自20世紀(jì)50年代，波蘭J.Grzymek教授以高鋁煤矸石或高鋁粉煤灰（Al2O3＞30%）為主要原料從中提取氧化鋁并利用其殘?jiān)a(chǎn)水泥以來(lái)，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)粉煤灰提鋁技術(shù)做了大量研究。從粉煤灰中提取氧化鋁（氫氧化鋁）或鋁鹽工藝有很多，但主要有堿法燒結(jié)和酸浸法兩類(lèi)，且大部分工藝還處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，工業(yè)化應(yīng)用很少。
我國(guó)是全球第一產(chǎn)鋁大國(guó)，2008年產(chǎn)出原鋁1318萬(wàn)噸，占全球總產(chǎn)量的33.4％；同時(shí)也是全球第一消費(fèi)大國(guó)，2008年消費(fèi)量達(dá)1260萬(wàn)噸，占全球總消費(fèi)量的32.89％。但我國(guó)鋁土礦資源量卻只占全球的3％，另一方面，粉煤灰開(kāi)發(fā)利用是國(guó)內(nèi)重要鋁資源之一，相當(dāng)于一個(gè)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(lái)，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(lái)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(chēng)為高鋁粉煤灰，具有很高的開(kāi)發(fā)利用價(jià)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(guó)35處粉煤灰樣品三氧化二鋁平均含量為27.1％。國(guó)外粉煤灰亦大體類(lèi)似，日本粉煤灰三氧化二鋁平均含量為25.86％，美國(guó)為20.81％，英國(guó)為26.99％，德國(guó)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(guó)安徽、寧夏、江蘇等地也曾以類(lèi)似方式作過(guò)試驗(yàn)，在提取氧化鋁同時(shí)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(kāi)拓
經(jīng)國(guó)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(shí)聯(lián)產(chǎn)水泥項(xiàng)目成功實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。項(xiàng)目投資18億元，年產(chǎn)氧化鋁40萬(wàn)噸，近期即將投產(chǎn)。去年初，大唐國(guó)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(wàn)噸，排放粉煤灰400萬(wàn)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(jì)，每2.2噸粉煤灰即可制取1噸氧化鋁，400萬(wàn)噸灰可產(chǎn)出180萬(wàn)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(shì)(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(kāi)發(fā)利用打下了基礎(chǔ)。
粉煤灰的另一個(gè)高附加值開(kāi)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(shí)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(shí)，鎂收率為65.5％。與當(dāng)時(shí)以75硅鐵為還原劑煉鎂的各項(xiàng)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(shì)。
利用途徑多樣，節(jié)能減排優(yōu)勢(shì)明顯
我國(guó)具有高鋁粉煤灰資源優(yōu)勢(shì)，除了內(nèi)蒙古外，還有“煤都”山西朔州。朔州煤儲(chǔ)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(duì)較低。經(jīng)對(duì)平魯一礦、二礦及懷仁煤礦等3個(gè)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?zhuān)渲聘鞣N牌號(hào)鋁硅合金，不僅是綜合利用環(huán)保項(xiàng)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(guó)家政策支持的項(xiàng)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(shuō)來(lái)，在高鋁粉煤灰出產(chǎn)地、電力充裕電價(jià)低的地區(qū)、電鋁聯(lián)營(yíng)企業(yè)，以及因政策規(guī)定進(jìn)入門(mén)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(kāi)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(guó)鋁冶煉技術(shù)開(kāi)發(fā)中心專(zhuān)家顧問(wèn))
相關(guān)鏈接 利用率僅為發(fā)達(dá)國(guó)家一半
對(duì)燃煤電廠而言，粉煤灰曾是一大包袱。近年來(lái)，隨著循環(huán)經(jīng)濟(jì)的推行、發(fā)展，國(guó)家鼓勵(lì)政策陸續(xù)出臺(tái)，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(guó)內(nèi)粉煤灰利用率只有40％，是發(fā)達(dá)國(guó)家利用率的一半)，全國(guó)每年仍有約兩億噸新灰未被消化。因而，如何開(kāi)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(guó)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(chǎng)、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(shí)其氧化鋁含量并無(wú)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(duì)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(huì)導(dǎo)致電耗增加，產(chǎn)量降低。一般來(lái)說(shuō)，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(wú)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(cè)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。
（一）隨著溫度升高，碳酸鈉和生石灰的燒結(jié)效果逐漸變好。但隨著溫度升高，利用碳酸鈉進(jìn)行燒結(jié)時(shí)，粉煤灰燒結(jié)熟料中氧化鋁溶出率增長(zhǎng)速度要快得多，而利用生石灰燒結(jié)時(shí)，其氧化鋁溶出率隨著溫度增長(zhǎng)及其緩慢。
（二）碳酸鈉與氧化鈣的混合物作為燒結(jié)劑，在燒結(jié)過(guò)程中的主要影響因素為堿比，其次為燒結(jié)溫度和鈣比，影響最弱的是燒結(jié)時(shí)間。
隨著環(huán)保要求日益嚴(yán)格和高品位鋁土礦資源的日趨枯竭，可以預(yù)見(jiàn)粉煤灰作為一種非傳統(tǒng)鋁資源具有良好的利用發(fā)展前景。目前，限制粉煤灰提鋁技術(shù)大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用的因素很多，除了國(guó)家、地方相關(guān)政策的鼓勵(lì)扶持和市場(chǎng)需求等原因外，從上述分析可知技術(shù)上也有很多不足之處。因此應(yīng)進(jìn)一步深入研究，對(duì)現(xiàn)有粉煤灰提鋁技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)完善，同時(shí)還應(yīng)積極探索新的粉煤灰提鋁技術(shù)工藝，在滿足環(huán)保要求的同時(shí)，努力提高其綜合經(jīng)濟(jì)效益，達(dá)到社會(huì)、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)的有機(jī)統(tǒng)一。從這個(gè)意義上講，實(shí)現(xiàn)高效、節(jié)能、低耗、減量（廢渣、廢氣），避免二次污染是粉煤灰提鋁技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)。
