燃煤电厂粉煤灰提取氧化铝技术研究

摘要： 本文分析了粉煤灰目前综合利用的现状及粉煤灰中提取氧化铝的工艺方法，指出其存在的缺点和问题，并采用多种试验方法对燃煤电厂粉煤灰特性的分析，有针对性地提出氧化铝提取的最佳技术方案。

Abstract： This paper analyzes the current situation of comprehensive utilization of fly ash and the process for extracting alumina from fly ash， pointing out its shortcomings and problems， and uses a variety of test methods for the analysis of fly ash characteristics in coal-fired power plant， and puts forward the best technical solution for extracting alumina.

关键词： 粉煤灰；氧化铝；浸取

Key words： fly ash；alumina；leaching

中图分类号：TQ133.1 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）25-0027-02

1 粉煤灰综合利用现状

现阶段，全球对粉煤灰的研究与应用，在技术层面上主要分为高、中、低三方面：①低技术领域的应用：用于筑路、矿井回填、土壤改良等；②中技术领域的应用：用作混凝土掺和料、水泥混合材料等建筑材料；③高技术领域的应用：矿物质的分选利用、金属的提取、陶瓷的生产、在塑料工业及冶金工业方面的应用等。

近两年，粉煤灰在中低领域的应用比较普遍，而且这方面的技术研究已趋于成熟。但粉煤灰中的常规金属与战略金属的利用率仍然较低，这十分不利于粉煤灰应用领域的拓展。为提高粉煤灰中的常规金属与战略金属的利用率，工业领域又出现了粉煤灰在高技术领域应用的技术研究。

2 粉煤灰中提取Al2O3工艺现状

粉煤灰中包含Na2O、TiO2、C、Fe2O3、MgO、Al2O3、K2O、SO2、CaO、SiO2和其它多种微量元素。其中SiO2和Al2O3的含量大概是80%（质量分数），主要以SiO2-Al2O3键结合，必须破坏SiO2-Al2O3键，才可以使Al2O3溶出。以下是关于粉煤灰的实验研究：

①硫酸铵烧结法不仅耗时长，实验要求甚严，而且造价过高。②石灰石烧结法要求在1260°C～1440°C温度条件下持续高温煅烧4～6小时，能耗高，但铝回收率低；碱溶阶段产渣量太多，较低的碱回收率与较高的成本支出不对称。此外，废渣中存在大量的碱，会增加硅钙渣大灰量利用难度，且破坏其应用性能，很难达到工业化的要求。③碱石灰烧结法要求在1100°C的高温环境下持续煅烧至少两小时，也属于高耗能烧结法。该方法与上一烧结法十分相似，铝浸出率和碱回收率都很差，且烧结中会产生大量废渣，很难实现工业化。④酸碱联合法：它是当前氧化铝回收技术中应用效果较好的方法。前期碱熔烧结阶段能耗低，但浸出环节会消耗过量的酸，酸与碱发生反应后无法有效回收碳酸钠。由此可见，酸碱联合法虽然应用效果优于前三种烧结法，但工业化水平低。⑤氟化铵助溶法有效解决了高温烧结的问题，能耗大大降低，因此工业成本较低。除此之外，该方法氧化铝的溶出率及纯度都明显高于以上四种方法，但氧化铝在含有氟化铵和氧化铝的滤液分流中极易大量流失。⑥微波助溶法应用的是高温烧结-微波辐射原理，虽然溶出率高，但工艺流程复杂，造价高。

3 研究目的及实验过程

3.1 研究目的内容 ①分析选取电厂中水资源，并实验室模拟用水进行实验。②粉煤灰煅烧实验，分析对比不同助熔剂、煅烧温度、时间以及不同配料比对Al2O3浸出率的影响，从而确定煅烧阶段的最佳技术参数。③浸取实验环节，采取不同浸取溶液、浸取液浓度及固液比，实验研究Al2O3浸出率，最终确定一种浸出率较高的方法。④分离实验，在提取Al2O3的同时，得到硅胶、铁红等副产品，实验探索分离工艺方法，确定最佳工艺参数，以提高粉煤灰的综合利用率。⑤回收实验，实验中回收碳酸钠、盐酸，原料重复利用，以减少成本开支。

