煤炭能源
56 2017年2月04
煤炭能源
论从粉煤灰中提取氧化铝的研究现状
钟利丹
内蒙古自治区石油化工监督检验研究院，内蒙古 呼和浩特 010010
摘要：本文从粉煤灰综合利用情况和铝土矿资源短缺两方面分析了粉煤灰提取氧化铝的必要性，并对近几年国内外提取粉煤灰中氧化铝的工艺进行了剖析，总结了各种方法的不足，展望了粉煤灰中提取氧化铝工艺发展趋势，以期促进粉煤灰中氧化铝的提取和提取工艺发展方向的转变。 关键词：粉煤灰；氧化铝；提取工艺 中图分类号：TF821 文献标识码：A 文章编号：1671-5799(2017)02-0056-01
1 引言
随着我国燃煤发电量的不断增长，作为燃煤电厂主要废弃物的粉煤灰的排放量也急剧增加。从2001年至今，我国粉煤灰排放量逐年增加，到2015年，我国粉煤灰的排放量已高达5.8亿吨，如此大量的固体废弃物若不加利用，不仅占用了大量耕地，还会污染环境，制约当地国民经济的可持续发展。
粉煤灰中含有大量的氧化铝，约占50%左右，因此粉煤灰是提炼氧化铝的很好来源，不但能减少粉煤灰堆存导致的各种问题，还可提高煤炭的综合利用效益，可为我国的铝行业发展贡献一份力量。
2粉煤灰的性能、利用现状及氧化铝的发展现状
2.1粉煤灰性能及利用现状
粉煤灰的外观似水泥，颜色范围从乳白色到灰黑色，呈
多孔性蜂窝状，具有较高的吸附活性[1]
。其主要化学成分是氧化铝、二氧化硅和氧化铁，还包括钙、镁、钾等的氧化物及镓、铬等稀散金属；矿物组成主要为莫来石和石英，玻璃相的石英在粉煤灰中占有很大比例，从而增大了提取铝的难度。
目前我国对粉煤灰的综合利用水平不高，约67%，主要用于生产水泥、制砖、混凝土、轻质建材等，利用层次比较低，这已成为电力行业在固废治理方面面临的一个新的环保问题。因此，从粉煤灰中提取氧化铝是粉煤灰高附加值化、精细化综合利用的主要方向，也是近年来学术及产业界研究、关注的热点。
2.2 氧化铝市场发展现状分析
在当前氧化铝行业市场低迷，国内铝土矿资源不断贫化、品味不断下降、对进口铝土矿依赖性强的情况下，氧化铝企业正面临资源、能源、成本和环境等诸多方面的挑战。积极拓展铝土矿来源，尽量减少进口铝土矿，采用国内低品位的铝土矿，用本国铝土矿来发展氧化铝是走出行业困境的关键要素，而这依赖于氧化铝技术的进一步突破、整体技术装备
水平的提高[2]
。这样的突破和提高需要科研院所、企业中多领域的专家学者、技术工作者的协同努力，需要我们加强与其他国家在资源、能源、技术、环境等方面广泛开展合作，以此来不断提高氧化铝行业的可持续发展能力。
3从粉煤灰中提取氧化铝工艺
3.1酸浸法
酸浸法是以硫酸或盐酸为浸取剂，使其中的氧化铝转化为可溶性铝盐而被溶出，二氧化硅留存于固相中，分离溶液制得铝盐溶液，进而制得铝盐产品及氢氧化铝、氧化铝等。
电厂粉煤灰中的氧化铝主要以莫来石、硅铝玻璃体的形式存在，因此直接使用酸浸法产率相对来说较低。鉴于酸浸法提取效率较低，多种加强酸浸效率的方法已有报道。例如，将粉煤灰磨细，增大比表面积，破坏粉煤灰表面结构，氧化铝的浸出率可大大提高；加入焙烧助剂对粉煤灰进行改性，可有效提高氧化铝浸出率。
3.2烧结法
3.2.1石灰石烧结法
将粉煤灰与石灰石混合高温烧结，使粉煤灰中的莫来石变为易溶于碳酸钠溶液的七铝酸十二钙和不溶的硅酸二钙，其中铝酸钙以偏铝酸钠溶出，从而实现硅铝分离。
