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，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發(fā)展規(guī)劃綱要（2006～2020年）重點領域的優(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方法近年來已成為關注和研究的熱點。

 

    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的基礎。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成的不確定性為粉煤灰提鋁技術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)構排列方式的介穩(wěn)結(jié)構，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，提高粉煤灰中鋁的活性。

 

    二、粉煤灰提鋁技術研究現(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。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，但該技術仍需借助燒結(jié)來實現(xiàn)粉煤灰的活化，且能耗、微波技術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大規(guī)模工業(yè)化應用的因素很多，除了國家、地方相關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)有粉煤灰提鋁技術進行改進完善，同時還應積極探索新的粉煤灰提鋁技術工藝，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發(fā)展的趨勢。