近年来，随着我国铝土矿资源的日益短缺和国外铝土矿进口的限制，高铝粉煤灰生产氧化铝产业前景十分广阔。高铝粉煤灰提取氧化铝工艺可分为酸法和碱法两大类：碱法工艺建立在传统铝土矿碱石灰烧结法基础之上，工艺路线成熟、设备可靠、人才储备丰富，未知困难少，产业化发展优势明显，是未来高铝粉煤灰提取氧化铝产业化发展的主要方向；酸法工艺为高铝粉煤灰提取氧化铝产业化的发展开辟了一条新途径，值得进行更深入的研究。截至2014年底，我国利用高铝粉煤灰提取氧化铝共有4套装置，合计产能为40.8万吨，预计到2017年还将有4套新装置投产，其产能为95万吨，届时我国利用高铝粉煤灰提取氧化铝装置产能将达到135.8万吨。
高铝粉煤灰提取氧化铝产业前景广阔
□ 内蒙古大唐国际再生资源开发有限公司 闫学良 安爱文 内蒙古日盛再生资源有限公司 王志平
利用粉煤灰提取氧化铝技术最早起源于波兰，并于上世纪六十年代成功应用于工业生产，国内许多科研单位和企业也自上世纪六十年代开始探索和研究利用粉煤灰生产氧化铝的工艺技术，但由于各种原因，都未能取得突破。近年来，经科技攻关与产业化探索，利用高铝粉煤灰生产氧化铝的工艺技术方面取得了积极进展。
根据工艺路线中主要循环介质的酸、碱性质，高铝粉煤灰提取氧化铝工艺可分为酸法和碱法两大类。采用碱法技术的企业有：大唐集团的“预脱硅-碱石灰烧结法”、蒙西集团的“石灰石烧结-低温拜耳法”、中铝公司的“碱石灰烧结法”、中煤集团的“粉煤灰预脱硅-铝土矿碱石灰烧结法”；采用酸法技术的企业有：神华集团的“盐酸法”、内蒙古开元生态铝业有限公司和华电集团的“硫酸铵法”。
工艺路线百花齐放
大唐集团“预脱硅-碱石灰烧结法”工艺原理是根据高铝粉煤灰主要由微晶莫来石与二氧化硅玻璃相组成的结构特性，首先用氢氧化钠溶液脱除高铝粉煤灰中玻璃态二氧化硅，提高粉煤灰铝硅比，脱硅液添加石灰乳制备活性硅酸钙并回收氢氧化钠溶液；脱硅后的粉煤灰采用碱石灰烧结法制备氧化铝，排出的硅钙渣作为水泥混合材原料或脱碱之后用于生产水泥。
蒙西集团的“石灰石烧结-低温拜耳法”工艺原理是在粉煤灰中加入石灰石煅烧，熟料经自粉化后溶出，再利用拜耳法制取氧化铝。其主要工序包括: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、拜耳法溶出、种分、氢氧化铝分离及焙烧和水泥熟料锻烧等。
中铝公司的“碱石灰烧结法”借鉴传统铝土矿碱石灰烧结法，使用粉煤灰代替铝土矿为原料，通过将粉煤灰中氧化铝烧结转化为铝酸钠固体，再通过溶出、脱硅、碳分、种分、焙烧等生产氧化铝。
中煤集团的“预脱硅-铝土矿碱石灰烧结法”工艺原理基本与大唐集团“预脱硅-碱石灰烧结法”相似，不同之处在于该工艺添加铝土矿提高生料浆铝硅比，便于进行熟料烧结和降低能耗、脱硅液用于生产白炭黑。
神华集团的“盐酸法”工艺技术流程为：酸溶粉煤灰，滤渣经过提纯生产氧化硅，滤液经过蒸发结晶、焙烧生产氧化铝，在生产氧化铝过程中提取镓，酸气经处理循环利用。
内蒙古开元生态铝业有限公司和华电集团的“硫酸铵法”工艺原理是将粉煤灰与硫酸铵混合焙烧，粉煤灰中的氧化铝与硫酸铵反应生成可溶于水的硫酸铝铵，粉煤灰中的氧化硅不和硫酸铵反应，从而将粉煤灰中的氧化铝和氧化硅分离。
