王丹妮

（神华集团有限责任公司，北京市东城区，100011）

粉煤灰根据锅炉炉型不同分为煤粉炉粉煤灰（简称PC 灰）和循环流化床粉煤灰 （简称CFB灰）。PC灰是指粉煤在煤粉炉内1300℃～1600℃高温下燃烧排出的灰，CFB 灰是指粉煤在循环流化床锅炉内800℃～950℃温度下燃烧排出的灰。这两类粉煤灰在物理化学性质上存在较大差异。PC灰颗粒小、多为较规则的致密球状颗粒，活性较差；CFB灰颗粒大且不规则，颗粒表面结构疏松，活性较好。

1 粉煤灰利用现状

1.1 粉煤灰产生量

我国现役燃煤电厂锅炉绝大多数是煤粉炉 （约占90%），一般情况下所指的粉煤灰即指煤粉炉粉煤灰。我国粉煤灰产生量和利用率呈逐年增加趋势，是我国当前排量最大的工业废渣之一，近年我国粉煤灰产生量和利用量见表1。

表1 近年我国粉煤灰产生量和利用量

1.2 粉煤灰利用现状

目前，国内外粉煤灰综合利用主要应用在工程和建材领域，常见的用途有水泥混凝土掺合料、粉煤灰加气混凝土、粉煤灰混凝土路面砖、粉煤灰建筑砌块、粉煤灰混凝土轻质隔墙板和粉煤灰陶粒等。除了以上粉煤灰综合利用的传统领域之外，近年来为了提高粉煤灰的资源化水平，对铝、铁、硅、镓及其他高价值组分的提取技术引起了广泛关注，国内外科研工作者开展了一系列探索。

2 粉煤灰提取氧化铝技术发展

2.1 我国铝土矿资源严重短缺

根据国土资源部统计，截至2008年底，国内铝土矿探明可采储量7.35亿t，仅占全球基础储量的2.3%，且加工困难、耗能大的一水硬铝石型矿石占总储量的98%以上。按2010年国内氧化铝产能3000万t／a测算，铝土矿储量的静态保证年限不到10年。但随着经济的快速发展和工业化建设步伐的加快，我国对金属材料铝的需求规模将不断增加。2007-2010年，我国对铝土矿需求的年均增长率达到22%。据海关总署数据统计，2010年我国铝土矿进口量达到3036万t，对外依存度超过60%，价格逐年攀升。且我国铝土矿进口来源集中于印度尼西亚 （占进口总量的76.2%）和澳大利亚（占进口总量的21.9%），这对我国铝工业安全构成严峻挑战。

随着我国西部煤炭资源的开发以及大型火力发电厂的建设，中西部地区出现了一种新的粉煤灰类型——高铝粉煤灰，其Al2O3含量为45%，相当于我国中等品位铝土矿中Al2O3的含量，是非常宝贵的再生含铝矿物资源。利用高铝粉煤灰生产氧化铝，可缓解我国铝土矿资源短缺的困境，具有重大的现实意义和长远的战略意义。目前国内神华集团、大唐电力、中电、中铝等大型国有企业、地方能源企业都在进行此项技术的开发，但均未形成工业化生产。

2.2 技术发展现状

粉煤灰中的SiO2和Al2O3是结合强度较高的玻璃体，如何打开Si-Al键，增强粉煤灰的活性是粉煤灰提取氧化铝技术的难点之一。粉煤灰提取氧化铝的方法大致可分为碱法、酸碱联合法和酸法。

（1）碱法。粉煤灰提取氧化铝最广泛应用的技术，比较有代表性的是石灰石烧结法和碱石灰烧结法，其中石灰石烧结法已经投产进行工业化生产。

碱法的优点是工艺简单、对设备要求低。缺点是投入碱量过大、助剂无法循环利用等因素，造成实际生产成本过高，使得目前的产业链效益下降、技术发展停滞。

（2）酸碱联合法。先用Na2CO3与粉煤灰混合焙烧，再与利用强酸 （稀盐酸或硫酸）溶解，生产硅胶和铝盐溶液，硅胶过滤后用于制备白炭黑，将铝盐加碱中和后煅烧得到氧化铝。

酸碱联合法的优点是可以实现氧化铝和氧化硅同步提取。缺点是强酸和弱碱消耗量大、铝盐溶液中的铁等杂质分离困难，影响氧化铝产品质量。

（3）酸法。利用酸浸取粉煤灰，生成可溶性铝盐，煅烧得到氧化铝产品，具有流程短、成本低等诸多优点，但受限于溶出率低、对设备材料防腐要求高的特点。

目前，神华准能资源综合开发有限公司 （以下简称 “神华准资公司”）经过多年研发，率先开发出了循环流化床粉煤灰提取氧化铝的 “一步酸溶法”工艺技术，并于2011年8月成功建成且投产运行了产能为4000t／a氧化铝的工业化中试厂。该工艺技术属于国际首创，填补了循环流化床粉煤灰酸法制备冶金级氧化铝的国际空白。

