【原创】粉煤灰:我不是废物!我能变成你想要的氧化铝!


来源:中国粉体网   山川

[导读]  粉煤灰的处置已正成为一个备受关注的问题,因为不当的处理会给环境带来负面影响。

中国粉体网讯  粉煤灰是煤炭燃烧后产生的飞灰及炉渣,化学组成极其复杂,主要由 Si、Fe、Al、Ca、Mg、Ti、Na、K、Mn、P 和 O 等元素组成,其一般化学成分如下表所示。这些成分主要以氧化物、硅酸盐、硫酸盐等各种化合物的形式存在,其中硅含量最高,其次是铝,以复杂的复盐形式存在,酸溶性较差。




粉煤灰一般为灰黑色,其颜色深浅代表未燃烧炭的含量,含量越高颜色越深,颜色越深的粉煤灰粒度一般较小,反之较大。粉煤灰活性较高,颗粒呈现为多孔的蜂窝状,因此经常被用作水处理的吸附剂。粉煤灰的物相由其产生工艺条件所决定,当煤的燃烧温度较高时,粉煤灰中晶体矿物如石英、莫来石和石膏等含量较大,煤燃烧温度较低时粉煤灰以非晶质矿物玻璃体为主,含少量晶体矿物。



图片来源:六盘水日报


我们为什么要从粉煤灰中提取氧化铝


首先有两方面因素,其一是氧化铝资源问题。经过多年发展,我国已成为全球第一大铝生产国和消费国,全球40%的产能集中在中国,然而相对于庞大的消费量,我国的铝土矿储量比较匮乏,仅占世界的4% 左右,且我国铝土矿主要以一水硬铝石型为主,品位较差。我国企业倾向于进口国外高品位矿石,因此我国每年需进口大量铝土矿。2018年,全国共进口铝土矿8273万t 。随着工业化、城镇化及汽车智能化和新能源汽车的不断发展,铝材成为未来铝资源需求的重要增长点。因此,保障我国铝资源的安全具有重要意义。


其二是粉煤灰的有效利用。中国是全球最大的煤炭生产国和消费国,每年因燃煤电厂燃烧产生大量堆积的粉煤灰,由于利用率不足,累计产量超过30亿t。粉煤灰主要成分为硅、铝、铁、钙等的氧化物,而高铝粉煤灰中Al2O3的含量可达50% ,接近中等品位铝土矿中的含量,因此可以作为非铝土矿资源生产Al2O3。研究发现鄂尔多斯盆地晚古生代煤层具有煤、铝、镓资源共生的资源特性,内蒙古境内探明储量319亿t,其中潜在高铝粉煤灰蕴藏量约80亿t,相当于目前我国铝土矿资源保有储量的3倍,是我国重要的铝资源后备基地。


此外,尽管我国的能源结构在发生变化,但煤炭消费仍然是最大的,在未来几年内,排放的粉煤灰量将会持续增加。粉煤灰的处置已正成为一个备受关注的问题,因为不当的处理会给环境带来负面影响。


粉煤灰提取氧化铝工艺


目前,从粉煤灰中提取氧化铝的工艺主要有石灰石烧结法、浓碱溶出法、酸浸法、水热活化法等。


1、石灰石烧结法




石灰石烧结法工艺技术成熟,过程较为简单,对设备耐腐蚀性要求低,应用前景较好,实现工业化生产难度低。


2、碱溶出法


碱溶出法又分为水热法和亚熔盐法。水热法是用高浓度的 NaOH 溶液在高压釜中高温下与粉煤灰直接反应,同时加入少量的 CaO,破坏粉煤灰中的矿物相,使其中的铝溶出,再对溶出液进行一定的处理即可得到Al2O3


粉煤灰在亚熔盐体系中,其稳定的含铝物相结构被破坏,铝元素被活化以 NaAlO2 的形式进入介质,实现铝与其它组分的分离,其浸出率可达 90% 以上 。亚熔盐的优异特性使亚熔盐法避免了高温反应,降低了碱的消耗量,实现了硅组分的高效利用,并且该法对于粉煤灰中的铝硅比要求不高,发展前景更好,但亚熔盐法作为高浓度碱浸出方法,对设备的高要求限制了其实现工业生产,需要对工艺过程进行优化完善。


3、酸浸法


该方法以 HCl、HF、H2SO4等浓酸作为溶出剂,以NH4F作为助溶剂与粉煤灰混合,使粉煤灰中的铝溶出,对溶出液进行处理,使其以铝盐的形式沉淀析出,最后经干燥煅烧制得Al2O3。酸法包括直接酸浸、酸或酸性盐焙烧法、硫酸氢铵法、氟化物助溶法、加压浸出法、两步酸浸法等。


4、水热活化法


水热活化法是以粉煤灰矿物特性和化学组成特点为基础所研究的一种工艺方法。先将粉煤灰与一定量的碳酸钠混合进行煅烧活化,然后加入适量的氧化钙及氢氧化钠溶液进行高压水热反应,经过蒸发结晶、再溶解、煅烧等步骤得到终产品氧化铝。


结束语


粉煤灰中提取氧化铝的工艺很多,很多先进工艺至今仍停留在实验室阶段。无论是酸法还是碱法工艺在工艺运行方面都存在一定的工艺或成本问题,总的来说,从粉煤灰中提取氧化铝,实现可持续发展,还有很长的路要走,新材料、新设备和新工艺都是其未来发展必不可少的部分。


参考来源:

[1]我国实现粉煤灰提取氧化铝产业化.中国化工报

[2]王丽杰.粉煤灰提取氧化铝工艺进展

[3]王卫江等.从粉煤灰提取氧化铝的技术现状及工艺进展

[4]朱辉等.从粉煤灰中提取氧化铝技术进展


(中国粉体网编辑整理/山川)

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作者:山川

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