粉煤灰为原料生产氧化铝脱硅工艺及装备分析

粉煤灰为原料生产氧化铝脱硅工艺及装备分析

韩晓祥

开曼铝业（三门峡）有限公司 河南三门峡 472000

摘要：粉煤灰是火电厂燃煤锅炉排放出的固体废弃物，其对环境有一定影响，因此，粉煤灰的综合利用一直是急需解决的问题。目前，粉煤灰主要应用于建筑材料中，如用粉煤灰生产墙体材料、作水泥混合材、混凝土掺和材料等，这些都属于粉煤灰的低值利用。探索粉煤灰资源化利用的新途径，如近年来开发附加值较高的氧化铝、白炭黑生产技术方面的研究具有重要意义。

关键词：粉煤灰；氧化铝；脱硅工艺；装备

粉煤灰是从煤燃烧后的烟气中收集下来的细灰，是目前燃煤电厂排出的主要固体废物。另外，粉煤灰是我国当前排量较大的工业废渣之一，随着电力工业的发展，燃煤电厂的粉煤灰排放量逐年增加。若粉煤灰不加处理，就会产生扬尘，污染大气；若排入水系会造成河流淤塞，而其中的有毒化学物质还会对人体和生物造成危害。因此，粉煤灰的综合利用一直是亟待解决的问题。本文论述了以粉煤灰为原料生产氧化铝脱硅工艺及装备。

一、粉煤灰概述

粉煤灰是由燃料(主要是煤)燃烧所产生烟气灰分中的细微固体颗粒物，如燃煤电厂从烟道气体中收集的细灰。其粒径一般在1～100μm之间，又称飞灰或烟灰。粉煤灰是煤粉进入1300～1500℃的炉膛后，在悬浮燃烧条件下经受热面吸热后冷却而形成的。由于表面张力作用，大部分呈球状，表面光滑，微孔较小。一部分因在熔融状态下互相碰撞而粘连，成为表面粗糙、棱角较多的蜂窝状组合粒子。其化学组成与燃煤成分、煤粒粒度、锅炉型式、燃烧情况及收集方式等有关。粉煤灰的排放量与燃煤中的灰分直接有关。据我国用煤情况，燃用1t煤约产生250～300kg粉煤灰。大量粉煤灰如不加控制或处理，会造成大气污染，进入水体会淤塞河道，其中某些化学物质对生物和人体造成危害。

粉煤灰主要含二氧化硅(SiO₂)、氧化铝(Al₂O₃)和氧化铁(Fe₂O₃)等，已广泛用于制水泥及制各种轻质建材。此外，还可利用粉煤灰作漂珠及作为肥料和微量复合肥料。在工业方面可从粉煤灰中回收铁、碳、铜、锗和钪等多种物质。

二、粉煤灰提取氧化铝方法

1、传统石灰石烧结法。首先采用石灰石烧结法对粉煤灰进行处理，从粗液深度碳中得到高硅氢氧化铝，然后采用拜尔法生产氧化铝。传统石灰石烧结法中以粉煤灰为原料，采用石灰石烧结法生产氧化铝，其主要技术包括:原料的制备与粉化、氧化铝碱液浸取、液固分离、氧化铝溶液碳分、拜尔法溶出、种分、氢氧化铝分离、焙烧水泥、水泥熟料锻造等。

2、传统碱-石灰烧结法。粉煤灰、石灰、碳酸钠经高温烧结后形成可溶性铝酸钠和不溶性硅酸钠等矿物，分离后制得氧化铝且回收碱，并将其残渣用作硅酸盐水泥材料。

现有的传统工艺存在粉煤灰浆液铝硅比低、成渣量大、处理的物料流量大、生产工艺复杂、能耗高等问题。

三、处理粉煤灰的新型工艺及影响因素

针对传统工艺处理粉煤灰料浆存在铝硅比低的不足，提出一种预脱硅+碱石灰烧结法。其实现了高铝粉煤灰中氧化铝、二氧化硅的分别提取和利用，基本实现了如碳酸钠、氢氧化钠等主要化工耗材的循环利用，每1t氧化铝萃取处理物料总量降低约30%，煅烧温度降低约10%，硅钙渣量降低约70%，具有较强的市场竞争力。其优点体现在：

1)产品的多样性。除从粉煤灰中提取氧化铝外，还可制备白炭黑、活性硅酸钙等硅制品。

2)物料流量相对较小。提高了粉煤灰中铝硅的比例，降低了石灰石及碳酸钠的添加量；随着熟料的减少，极大地降低了烟煤消耗，降低了中间氧化铝生产中的能耗。

3)硅钙渣排放量低。随着石灰石添加量的减少，单位产品硅钙渣的产量大幅降低，致使二次废物的产生减少。

4)简化了生产流程，降低了烧成温度，从而降低了制造、经营成本。

该技术的核心技术是预脱硅工艺，它是将粉煤灰与循环母液在一定温度下反应生成铝酸钠及硅酸钠溶液，以提高粉煤灰浆液的铝硅比，降低渣量。粉煤灰脱硅后，用脱硅液生产活性硅酸钙等硅制品，用脱硅粉煤灰碱石灰烧结法生产氧化铝。

