梁奇雄

（內(nèi)蒙古化工職業(yè)學(xué)院化學(xué)工程系，內(nèi)蒙古呼和浩特 010070）

粉煤灰，是從煤燃燒后的煙氣中收捕下來的細(xì)灰，是目前燃煤電廠排出的主要固體廢物。我國火電廠粉煤 灰 的 主 要 氧 化 物 組 成 為：SiO2、Al2O3、FeO、Fe2O3、CaO、TiO2等。粉煤灰是我國當(dāng)前排量較大的工業(yè)廢渣之一，隨著電力工業(yè)的發(fā)展，燃煤電廠的粉煤灰排放量逐年增加。大量的粉煤灰不加處理，就會產(chǎn)生揚(yáng)塵，污染大氣；若排入水系會造成河流淤塞，而其中的有毒化學(xué)物質(zhì)還會對人體和生物造成危害[1-8]。每年儲存粉煤灰需要占用大量的耕地和消耗巨額資金，目前全國平均粉煤灰綜合利用率約27 %，所以開發(fā)利用粉煤灰是功在當(dāng)代利在千秋的事情。目前我國主要將粉煤灰用作筑路材料、摻燒粘土磚、摻入混凝土、摻灰生產(chǎn)水泥、生產(chǎn)氧化鋁，目前國內(nèi)提取氧化鋁的研究較多，大多數(shù)仍處于實(shí)驗(yàn)室階段，國外雖有先例，但因?yàn)閱挝划a(chǎn)品熟料量大，能耗高及其他因素，收效甚微，因此，本文提出了一種粉煤灰的預(yù)脫硅堿石灰燒結(jié)法生產(chǎn)氧化鋁。

1 傳統(tǒng)粉煤灰生產(chǎn)氧化鋁的方法

雖然在粉煤灰中提取氧化鋁做了很多工作[9-14]，但大多數(shù)目前已經(jīng)停產(chǎn)，決定國內(nèi)一些相關(guān)研究最終能否成功轉(zhuǎn)為工業(yè)化生產(chǎn)主要有兩方面技術(shù)問題：

（1）工廠工藝設(shè)計(jì)（包括工藝流程、工藝布置、設(shè)備選型等）。

（2）生產(chǎn)控制（包括比例控制、溫度、濕度、時間控制）。

目前，國內(nèi)外粉煤灰生產(chǎn)氧化鋁的方法主要有以下4 種。

1.1 酸浸法

中國華電集團(tuán)與蒙西集團(tuán)合作，用硫酸浸出生成硫酸鋁和用鹽酸浸出生成聚合氯化鋁時，用氟氨助溶來提高氧化鋁的浸出率；其產(chǎn)品硫酸鋁和聚合氯化鋁可以作為凈水劑，也可以作為制備其他鋁產(chǎn)品的原料。

中國神華集團(tuán)“準(zhǔn)格爾礦區(qū)粉煤灰綜合利用工業(yè)化技術(shù)系統(tǒng)研發(fā)項(xiàng)目”立項(xiàng)，采用硫酸浸出法，主要工藝是以粉煤灰和硫酸為原料，經(jīng)細(xì)磨焙燒活化，用硫酸浸出硫酸鋁，結(jié)晶制備出Al2（SO4）3·18H2O。硫酸鋁結(jié)晶經(jīng)煅燒、堿溶、晶種分解、氫氧化鋁焙燒等工序制備冶金級氧化鋁。

1.2 堿浸法

堿浸法是用堿液直接和粉煤灰作用，先將鋁溶出，再對溶出液進(jìn)行一定的處理，即可得到Al2O3。

1.3 燒結(jié)法

石灰石燒結(jié)自粉化法是將粉煤灰與石灰石混合后進(jìn)行燒結(jié)，使粉煤灰中的莫來石和石英變?yōu)楣杷岫}（2CaO·SiO2）和七鋁十二鈣（12CaO·7Al2O3）。引用2CaO·SiO2晶相轉(zhuǎn)變過程中產(chǎn)生的體積膨脹（處于介穩(wěn)的β-2CaO·SiO2向穩(wěn)定的γ- 2CaO·SiO2轉(zhuǎn)變），使得塊狀的燒結(jié)產(chǎn)物自粉化（2CaO·SiO2晶相轉(zhuǎn)化產(chǎn)生的體積膨脹粉化），可省去粉磨工序。燒結(jié)后的自粉化料加入純堿溶液將熟料中的鋁溶出，再對溶出液進(jìn)行脫硅處理，用CO2進(jìn)行碳酸化分解產(chǎn)出Al（OH）3，再焙燒生產(chǎn)氧化鋁。