根据各工艺路线的产业化进展情况，对已取得一定工业化试验和产业化成果的主要工艺路线的主要技术指标进行对比，对比结果见表1。
表1 各种高铝粉煤灰生产氧化铝生产工艺主要技术指标对比
指标 单位 预脱硅- 酸法② 硫酸铵法③ 石灰石烧结-
碱石灰烧结法① 拜耳溶出法③
粉煤灰消耗 kg /t.Al2O3 2733 2350 2500 3300
碱消耗 kg/t.Al2O3 100 － 15 15
盐酸消耗 kg/t.Al2O3 － 240 － －
硫酸铵消耗 kg/t.Al2O3 － － 40 －
石灰石消耗 kg/t.Al2O3 3300 － － 9000
烧成煤消耗 kg/t.Al2O3 1025 － － 2100
无烟煤消耗 kg/t.Al2O3 107 － － －
煤气煤消耗 kg/t.Al2O3 240 － － －
天然气消耗 Nm3/t.Al2O3 － － 89.0 92.8
煤气消耗 Nm3/t.Al2O3 － 1337 － －
新水消耗 m3/t.Al2O3 9.10 4.41 3.10 15.00
新蒸汽消耗 t/t.Al2O3 7.64 2.46 27.00 5.00
电耗 kwh/t. Al2O3 700 182 750 800
氧化铝回收率% 85.0 84.8 <80.0 <70.0
单位造价 元/ t. Al2O3 8333 － － 6250
单位成本 元/ t. Al2O3 2700 － － 2800
注：①预脱硅-碱石灰数据来自《中国国际工程咨询公司关于内蒙古大唐国际再生资源开发有限公司高铝粉煤灰提取氧化铝的技术经济评价意见》；②酸法数据来自《神华准格尔矿区煤炭伴生资源循环经济产业发展规划》；③硫酸铵法及石灰石烧结法数据来自《内蒙古鄂尔多斯高铝煤炭资源高效循环利用专项规划》。
即将进入扩能高峰期
大唐集团预脱硅-碱石灰烧结法技术路线于2008年完成年产3000吨级氧化铝的工业化中试，该技术的产业化项目内蒙古大唐国际再生资源开发有限公司年产20万吨氧化铝示范项目2010年8月30日打通工艺流程产出产品，于2012年7月通过中国国际工程咨询公司组织的技术经济评价，2012年9月，系统达到100%负荷连续生产；2013年3月，大唐集团下属内蒙古大唐国际鄂尔多斯硅铝科技有限公司利用高铝粉煤灰年产50万吨氧化铝项目得到国家发改委大路条；2014年10月，内蒙古大唐国际再生资源开发有限公司年产20万吨氧化铝示范项目氧化铝变动成本低于2000元，与使用铝土矿生产氧化铝变动成本基本持平。
蒙西集团石灰石烧结-低温拜耳法是借鉴波兰粉煤灰石灰石烧结法技术研发而成，于2004年完成工业化试验。2006年，年产40万吨氧化铝项目经国家发改委核准立项。后由于多种原因，该项目开工后处于缓建状态。迫于各方压力，蒙西集团于2011年7月重新启动该项目，2013年年初完成一期年产20万吨生产线的建设，2013年6月进行试车，截至2014年10月，尚未实现大规模连续化生产。
中铝公司粉煤灰碱石灰烧结法工艺由中铝公司轻金属研究院完成研发和设计。由于工艺成熟，未进行工业化试验，计划直接建设规模为年产20万吨氧化铝生产线，于2012年3月启动，2012年10月施工单位进入现场，进行了部分基础建设，后由于中铝公司资金原因和氧化铝行业形势，该项目暂缓建设。
