燃煤电厂粉煤灰生产氧化铝的发展前景

郭建民，高荣，云冬冬，王强

(华电内蒙古能源有限公司，内蒙古 呼和浩特 010020)

0 引言

我国是一个以煤为主要能源资源的消耗国，在一次能源消耗中，煤炭消耗量一直占据主导。目前我国煤炭资源75%左右用于火力发电，燃煤电厂发电产生大量的粉煤灰，只有一小部分被利用，大部分被堆存，堆存的粉煤灰不仅占用了大量土地，还会污染环境，给当地生存环境造成极大的危害。因此，粉煤灰的综合利用是我国火电工业发展中的紧迫而又长期的任务。粉煤灰粒度小、均匀、含有氧化铝，是一种极具开发利用价值的铝土资源，从粉煤灰中生产氧化铝，使资源利用价值最大化，即可综合利用保护生态环境，又可缓解我国铝土资源紧张的局面。

1 燃煤电厂粉煤灰的主要化学成分

燃煤电厂粉煤灰的主要成分是 SiO2，Al2O3，TiO2，CaO，MgO，Fe2O3，Na2O 等。不同地区、不同种类的粉煤灰化学成分差异较大，资源利用效果也不同。内蒙古准格尔矿区高铝粉煤灰主要化学成分见表1。

表1 准格尔矿区粉煤灰主要化学成分 %

2 粉煤灰生产氧化铝的意义

随着我国燃煤机组的不断增加，粉煤灰的排量也在急剧增长，1995年火电厂粉煤灰排放总量为0.9亿t，2000年粉煤灰排放量为1.2亿 t，到2010年已达到3.7亿t。近年来，虽然我国粉煤灰开发利用取得了一定进展，但总体上看，仍以集中堆存和用于建材等低值化利用为主。目前，粉煤灰主要用来作混凝土和砂浆的掺合剂、生产水泥、制砖、道路基层材料、筑坝、改善土壤、提取矿物质等。在经济迅猛发展的今天，国家更加注重资源综合利用，力求粉煤灰的高技术开发，从其中提取氧化铝，使粉煤灰综合利用进入一个新阶段。

内蒙古中西部和山西北部等地区的部分煤炭资源中存有丰富的含铝矿物，用于发电后产生的粉煤灰中氧化铝质量分数达40% ～50%，相当于我国中级品位铝土矿中氧化铝的含量，是一种宝贵的具有较高经济开发价值的含铝资源。截至2008年年底，已探明高铝煤炭资源储量为319亿t，远景资源量约1000亿t。因此，积极开拓高铝粉煤灰生产氧化铝这一新领域，使资源价值最大化，不但能减少粉煤灰堆存占用土地，减轻环境污染，还可提高煤炭利用的综合效益。

3 粉煤灰生产氧化铝工艺技术进展情况

目前，国内外利用高铝粉煤灰生产氧化铝在技术上主要有石灰石烧结-拜耳法溶出工艺、预脱硅-碱石灰烧结法工艺、酸法工艺和硫酸铵法工艺。

3.1 国外技术研究情况

国外粉煤灰生产氧化铝主要有直接碱浸出、盐-苏打烧结法、钙烧结法、石灰石烧结法、氧化钙熔融法、氢氟酸法等。除石灰石烧结法曾进行过工业化试生产且已停产外，其他方法均处于试验研究阶段。

3.2 国内研究进展情况

目前我国粉煤灰生产氧化铝研究的工艺路线主要有:传统的石灰石烧结法-低温拜耳法，预脱硅+碱石灰(石)烧结法，酸法，硫酸铵法等工艺。产业化程度高的有大唐国际再生资源开发有限公司(以下简称大唐国际)的预脱硅+碱石灰(石)烧结法工艺已投入工业化运行，产出合格的氧化铝;此外，蒙西高新技术集团有限公司的石灰石烧结-低温拜耳法工艺，也进入产业化阶段;神华准能公司的“联合除杂一步酸溶法”生产氧化铝工艺基本完成了半工业试验。华电内蒙古能源有限公司的硫酸铵法生产氧化铝完成了扩大化试验，进入工业化试验阶段。