由蒙西集團(tuán)和鄂爾多斯羊絨集團(tuán)共同出資，建設(shè)了粉煤灰石灰燒結(jié)法生產(chǎn)氧化鋁項(xiàng)目，該項(xiàng)目是利用氧化鋁含量大于40 %的粉煤灰與石灰石煅燒，采用堿溶法提取氧化鋁，整個生產(chǎn)過程實(shí)現(xiàn)了零排放、零污染、低成本的循環(huán)產(chǎn)業(yè)鏈。

1.4 直接還原法

電熱（碳熱）直接還原法可生產(chǎn)硅鋁合金，即使用碳管電阻爐在1 950 ℃～2 200 ℃的溫度范圍內(nèi)，用焦炭粉還原高鋁粉煤灰，制取Fe-Al-Si 合金。

式中：m、n 為任意數(shù)。

河南登電集團(tuán)的鋁硅鈦合金一期工程已投產(chǎn)，用熱電法在礦熱爐內(nèi)直接熔煉鋁硅鈦合金，有著更大的優(yōu)越性和更好的經(jīng)濟(jì)效益；另外山西晉能集團(tuán)的7 260 t規(guī)模電熱法鋁硅合金項(xiàng)目，已正式實(shí)施。

2 粉煤灰預(yù)脫硅堿石灰燒結(jié)法生產(chǎn)氧化鋁的工藝過程

本研究提出了一種利用粉煤灰預(yù)脫硅堿石灰燒結(jié)法生產(chǎn)氧化鋁，其獨(dú)特的工藝路線為粉煤灰與堿液混勻后在高溫高壓下進(jìn)行脫硅，使脫硅后的粉煤灰A/S提高到與低硅鋁土礦A/S 相近的范圍，從而采用傳統(tǒng)的燒結(jié)法工藝處理粉煤灰提取氧化鋁成為可能。

2.1 粉煤灰預(yù)調(diào)配

流程圖描述（見圖1）。

圖1 粉煤灰預(yù)調(diào)配流程圖

2.2 粉煤灰預(yù)脫硅

流程圖描述（見圖2）。

圖2 粉煤灰預(yù)脫硅流程圖

主反應(yīng)：2NaOH+SiO2（非晶態(tài)）=Na2SiO3+H2O

副反應(yīng)：2NaOH+Al2O3（非晶態(tài)）=2NaAlO2+H2O

2.3 生石灰、二氧化碳、石灰乳制備

2.4 生料漿磨制

將生料漿混合石灰石、鈣硅渣和鈉硅渣混合后，用管磨機(jī)進(jìn)行磨制。

2.5 生料漿調(diào)配

管磨機(jī)磨制的生料漿，只是經(jīng)過初次調(diào)配，因?yàn)楦鞣N物料成份波動，尤其是脫硅粉煤灰、碳分母液成份波動較大，所以需在生料漿調(diào)配槽進(jìn)行多次調(diào)配。流程描述（見圖3）。

圖3 生料漿調(diào)配流程圖

2.6 熟料燒結(jié)

將制備好的煤粉作為燃料，用來燒結(jié)熟料，流程描述（見圖4）。

圖4 熟料燒結(jié)流程圖

2.7 熟料中碎及溶出

將燒結(jié)好的熟料用圓錐式破碎機(jī)進(jìn)行中碎，然后溶出。溶出過程中的主要化學(xué)反應(yīng)為：

溶出流程描述（見圖5）。

圖5 熟料溶出流程圖

2.8 硅鈣渣快速分離、洗滌、脫堿

流程描述（見圖6）。

圖6 硅鈣渣快速分離、洗滌、脫堿流程圖

2.9 一二段脫硅

主要的化學(xué)反應(yīng)是一段脫硅，用鈉硅渣作為晶種，反應(yīng)脫硅：

二段脫硅，用石灰乳進(jìn)行反應(yīng)，精細(xì)脫硅：

流程描述（見圖7）。

圖7 一二段脫硅流程圖

2.10 碳酸化分解

流程描述（見圖8）。

圖8 碳酸化分解流程圖

2.11 分解分級

流程描述（見圖9）。

圖9 分解分級流程圖

2.12 種子過濾及成品過濾

流程描述（見圖10）。

圖10 種子過濾、成品過濾流程圖

2.13 碳分母液蒸發(fā)

