我國是全球第一產(chǎn)鋁大國，2008年產(chǎn)出原鋁1318萬噸，占全球總產(chǎn)量的33.4％；同時也是全球第一消費(fèi)大國，2008年消費(fèi)量達(dá)1260萬噸，占全球總消費(fèi)量的32.89％。但我國鋁土礦資源量卻只占全球的3％，另一方面，粉煤灰開發(fā)利用是國內(nèi)重要鋁資源之一，相當(dāng)于一個特大型鋁礦。如能加大投資力度，其潛力、前景不可限量。
高附加值利用尚未形成產(chǎn)業(yè)規(guī)模
近年來，科技工作者著眼于粉煤灰理化特性，進(jìn)行高技術(shù)含量、高附加值產(chǎn)品研發(fā)，從粉煤灰中提取氧化鋁、羥基硅、固態(tài)鋁酸鈉、硅酸鋁、硅酸鉀、莫來石、水泥助磨劑、稀土農(nóng)肥等，已日益為人們所重視，前景十分廣闊。
粉煤灰的化學(xué)成分主要是二氧化硅、三氧化二鋁、三氧化二鐵、二氧化鈦、氧化鎂、氧化鈣以及其他堿金屬氧化物和稀有元素。其中三氧化二鋁含量較高的粉煤灰被稱為高鋁粉煤灰，具有很高的開發(fā)利用價值。依據(jù)目前技術(shù)水平，含三氧化二鋁30％以上的就可視為高鋁粉煤灰。
普通粉煤灰三氧化二鋁含量平均為25％～28％，我國35處粉煤灰樣品三氧化二鋁平均含量為27.1％。國外粉煤灰亦大體類似，日本粉煤灰三氧化二鋁平均含量為25.86％，美國為20.81％，英國為26.99％，德國為24.93％，只有波蘭高達(dá)32.39％。
上世紀(jì)60年代，波蘭人曾以石灰石燒結(jié)法制取氧化鋁，我國安徽、寧夏、江蘇等地也曾以類似方式作過試驗(yàn)，在提取氧化鋁同時生產(chǎn)活性硅酸鈣，但未能形成規(guī)模產(chǎn)業(yè)。
技術(shù)研發(fā)不斷突破，應(yīng)用領(lǐng)域不斷開拓
經(jīng)國家發(fā)改委批準(zhǔn)，兩年前，內(nèi)蒙古鄂爾多斯以高鋁粉煤灰為原料，用石灰石燒結(jié)法在制取氧化鋁同時聯(lián)產(chǎn)水泥項目成功實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。項目投資18億元，年產(chǎn)氧化鋁40萬噸，近期即將投產(chǎn)。去年初，大唐國際托克托電廠與同方環(huán)境公司合作，利用托克托電廠粉煤灰制取氧化鋁聯(lián)產(chǎn)羥基硅及電熱法煉制鋁硅鈦合金技術(shù)成果發(fā)布。托克托電廠年耗煤1600萬噸，排放粉煤灰400萬噸，灰中氧化鋁含量高達(dá)54％以上，在提取羥基硅后三氧化二鋁/二氧化硅(A /S)達(dá)2.2。如用于制取氧化鋁，回收率按85％計，每2.2噸粉煤灰即可制取1噸氧化鋁，400萬噸灰可產(chǎn)出180萬噸氧化鋁，這比山東“非中鋁”企業(yè)用進(jìn)口礦石生產(chǎn)氧化鋁還更具有優(yōu)勢(每3噸礦石產(chǎn)出氧化鋁1噸)。
此外，河南鞏義成功進(jìn)行了運(yùn)用常溫常壓波加速溶出新技術(shù)將粉煤灰與廢棄低品位鋁土礦制取氧化鋁的半工業(yè)化試驗(yàn)，鄭州龍昌公司利用上述技術(shù)從粉煤灰中提取羥基硅的小型試驗(yàn)也獲得成功，羥基硅成本不到2000元/噸，所產(chǎn)未經(jīng)脫水羥基硅以3000元/噸售出。這些技術(shù)為粉煤灰高附值開發(fā)利用打下了基礎(chǔ)。
粉煤灰的另一個高附加值開發(fā)利用領(lǐng)域是電熱熔煉鋁硅鈦合金和鋁硅鐵合金。氧化鋁含量大于30％的粉煤灰用作煉制鋁硅鐵時可煉得含鋁40％以上的合金，除了用于煉鋼脫氧外，還可取代硅鐵用作煉鎂還原劑。