石灰石烧结法的缺点是煅烧温度过高，因此斐新意等[3]
提出石灰低温-蒸压烧结法，将粉煤灰、石灰石和水混合，低温蒸压反应生成水合钙铝石榴石，随后煅烧得硅酸二钙和七铝酸十二钙，再经碳酸钠溶出和碳化得到氧化铝，氧化铝提取率可达90%以上。
3.2.2硫酸铵焙烧法
将磨细的粉煤灰与硫酸铵按比例混合焙烧，粉煤灰中的氧化铝可与硫酸铵反应生成硫酸铝铵，硫酸铝铵经进一步处理可得冶金级氧化铝。反应机理如下式所示：Wu 等研究了温度对氧化铝提取率的影响。试验结果表明：烧结温度和时间对硫酸铝铵的形成影响较大，而升温速率则影响较小，并得到最佳焙烧条件为：升温速率6℃/min ，烧结温度400℃，烧结时间3 h ，可以得到85%以上的氧化铝提取率。
3.2.3碱石灰烧结法
碱石灰烧结法是将粉煤灰、碳酸钠和石灰在高温下反应生成可溶性铝酸钠和不可溶性硅酸二钙，烧结熟料再经破碎、碱溶分离、脱硅等工艺得到氧化铝产品。Bai 等对粉煤灰预脱硅处理，通过碱溶和碳化工艺，无定形二氧化硅去除率可达62%，而石英和莫来石成分则留在脱硅渣中，从而达到氧化铝的富集，将粉煤灰与碱石灰混合造粒为椭圆柱形进行烧结有更好的提取效率，氧化铝提取率可达90%。
3.2.4预脱硅碱石灰焙烧法
将粉煤灰与氢氧化钠溶液混合，在一定温度下使部分二氧化硅与碱反应生成硅酸钠，经过滤得硅酸钠溶液和脱硅灰滤饼。脱硅灰与系统产生的苛化渣（含碳酸钙）、含有碳酸钠的溶液等混配、磨细后在高温下焙烧，生成可溶性铝酸钠和不可溶性硅酸钙。可溶性铝酸钠经溶出、脱硅、碳分，烧结工艺制得冶金级氧化铝。祁光霞等将粉煤灰和氢氧化钠溶液按一定比例预脱硅后，粉煤灰脱硅效率可达30.0%。脱硅粉煤灰按一定比例与碳酸钠混合焙烧，氧化铝提取率可达93.1%。
3.3其他方法
Shemi 等采用气相萃取方法，利用气相乙酰丙酮与粉煤灰中氧化铝反应生成乙酰丙酮铝和水，乙酰丙酮铝可经进一步处理得到冶金级氧化铝。结果表明：在250℃、流量为6 ml/min 的气相乙酰丙酮中萃取可得到17.9%的铝提取率，其中未反应的乙酰丙酮可循环使用。气相法提取粉煤灰中氧化铝是一种比较新颖的方法，研究潜力巨大。总之，目前以湿法冶金工艺对粉煤灰综合利用的方法大体有上述几种。研究的热点主要集中在氧化铝的制备方面，对粉煤灰中硅资源的综合利用及硅化合物的制备研究相对较少，对铁的综合利用几乎没有涉及，产品方向主要为冶金级氧化铝、硫酸铝、硫酸铝铵和聚合氯化铝等常规、普通铝化学品。
4结论与展望
虽然目前国内外对粉煤灰精细化利用的工艺有很多，但是各种工艺在实现工业化应用方面都存在一定的问题，如酸法对设备的耐腐蚀性要求高，煅烧法需高温煅烧，能耗高等，因此应更重视研究和发展新技术。同时实现多种工艺之间的组合利用，设计出一套提取粉煤灰中硅铝及其他微量元素的工艺流程，提高粉煤灰的利用效率，也是今后研究的重点。
参考文献
[1] 朱妍，霍云波．2015年氧化铝市场回顾及展望[J]．中国有色金属，2016(7)：50-51．
[2] 北京博思智立信息技术有限公司．2016-2022年中国氧化铝行业分析及投资建议研究报告[M]．博思数据研究中心，2016．
[3] 裴新意，赵鹏．粉煤灰低温蒸压煅烧提取氧化铝的试验研究[J]．粉煤灰综合利用，2009，1：3-5．
