粉煤灰是煤炭在燃煤鍋爐中燃燒所殘留的固體廢物，主要是燃煤電廠的副產(chǎn)品。到2007年，我國粉煤灰的年排放已超過2億t(且仍在逐年增加)，累計堆存量超過25億t，占地面積5萬hm²以上。粉煤灰既占用大量耕地，對土壤、水資源和空氣造成嚴重污染。粉煤灰綜合利用是我國多年來研究解決的重要課題。目前，粉煤類中氧化鋁含量一般在17%～35%，部分地區(qū)粉煤灰鋁含量更可高達40%～60%，是一種十分重要的非傳統(tǒng)氧化鋁資源。從高鋁粉煤灰中提取氧化鋁屬于粉煤灰精細化利用技術(shù)，對減輕粉煤灰環(huán)境污染、擴大粉煤灰資源化利用途徑、拓展我國氧化鋁工業(yè)原料來源具有積極意義，且符合國家中長期科學和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006～2020年）重點領(lǐng)域的優(yōu)先主題要求。隨著國家環(huán)保政策日益嚴格及高品位鋁土礦資源短缺危機加劇，從高鋁粉煤灰中提取氧化鋁的技術(shù)方法近年來已成為關(guān)注和研究的熱點。

 

    一、粉煤灰化學組成與物相形態(tài)

 

    粉煤灰的化學組成與物相形態(tài)是研究粉煤灰提鋁技術(shù)的基礎(chǔ)。我國粉煤灰以低鈣灰（CaO＜10%）為主，高鈣灰僅產(chǎn)于個別地區(qū)，表1和表2給出了我國低鈣粉煤灰化學組成與物相形態(tài)的一般范圍。

 

表1  我國低鈣粉煤灰的化學成分           %

成分	SiO2	Al2O3	Fe2O3	CaO	MgO	Na2O和K2O	SO3	L.O.I
含量	40～60	17～35	2～15	1～10	0.5～2	0.5～4	0.1～2	1～26

 

表2  我國低鈣粉煤灰的基本礦物組成

成分	玻璃相	莫來石	石英	赤鐵礦	磁鐵礦
范圍 平均值	5～79 60.4	2.7～34.1 21.2	0.9～18.5 8.1	0～4.7 1.1	0.4～13.8 2.8

由表1和表2可知，粉煤灰不僅在化學成分和元素組成上千差萬別，在物相構(gòu)成上也相去甚遠。粉煤灰化學組成與物相形態(tài)受煤產(chǎn)地、煤種、燃燒方式和燃燒程度等因素影呼較大。我國華東、華北地區(qū)粉煤灰普遍是氧化鋁含量超過30%的高鋁粉煤灰，在山西、內(nèi)蒙古等地氧化鋁含量超過40%的高鋁粉煤灰也有大量發(fā)現(xiàn)。物相構(gòu)成上，Barbara G·Kutchko等對不同燃煤電廠12個F級粉煤灰進行分析，發(fā)現(xiàn)無定表態(tài)物質(zhì)（主要是玻璃體）含量均超過65%，結(jié)晶相（包括石英、莫來石等）均低于50%。張占軍等對內(nèi)蒙古某熱電廠高鋁粉煤灰的研究表明，Al₂O₃含量高達48.5%，粉煤灰中莫來石－剛玉相占73.7%，玻璃相卻僅占24.6%。粉煤灰鋁含量和物相構(gòu)成的不確定性為粉煤灰提鋁技術(shù)的深入研究及推廣帶來困難。同時，粉煤灰的主要物相是莫來石（2 Al₂O₃·2SiO₂）和鋁硅玻璃相（兩者之和＞80%），莫來石性質(zhì)比較穩(wěn)定，鋁硅玻璃相因保持著高溫液態(tài)結(jié)構(gòu)排列方式的介穩(wěn)結(jié)構(gòu)，也表現(xiàn)出較高的化學穩(wěn)定性，使得粉煤灰中可溶性SiO₂、Al₂O₃活性較低。因此直接采用普通的酸或堿法，從高鋁粉煤灰中提取氧化鋁效果很差。需要采取一定手段首先對粉煤灰進行礦物改性，打破Al－O－Si的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，提高粉煤灰中鋁的活性。

 

    二、粉煤灰提鋁技術(shù)研究現(xiàn)狀

 

    自20世紀50年代，波蘭J.Grzymek教授以高鋁煤矸石或高鋁粉煤灰（Al₂O₃＞30%）為主要原料從中提取氧化鋁并利用其殘渣生產(chǎn)水泥以來，國內(nèi)外許多學者對粉煤灰提鋁技術(shù)做了大量研究。從粉煤灰中提取氧化鋁（氫氧化鋁）或鋁鹽工藝有很多，但主要有堿法燒結(jié)和酸浸法兩類，且大部分工藝還處于實驗室研究階段，工業(yè)化應用很少。

 

    （一）堿法燒結(jié)

 