煉制鋁硅鐵合金，應(yīng)力求提高合金中鋁含量，降低鐵含量。焦作李封鐵合金廠，試生產(chǎn)期間產(chǎn)出的鋁硅鐵成分平均如下:硅為34％，鐵為12.5％，鋁為47.8％，鈦為3.3％。鄭州輕金屬研究院曾以鋁硅鐵取代硅鐵作還原劑煉鎂，試驗(yàn)所采用的鋁硅鐵合金成分為:鋁含量35.41％，硅含量41.54％，鐵含量16.76％。還原溫度1100℃時，鎂收率為65.5％。與當(dāng)時以75硅鐵為還原劑煉鎂的各項指標(biāo)相比，還原劑單耗略有降低，鎂收率則提高5％～6％，溫度降低50℃，具有一定優(yōu)勢。
利用途徑多樣，節(jié)能減排優(yōu)勢明顯
我國具有高鋁粉煤灰資源優(yōu)勢，除了內(nèi)蒙古外，還有“煤都”山西朔州。朔州煤儲量423億噸，年產(chǎn)煤上億噸，煤灰中氧化鋁含量高于高嶺土，而氧化鐵含量卻相對較低。經(jīng)對平魯一礦、二礦及懷仁煤礦等3個煤礦煤灰的化學(xué)成份進(jìn)行化驗(yàn)分析，氧化鋁含量依次為:45.73％，41.24％，54.22％；氧化鐵含量分別為:2.4％，0.44％，0.8％。此外，經(jīng)驗(yàn)證，煤矸石中氧化鋁含量亦在40％以上。朔州的南鄰原平，電廠排放粉煤灰氧化鋁含量也高達(dá)40％，并有大量廢棄鋁土礦。
以粉煤灰為主要原料，電熱熔煉鋁硅中間合金，以原鋁或再生鋁進(jìn)行稀釋，配制各種牌號鋁硅合金，不僅是綜合利用環(huán)保項目，而且與以原鋁或再生鋁與工業(yè)硅重熔合成的鋁硅合金相比，成本低，可節(jié)省能耗約20％，減排大量二氧化碳及固體廢棄物，降低建設(shè)用地和投資，還可大大改善產(chǎn)品質(zhì)量，提高產(chǎn)品成品率，是國家政策支持的項目。
雖然如此，但鋁硅合金畢竟是高能耗產(chǎn)品，其適用范圍有一定局限性。一般說來，在高鋁粉煤灰出產(chǎn)地、電力充裕電價低的地區(qū)、電鋁聯(lián)營企業(yè)，以及因政策規(guī)定進(jìn)入門檻提高而被迫停產(chǎn)、有閑置適用(便于改造)的礦熱爐、整流設(shè)備的企業(yè)，都是其用武之地。在不具備發(fā)展、推廣條件的地區(qū)、企業(yè)，筆者認(rèn)為仍應(yīng)以通常方式開發(fā)利用，如上所述，利用粉煤灰生產(chǎn)氧化鋁、羥基硅、固態(tài)鋁酸鈉等高附加值產(chǎn)品，既可大批量消化粉煤灰，又有著可觀的經(jīng)濟(jì)效益。(作者系中國鋁冶煉技術(shù)開發(fā)中心專家顧問)
■相關(guān)鏈接 利用率僅為發(fā)達(dá)國家一半
對燃煤電廠而言，粉煤灰曾是一大包袱。近年來，隨著循環(huán)經(jīng)濟(jì)的推行、發(fā)展，國家鼓勵政策陸續(xù)出臺，特別是粉煤灰綜合利用技術(shù)的新發(fā)展，情況有所改變，但因舊灰堆存量大，新灰利用率仍較低(國內(nèi)粉煤灰利用率只有40％，是發(fā)達(dá)國家利用率的一半)，全國每年仍有約兩億噸新灰未被消化。因而，如何開展綜合利用，提高利用率，使其化害為利、變廢為寶，仍然是循環(huán)經(jīng)濟(jì)的重要課題。
國內(nèi)目前粉煤灰的綜合利用方式，仍以大批量利用為主，用作建筑材料的部分占總消化量的50％以上，如粉煤灰水泥、加氣混凝土砌塊、燒結(jié)陶粒、燒結(jié)磚、蒸壓磚、輕型中空隔墻板、復(fù)合保溫外墻板、保溫屋面板、輕質(zhì)中空樓板等系列板材等；作為填充料，用于道路、機(jī)場、港區(qū)建設(shè)工程的約占總消化量的20％以上；用于農(nóng)業(yè)方面改良土壤、制取農(nóng)用肥料的約占消化量的20％以上。
煉制鋁硅鈦合金應(yīng)注意什么?