中煤集团粉煤灰预脱硅-铝土矿碱石灰烧结法是借鉴大唐预脱硅-碱石灰烧结法技术路线进行改进而成，建设规模为20万吨氧化铝生产线，目前主要进行预脱硅部分中试，生产硅产品为白炭黑，脱硅灰暂时堆存，氧化铝部分已开工建设，尚未完全投产。
神华集团盐酸法工艺路线是神华集团与吉林大学联合开发而成，于2010年10月正式进行年产4000吨氧化铝中试建设，2011年8月中试线投产，截至2012年11月，生产氧化铝12.6吨，由于生产的氧化铝达不到电解铝生产要求，正在开发新的电解技术。同时神华集团北京低碳研究所正在开发碱法生产技术。
内蒙古开元生态铝业有限公司采用自主开发的硫酸铵法提取氧化铝技术，2011年开始建设年产4000吨中试线，2012年8月建成试车，但一直没有打通工艺流程。
内蒙古华电集团采用东北大学开发的硫酸铵法提取氧化铝技术，计划建设年产5000吨氧化铝中试线和年产5万吨生产线，目前处于设计和设备招标阶段。
截至2014年底，我国利用粉煤灰提取氧化铝共有4套装置，合计产能为40.8万吨，预计到2017年还将有4套新装置投产，其产能为95万吨，届时我国利用高铝粉煤灰提取氧化铝装置产能将达到135.8万吨。装置详细情况见表2。
表2 我国利用高铝粉煤灰提取氧化铝主要装置情况 万吨
企业名称 产能 投产（预计投产）时间 工艺路线
内蒙古大唐国际再生资源 20.0 2010年8月 预脱硅-碱石灰烧结法
开发有限公司
神华集团 0.4 2011年8月 盐酸法
内蒙古开元生态铝业有限公司 0.4 2012年8月 硫酸铵法
蒙西集团 20.0 2013年6月 石灰石烧结-低温拜耳法
中煤集团 20.0 2015年10月 预脱硅-铝土矿碱石灰烧结法
中铝公司 20.0 2016年10月 粉煤灰碱石灰烧结法
内蒙古大唐国际鄂尔多斯硅铝 50.0 2017年06月 预脱硅-碱石灰烧结法
科技有限公司
内蒙古华电集团 5.0 2017年06月 硫酸铵法
合计 135.8 - -
项目优势不一而足
大唐集团预脱硅-碱石灰烧结法是目前世界上唯一实现大型产业化的粉煤灰提取氧化铝技术，具有先发优势，后续年产50万吨氧化铝项目已得到国家支持，同时副产品开发方面也取得突破性进展：硅酸钠溶液生产4A沸石已实现产业化，内蒙古日盛再生资源有限公司利用再生资源公司脱硅液建成一期12万吨4A沸石生产线，二期12万吨生产线正在筹建；活性硅酸钙用于生产硅钙板已实现产业化，呼和浩特豪邦隔热材料粉煤灰提取氧化铝工业废渣综合利用项目年产保温板5万立方、年产复合保温板30万立方，年产保温墙体砌块30万立方3条生线及配套设施工程已开工建设；活性硅酸钙用于造纸、橡塑填料已完成工业化试验；硅钙渣用于生产水泥混合材已实现产业化，托克托强盛再生资源有限公司年产10万吨水泥混合材项目已建成投产。
中铝公司粉煤灰碱石灰烧结法技术，与预脱硅-碱石灰烧结法类似，只是少了预脱硅环节，粉煤灰直接进行烧结，除熟料溶出有一定的创新外，基本借鉴成熟的铝土矿碱石灰烧结技术，工艺成熟、设备可靠，工业化难度小，同时副产的硅产品只有一种，硅产品无需进行市场开拓。
中煤集团粉煤灰预脱硅-铝土矿碱石灰烧结法，粉煤灰预脱硅之后，为了提高生料浆铝硅比，特别配入铝土矿，然后采用传统的碱石灰烧结工艺，工艺技术成熟，同时利用脱硅液生产白炭黑，白炭黑产品为市场成熟产品，市场潜力较大。