3.2.1 石灰石烧结-低温拜耳法工艺

早在20世纪50年代，波兰克拉科夫矿冶学院格日麦克(J.Grzymek)教授以高铝煤矸石或高铝粉煤灰(Al2O3的质量分数大于30%)为主要原料，从中生产氧化铝和利用其残渣生产水泥。波兰利用该技术建设了生产规模为6 000 t/a的氧化铝项目，但由于其规模小、工艺技术不成熟、副产物排放大、配套利用率低等因素导致生产成本偏高，该项目于20世纪90年代末停产。该工艺技术为粉煤灰石灰石烧结法，主要流程为:原料配制及烧结自粉化，铝酸盐的提取，浸出液的过滤，偏铝酸钠的除硅处理，偏铝酸钠的碳酸化处理，氢氧化铝经煅烧制得氧化铝。

石灰石烧结-低温拜耳法工艺是蒙西高新技术集团有限公司借鉴20世纪50年代波兰技术进行开发的粉煤灰生产氧化铝工艺方法，该工艺完成了工业化试验。年产40万t工业化生产线正在分期建设。主要工序包括:原料的配制、生料烧结及(自)粉化、(铝酸钠)碱液浸取、液固分离、铝酸钠溶液碳分、拜尔法溶出、种分、氢氧化铝分离及焙烧和水泥熟料锻烧等。石灰石烧结-低温拜耳法工艺生产流程如图1所示。

图1 石灰石烧结－低温拜耳法工艺流程图

3.2.2 预脱硅-碱石灰(石)烧结法工艺

2004年，大唐国际与清华同方共同合作对高铝粉煤灰生产氧化铝技术进行技术攻关，研发出高铝粉煤灰预脱硅-碱石灰(石)烧结法提取氧化铝工艺技术，并采用该技术建成年产3000t中试线，顺利生产出氢氧化铝。2010年8月30日，内蒙古大唐国际使用此工艺建设的年产24万t氧化铝工程顺利生产出了产品。

预脱硅-碱石灰(石)烧结法是利用高铝粉煤灰提取氧化铝联产活性硅酸钙等硅产品的技术，主要特点是采用预脱硅技术，提高铝硅比，降低成渣量，并将粉煤灰中氧化铝和二氧化硅分别提取利用，拓宽了硅产品的利用渠道。主要工序包括:粉煤灰预脱硅、脱硅溶液处理及活性硅酸钙制备、生料浆制备、熟料烧成、熟料溶出、硅钙渣分离洗涤脱碱脱水、一、二段脱硅、碳分、种分和焙烧等工序。预脱硅-碱石灰(石)烧结法工艺流程如图2所示。

图2 预脱硅碱石灰烧结法工艺流程图

3.2.3 酸法工艺

采用酸法处理粉煤灰进展较大的有盐酸法，有代表性的是“联合除杂一步酸溶法”生产氧化铝，其主要过程是:粉煤灰磁选除铁、酸溶、过滤、分离、树脂吸附除铁等净化后得到合格的溶出液、蒸发浓缩和结晶析出结晶氯化铝、通过煅烧得到氧化铝产品、冷却和初步回收氯化氢气体、二次回收氯化氢气体、调节回收的盐酸浓度、所得盐酸应用于酸溶过程。其酸溶过程是:将粉煤灰与质量分数为20% ～30%的盐酸反应，保持温度130～150℃的条件下，反应1.5～2.5 h。

2009年神华集团和吉林大学合作，研发酸法生产氧化铝技术，采用盐酸作为反应介质，在试验的基础上，2011年年产4000 t氧化铝的中试验厂建成并投产。

该技术是利用发电厂循环流化床锅炉产生的高铝粉煤灰，采取“一步酸溶法”工艺路线制取冶金级氧化铝，即将高铝粉煤灰与一定浓度的盐酸配料溶出，经滤渣、蒸发、浓缩结晶、焙烧后得到氧化铝，生产过程中同时提取镓。该工艺流程短而简单，且不产生赤泥。废弃物为“白泥”，可用于生产建材。酸法工艺生产流程如图3所示。

图3 酸法工艺工业流程图

3.2.4 硫酸铵法工艺

硫酸铵法是将粉煤灰与硫酸铵烧结反应生成可溶于水的硫酸铝铵和不溶于水的二氧化硅，过滤分离后得到硫酸铝铵溶液和硅渣。硫酸铝铵溶液中有铁、铝、镁等杂质，除杂后得到硫酸铝铵精制液，向该精制液中通氨，得到Al(OH)3和(NH4)2SO4，过滤分离后得到Al(OH)3和硫酸铵溶液，由于Al(OH)3中含有部分铁等杂质，通过氢氧化钠溶液溶出后种分，可以除杂和提高氢氧化铝产品质量，氢氧化铝煅烧可得到Al2O3，硫酸铵溶液蒸浓返回与粉煤灰反应。