雖然鋁硅鈦合金與鋁硅鐵合金以粉煤灰為主要原料時其氧化鋁含量并無一定額度區(qū)分，但兩種合金性質(zhì)截然不同，前者是鋁合金，后者是鐵合金，鋁合金對含鐵量有嚴(yán)格要求，原料含三氧化二鐵量一般不得大于0.8％，中間合金含鐵量不大于1.2％，不是所有粉煤灰都適用。煉制鋁硅合金氧化鋁含量必須使A/S達(dá)到1.3以上才能練出含鋁55％以上的粗合金。
此外，灰的化學(xué)活性也不可忽視，化學(xué)活性差反應(yīng)速度下降，會導(dǎo)致電耗增加，產(chǎn)量降低。一般來說，灰中氧化鋁含量應(yīng)大于40％。托克托電廠所排放的灰或懷仁煤產(chǎn)出的灰，氧化鋁含量都在50％以上，可直接用于配料制團(tuán)。含氧化鋁40％以下的粉煤灰為使其A/S達(dá)到1.3以上，必須添加適量含鋁礦物，如被廢棄精選低品位鋁土礦、紅柱石、硅線石等，如無上述含鋁礦物，可先行提取羥基硅，也可使其A/S達(dá)到工藝要求。例如含氧化鋁28％以上的粉煤灰，經(jīng)高梯度除鐵后，三氧化二鐵降至0.6％以下，氧化鋁含量可提高達(dá)30％以上。若其活性良好(須經(jīng)測試)，每3噸灰可提取羥基硅1噸，產(chǎn)出渣兩噸，渣中氧化鋁A/S可達(dá)1.3以上，可用作煉制鋁硅鈦合金原料。
高附加值利用尚未形成產(chǎn)業(yè)規(guī)模
近年來，科技工作者著眼于粉煤灰理化特性，進(jìn)行高技術(shù)含量、高附加值產(chǎn)品研發(fā)，從粉煤灰中提取氧化鋁、羥基硅、固態(tài)鋁酸鈉、硅酸鋁、硅酸鉀、莫來石、水泥助磨劑、稀土農(nóng)肥等，已日益為人們所重視，前景十分廣闊。
粉煤灰的化學(xué)成分主要是二氧化硅、三氧化二鋁、三氧化二鐵、二氧化鈦、氧化鎂、氧化鈣以及其他堿金屬氧化物和稀有元素。其中三氧化二鋁含量較高的粉煤灰被稱為高鋁粉煤灰，具有很高的開發(fā)利用價值。依據(jù)目前技術(shù)水平，含三氧化二鋁30％以上的就可視為高鋁粉煤灰。
普通粉煤灰三氧化二鋁含量平均為25％～28％，我國35處粉煤灰樣品三氧化二鋁平均含量為27.1％。國外粉煤灰亦大體類似，日本粉煤灰三氧化二鋁平均含量為25.86％，美國為20.81％，英國為26.99％，德國為24.93％，只有波蘭高達(dá)32.39％。
上世紀(jì)60年代，波蘭人曾以石灰石燒結(jié)法制取氧化鋁，我國安徽、寧夏、江蘇等地也曾以類似方式作過試驗(yàn)，在提取氧化鋁同時生產(chǎn)活性硅酸鈣，但未能形成規(guī)模產(chǎn)業(yè)。
技術(shù)研發(fā)不斷突破，應(yīng)用領(lǐng)域不斷開拓
經(jīng)國家發(fā)改委批準(zhǔn)，兩年前，內(nèi)蒙古鄂爾多斯以高鋁粉煤灰為原料，用石灰石燒結(jié)法在制取氧化鋁同時聯(lián)產(chǎn)水泥項目成功實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。項目投資18億元，年產(chǎn)氧化鋁40萬噸，近期即將投產(chǎn)。