粉煤灰预脱硅工艺采用套管加停留罐脱硅方法，主要反应为:

Al₂O₃(非晶态)+2NaOH+aq→2NaAl0₂+H₂0+aq

Si0₂(非晶态)+2NaOH+aq→NapSiO₃+H₂O+aq

NaAl0₂+Na₂S10₃→方钠石型化合物

影响粉煤灰预脱硅工艺的因素很多，包括:

脱硅温度:温度是脱硅过程中最重要的因素，粉煤灰脱硅的适宜温度为120～160℃。

脱硅时间:在粉煤灰预脱硅过程中，随着脱硅时间的增加，Al₂O₃的脱硅速率会增加，直到Al₂O₃达到最大脱硅速率为止。

循环母液碱浓度:在相同条件下，母液碱浓度越高，粉煤灰中Al₂O₃脱硅速度越快。

搅拌强度:足够的搅拌强度能使整个溶液成分趋于均匀，进而强化传质过程。

矿石细度:在一定程度上，矿石粒度越细，脱硅率越高。但太细的矿石粒度会使其难以分离和洗涤，从而增加运营成本。

四、粉煤灰预脱硅工艺装备

预脱硅+碱石灰烧结法的预脱硅工艺装备主要采用套管加停留罐脱硅工艺，其流程为:

1、在NaOH溶液中加入粉煤灰配制成粉煤灰浆。将粉煤灰浆通过进料泵送至套管预热器进行预热。

调配在粉煤灰预配出料槽内进行，粉煤灰预配出料槽与污水槽通过液下泵连接。

二级多衬套预热器是由两个相同的多衬套预热器组成，二级多内套预热器的热源是二级闪蒸器的蒸汽。二级闪蒸器由两个相同的闪蒸器组成。二级闪蒸器的冷凝水进入二次汽冷凝水罐中，通过二次汽冷凝水泵输送到热水站。多内管套管预热器内管输送料浆，外管通蒸汽。

2、粉煤灰浆预热后进入套管加热器，由新蒸汽加热，以达到脱硅温度。套管加热器的冷凝水进入新的蒸汽冷凝水罐，由新的蒸汽冷凝水泵送至热水站或热电厂。

3、达到脱硅温度的粉煤灰料浆进入保温停留罐，在保温停留罐内的停留反应，尽可能保证反应完全。

4、脱硅后，浆体进入两级闪蒸器，浆体逐级降温降压。料浆进入缓冲槽，通过缓冲泵将料浆送入粉煤灰分离及洗涤工序，采用碱石灰烧结法进一步制备氧化铝产品。

缓冲罐的料浆乏汽进入水冷乏汽回收器，该水冷式乏汽回收器对乏汽热量回收效果显著，热量被回收器35℃～37℃的低温循环水吸收，温度为48℃～52℃的废汽由回收器顶部进入热水槽后排向大气，热水槽中的热水由热水泵送至热水站。

上述工序所涉及的设备为常规生产设备，进料泵、缓冲泵均选用渣浆泵，二次汽冷凝水泵、新汽冷凝水泵选用普通的清水泵，多内管套管预热器和多内管套管加热器均采用星型结构的多内管套管。

粉煤灰的管道加停留罐脱硅方法中管道，即指二级多内管套管预热器和多内管套管加热器。

五、预脱硅碱石灰烧结法的优势和应用

预脱硅碱石灰烧结法通过利用高铝粉煤灰等废弃物生产氧化铝产品，不仅可实现废弃物资源化，节约铝土矿资源，而且还可保护环境，减少土地占用。该技术具有以下优势：

1、生产中间产品氧化铝过程中外排的硅钙渣，洗涤回收其有用附液后，成为优质的水泥生产原料，能实现固体废弃物二次资源化，从而在氧化铝生产行业实现固体废弃物的零排放。

2、中间产品的全部回收再利用，生产过程的中间产品为白炭黑和活性硅酸钙，两种产品在国内国际市场均有广阔的应用前景。正是该产品的开发，使氧化铝生产过程得以循环进行。石灰烧结过程会产生的大量CO₂，本技术通过对CO₂气体进行洗涤压缩，回用于白炭黑和氧化铝生产系统碳分分解工段，既解决了大气和环境的污染，又使资源得以完全利用。

3、固体废弃物的利用，生产过程中的硅钙渣能作为生产水泥的原料，能实现二次利用；石灰乳制备过程中产生的消化渣，主要是未分解的石灰石等，直接送生料浆磨制，在氧化铝生产系统回用；煤气发生炉气化后的炉渣，其性质与锅炉房的炉渣相似，对环境无不良影响，可用于粉煤灰生产氧化铝系统；经过电除焦处理的焦油储存于罐内，在初始铝硅合金工段回用。

参考文献：

[1]毕诗文.氧化铝生产工艺[M].北京:化学工业出版社，材料科学与工程出版中心，2015:25-43．

[2]吴正严.粉煤灰利用手册[M].北京:中国电力出版社，2015:488-497.

[3]董菲.采用粉煤灰为原料生产氧化铝脱硅工艺及装备[J].有色矿冶,2016(03).