流程描述（見圖11）。

圖11 碳分母液蒸發(fā)流程圖

2.14 氫氧化鋁焙燒

這是最后的一道工藝，得到了產(chǎn)品氧化鋁。流程描述（見圖12）。

圖12 氫氧化鋁焙燒流程圖

3 預(yù)脫硅堿石灰燒結(jié)法的優(yōu)勢和應(yīng)用

本文中介紹的粉煤灰預(yù)脫硅堿石灰燒結(jié)法生產(chǎn)氧化鋁的方法，已經(jīng)在再生資源公司得到了應(yīng)用。利用當(dāng)?shù)匕l(fā)電廠外排的高鋁粉煤灰作為主要原料，是典型的廢棄物再資源化。原來發(fā)電廠外排的大量粉煤灰，不僅對環(huán)境造成污染，還占用大量土地。本技術(shù)通過利用高鋁粉煤灰等廢棄物生產(chǎn)國內(nèi)短缺的氧化鋁產(chǎn)品，不僅可實(shí)現(xiàn)廢棄物資源化，節(jié)約鋁土礦資源，而且還可保護(hù)環(huán)境，減少土地占用。通過前期的投產(chǎn)后的經(jīng)驗(yàn)，與傳統(tǒng)的粉煤灰生產(chǎn)氧化鋁技術(shù)相比具有以下優(yōu)勢：

（1）生產(chǎn)中間產(chǎn)品氧化鋁過程中外排的硅鈣渣，洗滌回收其有用附液后，成為優(yōu)質(zhì)的水泥生產(chǎn)原料，本項(xiàng)目已與周邊等水泥廠簽訂協(xié)議，硅渣全部用于生產(chǎn)水泥。從而實(shí)現(xiàn)了固體廢棄物二次資源化。也真正意義上在氧化鋁生產(chǎn)行業(yè)第一次實(shí)現(xiàn)了固體廢棄物的零排放。

（2）中間產(chǎn)品的全部回收再利用，生產(chǎn)過程的中間產(chǎn)品為白炭黑和活性硅酸鈣，兩種產(chǎn)品在國內(nèi)國際市場均有廣闊的應(yīng)用前景。正是該產(chǎn)品的開發(fā)，使得氧化鋁生產(chǎn)過程得以循環(huán)進(jìn)行。石灰燒結(jié)過程會產(chǎn)生的大量CO2，本技術(shù)通過對CO2氣體進(jìn)行洗滌壓縮，回用于白炭黑和氧化鋁生產(chǎn)系統(tǒng)碳分分解工段，既解決了大氣和環(huán)境的污染，又使資源得以完全利用。

（3）固體廢棄物的利用，生產(chǎn)過程中的硅鈣渣可以作為生產(chǎn)水泥的原料，運(yùn)往冀東水泥廠二次利用；石灰乳制備過程中產(chǎn)生的消化渣，主要是未分解的石灰石等，直接送生料漿磨制，在氧化鋁生產(chǎn)系統(tǒng)回用；煤氣發(fā)生爐氣化后的爐渣，其性質(zhì)與鍋爐房的爐渣相似，對環(huán)境無不良影響，可用于粉煤灰生產(chǎn)氧化鋁系統(tǒng)；經(jīng)過電除焦處理的焦油儲存于罐內(nèi)，在初始鋁硅合金工段回用。

（4）水資源的再利用，所用水源全部來自電站廢水，實(shí)現(xiàn)了水資源的二次利用。為了更加節(jié)約用水，設(shè)立了多個循環(huán)水系統(tǒng)，全廠循環(huán)水利用率為96 %。

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