去年初，大唐國際托克托電廠與同方環(huán)境公司合作，利用托克托電廠粉煤灰制取氧化鋁聯(lián)產(chǎn)羥基硅及電熱法煉制鋁硅鈦合金技術(shù)成果發(fā)布。托克托電廠年耗煤1600萬噸，排放粉煤灰400萬噸，灰中氧化鋁含量高達(dá)54％以上，在提取羥基硅后三氧化二鋁/二氧化硅(A /S)達(dá)2.2。如用于制取氧化鋁，回收率按85％計，每2.2噸粉煤灰即可制取1噸氧化鋁，400萬噸灰可產(chǎn)出180萬噸氧化鋁，這比山東“非中鋁”企業(yè)用進(jìn)口礦石生產(chǎn)氧化鋁還更具有優(yōu)勢(每3噸礦石產(chǎn)出氧化鋁1噸)。
此外，河南鞏義成功進(jìn)行了運(yùn)用常溫常壓波加速溶出新技術(shù)將粉煤灰與廢棄低品位鋁土礦制取氧化鋁的半工業(yè)化試驗(yàn)，鄭州龍昌公司利用上述技術(shù)從粉煤灰中提取羥基硅的小型試驗(yàn)也獲得成功，羥基硅成本不到2000元/噸，所產(chǎn)未經(jīng)脫水羥基硅以3000元/噸售出。這些技術(shù)為粉煤灰高附值開發(fā)利用打下了基礎(chǔ)。
粉煤灰的另一個高附加值開發(fā)利用領(lǐng)域是電熱熔煉鋁硅鈦合金和鋁硅鐵合金。氧化鋁含量大于30％的粉煤灰用作煉制鋁硅鐵時可煉得含鋁40％以上的合金，除了用于煉鋼脫氧外，還可取代硅鐵用作煉鎂還原劑。
煉制鋁硅鐵合金，應(yīng)力求提高合金中鋁含量，降低鐵含量。焦作李封鐵合金廠，試生產(chǎn)期間產(chǎn)出的鋁硅鐵成分平均如下:硅為34％，鐵為12.5％，鋁為47.8％，鈦為3.3％。鄭州輕金屬研究院曾以鋁硅鐵取代硅鐵作還原劑煉鎂，試驗(yàn)所采用的鋁硅鐵合金成分為:鋁含量35.41％，硅含量41.54％，鐵含量16.76％。還原溫度1100℃時，鎂收率為65.5％。與當(dāng)時以75硅鐵為還原劑煉鎂的各項指標(biāo)相比，還原劑單耗略有降低，鎂收率則提高5％～6％，溫度降低50℃，具有一定優(yōu)勢。
利用途徑多樣，節(jié)能減排優(yōu)勢明顯
我國具有高鋁粉煤灰資源優(yōu)勢，除了內(nèi)蒙古外，還有“煤都”山西朔州。朔州煤儲量423億噸，年產(chǎn)煤上億噸，煤灰中氧化鋁含量高于高嶺土，而氧化鐵含量卻相對較低。經(jīng)對平魯一礦、二礦及懷仁煤礦等3個煤礦煤灰的化學(xué)成份進(jìn)行化驗(yàn)分析，氧化鋁含量依次為:45.73％，41.24％，54.22％；氧化鐵含量分別為:2.4％，0.44％，0.8％。此外，經(jīng)驗(yàn)證，煤矸石中氧化鋁含量亦在40％以上。朔州的南鄰原平，電廠排放粉煤灰氧化鋁含量也高達(dá)40％，并有大量廢棄鋁土礦。
以粉煤灰為主要原料，電熱熔煉鋁硅中間合金，以原鋁或再生鋁進(jìn)行稀釋，配制各種牌號鋁硅合金，不僅是綜合利用環(huán)保項目，而且與以原鋁或再生鋁與工業(yè)硅重熔合成的鋁硅合金相比，成本低，可節(jié)省能耗約20％，減排大量二氧化碳及固體廢棄物，降低建設(shè)用地和投資，還可大大改善產(chǎn)品質(zhì)量，提高產(chǎn)品成品率，是國家政策支持的項目。