    目前，堿法燒結(jié)粉煤灰提鋁技術(shù)的研究可分為鈣鹽助劑燒結(jié)法和鈉鹽助劑燒結(jié)法兩大類。                  

鈣鹽助劑燒結(jié)法是將石灰石、石灰、石膏等鈣鹽中的一種或幾種與粉煤灰在1200～1400℃下燒結(jié)，使粉煤灰中活性低的鋁硅酸鹽在高溫下生成易溶于Na₂CO₃溶液的鋁酸鈣和不溶的硅酸二鈣而實現(xiàn)鋁硅分離。石灰石燒結(jié)法是國內(nèi)外最早提出的粉煤灰提鋁技術(shù)方法，也是目前國內(nèi)唯一見諸報道的已工業(yè)化應用的工藝。石灰石燒結(jié)法基本工藝流程如圖1所示。

 

圖1  石灰石燒結(jié)法工藝基本流程

 

    劉埃林、趙建國等在該工藝基礎(chǔ)上作了改進：對鋁酸鈉粗液直接進行碳分、過濾，所得高硅氫氧化鋁固體利用低溫拜耳法溶出，得到的鋁酸鈉精液，再通過種分、煅燒，得到氧化鋁，碳分母液返回熟料溶出工序。目前該工藝已在內(nèi)蒙古投產(chǎn)建設(shè)。石灰石燒結(jié)法目前雖已產(chǎn)業(yè)化，但其自身缺陷限制了它的推廣應用：能耗高（1200～1400℃燒結(jié)），工藝繁雜，因燒結(jié)加入大量石灰石，使得渣量是氧化鋁產(chǎn)品的7～10倍，為此只能利用硅鈣渣聯(lián)產(chǎn)水泥，但因泥市場有效半徑小，導致對當?shù)厮嘈枨罅恳蕾嚰哟螅袌鲲L險較高。

 

    為解決石灰石燒結(jié)法能耗高、渣量大等缺陷，可采用Na₂CO₃等鈉鹽部分或全部代替鈣鹽作為燒結(jié)助劑，以降低燒結(jié)溫度，節(jié)約能耗，減少渣量。但用Na₂CO₃等鈉鹽全部替代鈣鹽時，由于粉煤灰中硅鋁比較高，用堿液浸出熟料時，會由于生成水合鋁硅酸鈉鹽沉淀而帶走部分鋁和堿，降低鋁的回收率，堿消耗量增加，因此只能用酸浸出熟料。如馬鴻文等提出以Na₂CO₃為助熔劑，在750～880℃下使用高鋁粉煤灰分解，生成酸溶性鋁硅酸鹽物料后，用硫酸浸取，使粉煤灰中氧化鋁與氧化硅分離，并進一步生產(chǎn)氧化鋁和白炭黑，當用98%濃硫酸浸取時，氧化鋁浸取率大于90%。利用Na₂CO₃等鈉鹽部分替代鈣鹽，熟料用碳酸鈉溶液浸出，既降低燒結(jié)溫度，節(jié)約能耗，同時也避免了酸浸帶來的設(shè)備材質(zhì)要求嚴格、成本增高等問題。如鄭國輝將粉煤灰和石灰、碳酸鈉經(jīng)高溫燒結(jié)成可溶性鋁酸鈉及不溶性硅酸二鈣，二者分離后制備氧化鋁，堿液返回熟料溶出工序，殘渣做硅酸鹽水泥原料，氧化鋁溶出率在90%以上，能耗比石灰石燒結(jié)法低，但CO₂需要額外提供。

   （三）其他方法

 

    圍繞如何提高粉煤灰中鋁的浸出活性，不少學者還嘗試了其他方法。如李來時等將粉煤灰細磨活化后與硫酸銨在400℃下燒結(jié)，硫酸浸出，氧化鋁提以率可達95.6%，硫酸鋁銨重結(jié)晶后可制取純度大于99.9%的高純氧化鋁。與石灰石燒結(jié)法相比，該工藝燒結(jié)溫度明顯降低，且氧化鋁提取率高、渣量少，因此具有一定的積極意義，值得進一步關(guān)注。趙劍宇等研究了基于微波助熔的氧化鋁提取方法，雖可使氧化鋁的溶出率提高到95%以上，但該技術(shù)仍需借助燒結(jié)來實現(xiàn)粉煤灰的活化，且能耗、微波技術(shù)的放大應用等問題還有待于進一步解決，目前很難放大到工業(yè)生產(chǎn)。

 

 

    隨著環(huán)保要求日益嚴格和高品位鋁土礦資源的日趨枯竭，可以預見粉煤灰作為一種非傳統(tǒng)鋁資源具有良好的利用發(fā)展前景。目前，限制粉煤灰提鋁技術(shù)大規(guī)模工業(yè)化應用的因素很多，除了國家、地方相關(guān)政策的鼓勵扶持和市場需求等原因外，從上述分析可知技術(shù)上也有很多不足之處。因此應進一步深入研究，對現(xiàn)有粉煤灰提鋁技術(shù)進行改進完善，同時還應積極探索新的粉煤灰提鋁技術(shù)工藝，在滿足環(huán)保要求的同時，努力提高其綜合經(jīng)濟效益，達到社會、環(huán)境、經(jīng)濟的有機統(tǒng)一。從這個意義上講，實現(xiàn)高效、節(jié)能、低耗、減量（廢渣、廢氣），避免二次污染是粉煤灰提鋁技術(shù)發(fā)展的趨勢。