朱福星
神华准能资源综合开发有限公司氧化铝中试厂
内蒙古 鄂尔多斯市 010300
摘要：粉煤灰是火电厂煤燃烧后产生的一种工业副产品，也是最为复杂和含量丰富的人工材料之一。对粉煤灰的不当处理会导致大量可回收资源的浪费。粉煤灰中含有丰富的铝，可用作铝土矿的潜在替代品。基于此，本文详细的探讨了粉煤灰提取氧化铝现状及工艺研究进展。
关键词：粉煤灰；氧化铝；提取技术
氧化铝是粉煤灰的主要成分之一，其在粉煤灰中的含量为15%～46%，最高可达50%以上。我国高品位铝土矿资源较贫乏，进口量占年消耗量的50%以上，因此，寻找铝土矿替代资源，开发适用于低品位铝土矿生产氧化铝和粉煤灰提取氧化铝工艺刻不容缓。
一、粉煤灰性质
粉煤灰是燃煤中黏土矿物燃烧后产生，其主要成分包括SiO2、Al2O3、TiO2、CaO、MgO、Fe2O3、Na2O等，物相组成为莫来石、石英和玻璃相。不同地区、不同种类的粉煤灰化学成分差异大，资源利用效果差异也较大。由于地域的不同，粉煤灰中的氧化铝含量也不同，一般在15%～50%。根据粉煤灰中氧化铝含量的不同，可分为高铝粉煤灰(氧化铝含量高于30%)及普通粉煤灰。
二、粉煤灰提取氧化铝的工艺技术
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。
①石灰石烧结自粉化法。其是从粉煤灰中提取氧化铝较成熟的工艺，工艺过程包括：烧结、熟料自粉化、溶出、脱硅、炭化、煅烧。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差，必须将其活化后才能更好的提取。先在粉煤灰中加入定量的石灰石，高温煅烧条件下将氧化铝活化，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。在溶出过程中，由于一部分的硅以硅酸钠形式存在，对铝的回收影响大。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碱石灰烧结法。碱石灰烧结法生产氧化铝的工艺过程包括：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，其矿物组成为铝酸钠、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，有效减少生产成本是碱法生产氧化铝技术需解决的难题。
2、酸法。
粉煤灰中的氧化铝可溶于酸，而氧化硅不溶于酸，利用该原理可实现硅铝的分离。但由于粉煤灰的产生方式不同，其物相成分差异大，其中碱法由于存在煅烧工艺，可将莫来石等矿物活化，因此碱法使用的粉煤灰基本为煤粉炉粉煤灰。酸法由于使用强酸的酸根离子或氢离子很难直接破坏粉煤灰中SiO2-Al2O3键和莫来石结构，故酸法采用的一般为以非晶态物相为主的循环流化床粉煤灰。目前，粉煤灰酸法提取氧化铝根据原料划分，分为硫酸法与盐酸法，这两种方法的基本原理相同，工艺均包含酸浸、固液分离、净化、结晶及煅烧。目前对于硫酸法工艺的研究较多，主要研究氧化铝在硫酸中的溶出条件，以及高铝溶出率对原料粉煤灰粒度、物相，以及溶出工艺的要求，虽然很多专家通过研究认为硫酸提取粉煤灰中的氧化铝可实现铝的高效溶出，但用酸量较大，且后期除杂处理困难，因此该方法目前一直处于实验室研究阶段，并未实现工业化。盐酸法与硫酸法极其相似，但由于盐酸的腐蚀性强，所以研究粉煤灰直接盐酸浸取提取氧化铝的较少。具有代表性的是“一步酸溶法”工艺技术，该技术直接用盐酸浸取粉煤灰，然后通过沉降分离，实现高硅酸渣与氧化铝溶液的分离，进一步采用吸附法除去溶液中的杂质离子，然后结晶、煅烧获得纯度较高的氧化铝，该工艺技术目前已完成了4000吨/年氧化铝的工业化研究，正在进行产业化建设。
3、酸碱联合法。其是指用酸与细磨后飞粉煤灰按一定比例混合在焙烧溶出、或在高温高压下浸出，反应后经固液分离、结晶制备出含杂质较多的相应晶体，经煅烧得到含杂质较多的Al2O3固体，粗Al2O3经拜耳法溶出、种分、Al(OH)3焙烧等过程制备出冶金级氧化铝。酸碱联合法的优点是:①其能耗、产品成本低；②无需加入助熔剂，对设备的耐腐蚀性要求相对较低，对环境污染小；③酸碱联合产生的固体废弃物可作为生产高附加值的原料，如作为分别炼铁和生产白炭黑、填料的原料。但由于酸碱联合法相继用到了酸和碱，彼此中和消耗，增加了各原料的相对用料量和生产废水的处理量，从而使氧化铝生产成本较高。
三、粉煤灰的综合利用
我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，另外，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，还能解决我国铝土矿资源短缺问题，从而创造良好的经济、社会效益。国家应加大对粉煤灰综合利用的支持力度，特别是一些创新类且具有开拓新的应用领域项目，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降低我国对铝资源进口依存度，有效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。需关注的是，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：
[1]于晓东.粉煤灰提取氧化铝现状及工艺研究进展[J].中国化工贸易，2020(06).
[2]蒲维.粉煤灰提取氧化铝现状及工艺研究进展[J].无机盐工业，2016(02).