度、反应温度与反应时间的适当增加而增大，将粉煤灰粒度控制在74μm，在180℃条件下使用50%的浓硫酸浸取4h，其萃取率最高，Al2O3提取率达到82.4%。

高桂梅[16]通过Box-Behnken试验设计方法，对粉煤灰中硫酸直接浸取溶出Al2O3过程进行优化，并考察了各因素间的交互作用，研究表明：粉煤灰中Al2O3溶出率主要与反应温度、反应时间和硫酸浓度有关，溶出率随着这些因素的增加而增大，实验表明：在160℃条件下，控制酸灰比在0.95下浸出4h，Al2O3的溶出率达到最大约95%。

赵苏等[17]采用KF为助剂、浓硫酸为溶剂，研究表明：影响铝浸出率的主要因素有硫酸浓度、KF和粉煤灰质量比、浸取时间和固液比；得到结论，在200℃条件下，以12mol·L-1的浓硫酸，控制固液比为1:3、KF和粉煤灰质量比为1∶25的情况下酸浸2h，铝的浸出率达到最大，为91.2%。孙秀君[18]以NaF作为焙烧助剂，研究了煅烧与硫酸浸出对氧化铝回收效率的影响，结果表明，粉煤灰与NaF质量比为5∶1、煅烧温度850℃、焙烧时间为1h为最佳煅烧工艺的条件；硫酸浓度1.2mol/L、固液比1∶12、温度80℃、反应时间为2h为最佳酸浸的条件，最终铝的溶出率最大达到94.1%。

为了破坏粉煤灰中的硅铝网状结构、增大粉煤灰中铝的活性，提高Al2O3提取率。梁振凯等[19]采用CaCl2为焙烧助剂，结果显示，在粉煤灰与CaCl2物料配比为1:0.8、煅烧温度为900℃、焙烧时间为30min的最佳活化条件下，按照1g粉煤灰30mmol硫酸溶液的量加入1mol/L～4mol/L的硫酸溶液，常温下浸取30min，Al2O3的回收率达95%以上（最高可达100%）。叶标等[20]在硫酸浸取的基础上采用了CaCl2为焙烧助剂，分析了粉煤灰与CaCl2混合焙烧过程中各参数对Al2O3浸出率的影响，研究表明：在焙烧温度为900℃、CaCl2与粉煤灰质量比1：1的情况下焙烧30min，在此条件下Al2O3的浸出率最大达到93.48%。Lei等[21]对氯化钙焙烧法进行了机理研究，证明了熔融的CaCl2能够使Ca2+和SiO2结合生成不耐酸腐蚀的硅酸铝钙，提高了铝的活性，方便了Al2O3的溶出。

王百年等[22]以CaCl2+Ca(OH)2作为焙烧过程中的复合活化助剂，经过研究，最优的焙烧工艺条件为：粉煤灰、CaCl2与Ca(OH)2的质量比为2:1:0.2、温度在800℃下焙烧1.5h；最优的酸浸工艺条件为：H2SO4的质量分数为33%、液固比=3:1、温度为95℃的情况下酸浸3.5h，进行三次重复实验，Al2O3的平均浸出率为95.5%、残留酸占比平均值为4.9%。

3 结语

硫酸法提铝工艺凭借其对粉煤灰品位要求低、产生硅钙渣等副产物少等优点受到广泛关注，应用前景广阔。因此，我们将致力于寻找耐酸耐腐蚀材料、有害副产物循环利用新方法以及更加优良的助剂，寻找能耗更低、产量更大、效率更高的硫酸法提铝新工艺，实现硫酸法回收Al2O3的工业化生产。