3 “一步酸溶法”粉煤灰提取氧化铝的技术特点与面临的问题

3.1 “一步酸溶法”工艺技术

“一步酸溶法”工艺技术具有流程短、工艺技术条件宽泛、可循环利用、成本低、环保等优点。截至2013年5月底，神华准资公司产能为4000t／a氧化铝中试厂进行了5次试车，共运行362d，其中最长实现连续运行156d，生产氧化铝1610t，产品质量达到国家冶金一级品标准（见图1）。

图1 “一步酸溶法”粉煤灰提取氧化铝技术路线

该技术初步形成了高铝粉煤灰高效环保型综合利用工艺，填补了循环流化床燃煤灰酸法制备冶金级氧化铝的国际空白。首次研发了在粉煤灰溶液中一次性除铁和硅工艺技术，“一步酸溶法”工艺中实现了反应液闭路循环使用；首次解决了粉煤灰酸法制备冶金级氧化铝工艺中关键设备的防腐问题。

“一步酸溶法”属 “减量法”，具有酸可循环利用、流程短、生产的二氧化硅渣经处理后可以再利用的优点。而碱法工艺属 “增量法”，反应剂在提取氧化铝过程中不能循环利用，产生的废弃物多，对环境造成二次污染。

3.2 粉煤灰酸法生产氧化铝面临的主要问题

3.2.1 煤粉炉粉煤灰综合利用工业化中试关键技术研发

神华准资公司的 “一步酸溶法”提取氧化铝技术是针对循环流化床粉煤灰的工艺路线。实现粉煤灰提取氧化铝的工业化必须突破煤粉炉粉煤灰酸法提取氧化铝的技术难题。目前，神华研发出了煤粉炉粉煤灰 “硫酸-盐焙烧活化”法提取氧化铝，取得了突破性进展。该技术在浓硫酸焙烧活化体系中加入少量焦硫酸盐，利用焦硫酸根的高活性，对浓硫酸分解高稳定性铝硅酸盐起促进作用。

3.2.2 酸法提取氧化铝的铝电解关键技术研究

神华集团开发的 “一步酸溶法”粉煤灰提取氧化铝工艺生产的氧化铝产品经化验分析其物理特性指标与传统的拜耳法、烧结法或联合法等工艺生产的氧化铝产品相比，在容重、粒度、安息角 （流动性）、比表面积等方面有着较大的差别 （见表2）。

目前，现已投产或正在建设的大型电解铝厂的装备及流程都是依据碱法氧化铝的标准来设计的，生产工艺不适用于“一步酸溶法”生产的氧化铝。因此，亟需开发基于 “一步酸溶法”粉煤灰提取氧化铝的铝电解技术。

表2 酸法氧化铝与传统碱法氧化铝主要物理特性比较

3.2.3 耐酸材料研究及关键设备研制

该技术在酸性条件下的反应温度及溶液磨蚀程度都较高，因此现行氯碱行业使用的材料和设备不适合该工艺条件。酸法提取氧化铝工艺从中试到工业化放大过程中，材料和设备问题是主要制约因素。神华准资公司产能为4000t／a氧化铝中试装置系统酸腐蚀问题突出，耐酸的材料选择、溶出罐等核心装置的研制是下一步研发重点。

3.2.4 废水和残渣处理技术研究

该技术工业废水偏酸性，氯离子含量高，且化学成分复杂。解决酸法提取氧化铝工艺过程中生产废水的处理回用和残渣处理是影响工业化生产的关键问题之一。

3.2.5 二氧化硅工业化应用研究

二氧化硅是粉煤灰提取氧化铝工艺主要副产品和固体废弃物。未来的研究重点是如何实现二氧化硅的大规模工业化应用。根据目前研究表明，使用二氧化硅可以替代粉煤灰在传统建材领域制备发泡保温板、瓷砖、二氧化硅制备白碳黑、橡塑填料等产品。

4 结论

随着我国经济高速发展，氧化铝需求的增长与铝土矿资源短缺的矛盾日益突出，开发新型铝资源势在必行。利用高铝粉煤灰提取氧化铝不仅将废物处理和资源开发紧密结合起来，而且有利于推动当地循环经济发展。现开展的各种粉煤灰提取氧化铝技术研究各有利弊，未来要实现工业化，必须从技术、环保和生产成本三方面综合考虑。工艺流程减量化、避免二次污染、开发新型设备和材料、进一步降低成本是未来的主要研究方向。此外，国家政策引导和财税优惠也将推动粉煤灰提取氧化铝技术早日实现工业化。

［1］ 葛鹏鹏，李镇，茅沈栋等.粉煤灰提取氧化铝工艺研究进展 ［J］.无机盐工业，2010 （7）

［2］ 杨权成，马淑花，谢华等.高铝粉煤灰提取氧化铝的研究进展 ［J］.矿产综合利用，2012 （3）

［3］ 赵剑宇，田凯.微波助溶从粉煤灰提取氧化铝新工艺研究 ［J］.无机盐工业，2005 （2）