3.2 实验方法 根据实验室最佳煅烧实验结果，选取粉煤灰以碳酸钠为配料1：2混合在800°C煅烧30min的混合物，采用氢氧化钠、水和盐酸三种不同溶液、采取不同浓度及固液比浸取，分别测定浸取液中铝的含量，通过实验确定最佳浸取条件。

3.3 Al2O3浸提实验

3.3.1 NaOH溶液浸取 ①分别采用0%、1%、2%、3%、4%NaOH溶液，99°C水浴加热浸取1h后计算氧化铝浸出率。当NaOH的浓度为0%和4%时，Al2O3的浸出率分别是35.59%、71.85%。实验结果显示Al2O3的浸出率随NaOH溶液浓度的增大而增大。②固液比对浸出率的影响。称取固体烧结样分别加入 4%NaOH溶液实验，当固液比达到60g/L时，Al2O3浸出率达到40.29%；固液比小于7.5g/L时，浸出率高达90%，Al2O3的浸出率随固液比的增大而减小，且随固液比的变化浸取率的变化不太明显，浸取基本平衡。③连续浸取条件下的浸出率。固液比为60g/L时连续浸取5次，第一次到最后一次Al2O3的浸取率从33.41%下降到3.46%，但次5次的总浸出率达到了68%。五次浸取共用250ml、4%氢氧化钠溶液，一次浸取的固液比相当于12g/L，此结果与固液比为15g/L时Al2O3的浸出率大致相同。这表明一次浸取比分次浸取的浸出率高。

3.3.2 水浸取 ①固液比对浸出率的影响。以碳酸钠为配料煅烧粉煤灰，反应生成物有一部分是可溶于水的，即NaSiO3和NaAlO2。溶液内的NaSiO3和NaAlO2随着固液比的增加而逐渐增多，二者发生化学反应后生成难溶于碱的沉淀物，降低了Al2O3的浸出率。当固液比为100g/L时，氧化铝的水浸取浸出率为23.82%，固液比从10g/L～100g/L时，Al2O3浸出率只降低了10个百分点。基于实验中用水量和浓缩环节降低能耗的考量，水浸取的固液比最终设定为100g/L。②浸取时间对浸出率的影响。氧化铝的浸出率会随浸取时间的延长而逐渐提高。半小时以内的氧化铝浸出率变化很明显，但半小时之后，浸出率几乎不会再变。③连续浸取条件下的浸出率。固液比设定为50g/L，连续浸取3次，水浸取氧化铝的浸出率比4%NaOH溶液浸取的浸出率低很多，且逐次下降，总浸出率还不到30%。3次浸取用水量为1800ml，一次浸取的固液比是16.7g/L，这与固液比为30g/L的条件下Al2O3浸出率相差无几。

3.3.3 盐酸浸取 ①盐酸浓度对浸出率的影响。盐酸浓度为1mol/L、4mol/L时，所得到的浸出率结果分别是1.54%、61.30%；当盐酸浓度为1～4mol/L时，浸出率会发生明显的变化；盐酸浓度为4～12mol/L的条件下，Al2O3浸出率变化不大。Al2O3的浸出率随盐酸浓度的增大而增大，考虑到盐酸浓度在6mol/L以下时，很难对硅胶进行过滤，因而将盐酸浸取最佳浓度设定为6mol/L。②固液比对浸出率的影响。氧化铝浸出率的变化与固液比成正比。固液比为1：1～1：4的情况下，浸出率变化十分明显；固液比为1：1及1：4时，浸出率从0.67%上升到了58.27%；但是在固液比为1：4～1：8的条件下，浸出率几乎不变。③反应时间对浸出率的影响。氧化铝浸出率随反应时间的变化基本不变。考虑到反应时间在10min以内时，硅胶过滤困难，因此选定盐酸浸取的最佳时间为10min。

4 结论

①氢氧化钠浸取时，Al2O3的浸出率较高；当固液比小于7.5g/L时，浸出率可达90%以上；加大固液比，浸出率降低；要想获得较高的浸出率也将耗费大量的碱液。②水浸取时，固液比对其影响较小，当固液比从10g/L增大到100g/L时，Al2O3的浸出率仅减小了10%左右；浸取时间为30min时，基本达到浸取平衡。③将水浸取后的残渣用酸浸取，用5倍6mol/L盐酸浸取时可达到较高的浸出率。采用二次溶出法，先水浸后酸浸，不仅可以降低盐酸的用量，而且还可以回收剩余的碳酸钠，从而提高原料的循环利用率、降低成本。

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