硫酸铵法采用非酸非碱的硫酸铵作为循环介质提取粉煤灰中的氧化铝，克服了设备的相对腐蚀及对环境造成的压力，采用了“先铝后硅”的生产工艺，可实现粉煤灰的相对综合利用。目前，华电内蒙古能源有限公司的硫酸铵法处理粉煤灰提取氧化铝中试生产线正在建设之中。硫酸铵法工艺流程如图4所示。

以上4种方案从工艺方面比较，均能实现粉煤灰中的氧化铝和二氧化硅分别提取利用，大唐国际的预脱硅+碱石灰(石)烧结法工艺产业化程度高，已投入工业化试生产，其他技术总体还处于半工业试验及完成半工业试验阶段。

图4 硫酸铵法工艺流程图

4 国内铝土资源情况

4.1 我国铝土矿资源现状

我国铝土矿资源相对稀缺。截至2009年年底，铝土矿资源量约32亿t，其中可采储量只有10亿多t，按目前的开采量计算，最多只能供应10多年，采储比在全球属于最高水平，资源过度开采情况严重，因此铝土矿资源的短缺已成为中国铝工业可持续发展的最大忧患，极度有限的资源已不能支撑铝行业的高速增长。

4.2 铝土矿质量下降带来生产成本升高

由于我国氧化铝产量的大幅度提高，铝土矿开采量迅速扩大，使得铝土矿质量迅速降低。例如，河南的氧化铝企业在2003年之前，处理的铝土矿铝硅比大于10，到2006年时铝土矿铝硅比下降至7左右，而到2010年时铝土矿铝硅比再下降至5左右，导致以铝土矿为原料生产氧化铝的企业各项消耗急剧增加，如碱耗、蒸汽消耗、矿石消耗等，使得生产成本持续升高。

4.3 我国铝土资源对外依存度不断扩大

2011年我国氧化铝的年生产能力约5100万t，氧化铝产量3 900万t，随着我国铝工业的高速发展，我国铝土矿资源的制约愈发明显，矿石资源对外依存度在不断扩大，2008年和2009年氧化铝行业对外依存度分别为54.79%和45.11%。2011年铝土矿进口量达到了4 485万t。2005—2011年中国铝土矿的产量及进口量如图5所示。

图5 2005—2011年中国铝土矿的产量及进口量

按照生产1 t氧化铝需要2.5 t铝土矿估算，2006—2011年我国进口铝土矿生产氧化铝产量见表2。

表2 2006—2011年我国进口铝土矿生产氧化铝产量

从上表中可以看出，我国铝土矿进口量不但连创新高，而且氧化铝产量也在不断扩大。我国的铝土矿贸易来源主要是印尼和澳大利亚，存在高度集中的特点。近年来，印尼经济增速加快，对本国资源的利用、保护意识不断增强，将会限制主要矿产资源出口，这将会加剧我国铝土矿市场供应的紧张程度，存在一定的风险。国内铝土矿资源短缺与需求旺盛的矛盾十分突出，亟待解决，需要积极找寻并利用其他含铝资源。

5 经济效益和社会效益

国内不同工艺粉煤灰生产氧化铝可变成本为1500～1800元/t，经测算2010年传统行业铝土矿生产氧化铝平均可变成本为1627元/t，二者可变成本相比基本相当，但随着铝土矿质量的持续下降，采用铝土矿生产氧化铝的行业平均成本将会持续升高;而随着技术的进一步成熟，生产规模的不断扩大，大型煤电铝循环经济一体化项目的发展，粉煤灰生产氧化铝的可变成本将会降低。2011年国内氧化铝市场平均价格为2967元/t，进口氧化铝价格为2975元/t，可见利用粉煤灰生产氧化铝利润可观，盈利空间较大，效益显著。同时可以有效地利用我国丰富的高铝粉煤灰资源，将粉煤灰变废为宝，对于新建电厂的粉煤灰利用还是对于已经集中堆存的粉煤灰治理都具有很好的现实社会效益。因此，粉煤灰生产氧化铝在国内具有较强的市场竞争优势。

6 结论

我国高铝煤炭资源储量丰富，发电后产生的高铝粉煤灰的堆放不仅给当地带来环境污染，同时也造成了宝贵的含铝矿物资源的浪费。从发展的眼光看，开发粉煤灰生产氧化铝发展前景较好，利用电厂粉煤灰生产氧化铝，可缓解我国铝土矿等资源缺乏的问题，同时也能减轻环境污染，还可提高煤炭利用的综合效益。

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