雖然如此，但鋁硅合金畢竟是高能耗產(chǎn)品，其適用范圍有一定局限性。一般說來，在高鋁粉煤灰出產(chǎn)地、電力充裕電價低的地區(qū)、電鋁聯(lián)營企業(yè)，以及因政策規(guī)定進(jìn)入門檻提高而被迫停產(chǎn)、有閑置適用(便于改造)的礦熱爐、整流設(shè)備的企業(yè)，都是其用武之地。在不具備發(fā)展、推廣條件的地區(qū)、企業(yè)，筆者認(rèn)為仍應(yīng)以通常方式開發(fā)利用，如上所述，利用粉煤灰生產(chǎn)氧化鋁、羥基硅、固態(tài)鋁酸鈉等高附加值產(chǎn)品，既可大批量消化粉煤灰，又有著可觀的經(jīng)濟(jì)效益。(作者系中國鋁冶煉技術(shù)開發(fā)中心專家顧問)
■相關(guān)鏈接 利用率僅為發(fā)達(dá)國家一半
對燃煤電廠而言，粉煤灰曾是一大包袱。近年來，隨著循環(huán)經(jīng)濟(jì)的推行、發(fā)展，國家鼓勵政策陸續(xù)出臺，特別是粉煤灰綜合利用技術(shù)的新發(fā)展，情況有所改變，但因舊灰堆存量大，新灰利用率仍較低(國內(nèi)粉煤灰利用率只有40％，是發(fā)達(dá)國家利用率的一半)，全國每年仍有約兩億噸新灰未被消化。因而，如何開展綜合利用，提高利用率，使其化害為利、變廢為寶，仍然是循環(huán)經(jīng)濟(jì)的重要課題。
國內(nèi)目前粉煤灰的綜合利用方式，仍以大批量利用為主，用作建筑材料的部分占總消化量的50％以上，如粉煤灰水泥、加氣混凝土砌塊、燒結(jié)陶粒、燒結(jié)磚、蒸壓磚、輕型中空隔墻板、復(fù)合保溫外墻板、保溫屋面板、輕質(zhì)中空樓板等系列板材等；作為填充料，用于道路、機(jī)場、港區(qū)建設(shè)工程的約占總消化量的20％以上；用于農(nóng)業(yè)方面改良土壤、制取農(nóng)用肥料的約占消化量的20％以上。
煉制鋁硅鈦合金應(yīng)注意什么?
雖然鋁硅鈦合金與鋁硅鐵合金以粉煤灰為主要原料時其氧化鋁含量并無一定額度區(qū)分，但兩種合金性質(zhì)截然不同，前者是鋁合金，后者是鐵合金，鋁合金對含鐵量有嚴(yán)格要求，原料含三氧化二鐵量一般不得大于0.8％，中間合金含鐵量不大于1.2％，不是所有粉煤灰都適用。煉制鋁硅合金氧化鋁含量必須使A/S達(dá)到1.3以上才能練出含鋁55％以上的粗合金。
此外，灰的化學(xué)活性也不可忽視，化學(xué)活性差反應(yīng)速度下降，會導(dǎo)致電耗增加，產(chǎn)量降低。一般來說，灰中氧化鋁含量應(yīng)大于40％。托克托電廠所排放的灰或懷仁煤產(chǎn)出的灰，氧化鋁含量都在50％以上，可直接用于配料制團(tuán)。含氧化鋁40％以下的粉煤灰為使其A/S達(dá)到1.3以上，必須添加適量含鋁礦物，如被廢棄精選低品位鋁土礦、紅柱石、硅線石等，如無上述含鋁礦物，可先行提取羥基硅，也可使其A/S達(dá)到工藝要求。例如含氧化鋁28％以上的粉煤灰，經(jīng)高梯度除鐵后，三氧化二鐵降至0.6％以下，氧化鋁含量可提高達(dá)30％以上。若其活性良好(須經(jīng)測試)，每3噸灰可提取羥基硅1噸，產(chǎn)出渣兩噸，渣中氧化鋁A/S可達(dá)1.3以上，可用作煉制鋁硅鈦合金原料。