蒙西集团石灰石烧结法技术，采用水泥行业成熟的干法烧结技术，熟料烧结工艺能耗较湿法烧结低，熟料为无碱粉化熟料，硅钙渣中含碱量低，可直接满足水泥生产需求。
神华集团一步酸溶法，优点是粉煤灰中的二氧化硅不会被浸出到溶液中，因此无需脱硅工艺，工艺流程短，物料流量小，对粉煤灰做减量提取，废渣量少。
开元生态和华电集团硫酸铵法提取氧化铝技术，该方法最大的优点在于在处理粉煤灰的过程中没有加入其它固体脱硅材料，对粉煤灰做减量提取，没有增量，废渣较少；同时熟料烧结温度较低，对设备腐蚀性相较酸法小。
工业化技术仍有优化空间
大唐集团预脱硅-碱石灰烧结法工艺，粉煤灰虽经过预脱硅工序，但由于粉煤灰本身二氧化硅含量高，脱硅后粉煤灰铝硅比仍高于铝土矿，因此能耗较铝土矿生产氧化铝适当偏高，此外，产生的硅钙渣需要进行烘干才能生产水泥混合材，如果要生产水泥熟料，则必须要投入脱碱工序，能耗和成本增加。
中铝公司粉煤灰碱石灰烧结法工艺，未设预脱硅工序，直接进行低铝硅比烧结，能耗和成本相较铝土矿生产氧化铝更高，此外硅钙渣量偏大，是预脱硅-碱石灰烧结法的1.6倍以上，拟不处理进行堆存，不符合循环经济和环保要求。
中煤集团粉煤灰预脱硅-铝土矿碱石灰烧结法，配入大量铝土矿，降低能耗和生产成本，但已不属于粉煤灰综合利用，发展受政策限制，同时生产的白炭黑虽可有效解决了硅产品的出路问题，但是白炭黑生产加入了酸，对预脱硅母液的循环带来较大影响。
蒙西集团石灰石烧结法物料流量大、能耗高，导致生产成本高，同时产生硅钙渣量是预脱硅-碱石灰烧结法3倍以上，如后续无大型水泥厂配套，项目运行难度大，同时由于熟料中氧化铝含量低，溶出粗液中氧化铝含量低，使用当前成熟的脱硅、分解工艺难以生产出合格的氧化铝，因此，必须嫁接拜耳法生产工艺才能生产出合格的氧化铝。
神华集团一步酸溶法对设备耐腐蚀要求高，设备大型化困难，生产的产品难以满足电解需求，此外无大型工业化经验，产业化路程长。酸法处理粉煤灰时浸出所得含氧化铝溶液中会混有其他金属离子，需要复杂的提纯工艺才能保证氧化铝产品的质量；而且酸难以循环利用，酸法处理粉煤灰后，一部分酸留在液相中，而大部分酸变成了相应的盐，这部分酸难以回到浸出系统循环利用；此外，通常情况下酸浸提取氧化铝时需要添加氟化物做助溶剂，在助溶过程中会产生HF 等有害气体，不但污染环境，而且对操作人员存在安全隐患；更为严重的是，酸法对设备材质要求苛刻，成为制约酸法发展的关键因素。
开元生态和华电集团硫酸铵法工艺烧结难度大，尚未找到适合烧结的设备，工业化试验还未取得突破，同时必须嫁接拜耳法生产线，导致流程长，能耗物耗高。
展望
粉煤灰是我国工业化进程中排放量最大的固体废弃物，粉煤灰的综合利用有巨大的社会效益、环境效益和经济效益，国家2013年1月修订了《粉煤灰综合利用管理办法》，对粉煤灰提取氧化铝等高附加值利用提供了更多的政策支持，同时随着我国铝土矿资源的日益短缺和国外铝土矿进口的限制，高铝粉煤灰提取氧化铝产业前景十分广阔。
近年来开发的碱法和酸法工艺，碱法工艺建立在传统铝土矿碱石灰烧结法基础之上，工艺路线成熟、设备可靠、人才储备丰富，未知困难少，产业化发展优势明显，是未来高铝粉煤灰提取氧化铝产业化发展的主要方向；酸法工艺为高铝粉煤灰提取氧化铝产业化的发展开辟了一条新途径，值得进行更深入的研究。