【正文】 23 卷 第 4 期 ,4650 安徽理工大學(xué)學(xué)報(bào) (自然科學(xué)版 ) 20xx， ， No4] 在堿石灰石燒結(jié)法中，有文獻(xiàn)報(bào)道氧化鋁活化過程中巧妙地利用Ｃ 2Ｓ晶相轉(zhuǎn)變產(chǎn)生的體積膨脹 ,造成硅酸二鈣連同其它礦物一起粉化 (自粉化 ),省去了傳統(tǒng)的粉磨工序 ,可節(jié)省電能 ,而且化學(xué)粉碎形成的粉末比機(jī)械粉磨的粉末更細(xì) ,有利于以ＮａＡｌＯ 2 形式提取鋁組分。使高嶺巖的 Al/Si 由 提高到 ,滿足了堿石灰燒結(jié)法對原料 Al/Si 的要求。故而需要將煤系高嶺巖進(jìn)行預(yù)脫硅處理 ,使其 Al/Si 提高到 4 以上 ,再用燒結(jié)法提取 Al2O3,可以大大提高 Al2O3 的提取率。硫化物法類似于拜耳法生產(chǎn) Al2O3,Na2S 等能有選擇性地溶解 Al2O3,并在很大程度上抑制 SiO2 的溶解 ,但該法在碳酸化時(shí)放出 H2S,環(huán)境污染較嚴(yán)重 ,目前此法仍處于實(shí)驗(yàn)室階段。 如專利 號(hào) 為 94113062，“ 用煤矸石制備氫氧化鋁工藝 ” 該法的氧化鋁提取鋁一般較低，在 2040%，且對不同地區(qū)的煤矸石而言提取率差別很大。為從煤矸石中提 取氧化鋁 ,需將煤矸石進(jìn)行礦物改性處理 ,使高嶺石中的氧化鋁成為活性氧化鋁是常用的方法。但目前煤矸石絕大多數(shù)都是用來發(fā)電、生產(chǎn)磚、空心砌塊等建材 ,利用價(jià)值較低。我國目前所用煉鋼脫氧劑為工業(yè)爐熔化多晶硅和鋁錠，每年生產(chǎn) 6000 萬噸鋼，如果用從粉煤灰中制取的鋁合金，則每年可節(jié)約鋁錠 3 萬噸（合1 億元），可利用粉煤灰 60 萬噸，降低成本達(dá) 24 億元。 寧夏建材研究所采取堿 － 石灰燒結(jié)法。 我國從粉煤灰中提取氧化鋁可追溯到 50 年代，山東鋁廠曾考慮過從粉煤灰中提取氧化鋁，以后湖南、浙江等省也有單位進(jìn)行過此項(xiàng)工作，至 1980 年安徽省冶金科研所和合肥水泥研究所在進(jìn)行提取氧化鋁和制造水泥的實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的實(shí)驗(yàn)研究后提出用石灰石燒結(jié)碳酸鈉溶出。年產(chǎn) 30— 萬噸水泥和 5500 噸氫氧化鋁。矸石自燃時(shí)放出 嚴(yán)重污染空氣的 SO2。僅寧夏就有較大的矸石山 6 座，積存量達(dá) 2 億多噸，加上各地的小煤礦矸石堆，全區(qū)煤矸石占地面積 300 余公頃。 煤矸石是我國目前年排放量和累計(jì)存量最大的工業(yè)廢棄物。 我國煤矸石的發(fā)熱量多在 ，其中 ,，高于 。 煤矸石生態(tài)化利用是實(shí)施我國新的氧化鋁工業(yè)資源戰(zhàn)略的必然趨勢。因此 ,采用新技術(shù) ,盡可能擴(kuò)大拜耳法在生產(chǎn)系統(tǒng)中的份額 ,縮小燒結(jié)法的比例 ,是系統(tǒng)節(jié)能最重要的方向 ,也是開發(fā)高效低耗氧化鋁生產(chǎn)技術(shù)的最主要的技術(shù)思路。燒結(jié)法比例過高是我國氧化鋁工業(yè)能耗高的最重要的原因 .各種能耗約占我國氧化鋁廠生產(chǎn)成本的 43%,是影響成本的最重要的因素 ,也是我國氧化鋁工業(yè)與國際氧化鋁工業(yè)相比最主要的差距。今后我國氧化鋁工業(yè)的發(fā)展只能建立在資源量還較充裕的中低品位鋁土礦的基礎(chǔ)上 ,同時(shí)還要研究開發(fā)其他含鋁資源如煤矸石等。從以上的統(tǒng)計(jì)可以看出 ,氧化鋁生產(chǎn)需要消耗大量的自然資源 ,是一項(xiàng)高能耗的產(chǎn)業(yè) ,每生產(chǎn)一噸氧化鋁約需要消耗資源 噸 ,即產(chǎn)品與資源之比為 1:,如果僅考慮鋁土礦、石灰石、煤等具有不可再生性的一次性資源 ,那么氧化鋁資源利用率為27%。 氧化鋁生產(chǎn)中需要消耗的主要資源鋁土礦按 1 噸氧化鋁生產(chǎn)需要消耗 噸鋁土礦考慮 ,20xx 年國內(nèi)消耗鋁土礦資源約 1190 萬噸 ,根據(jù)“十五”規(guī)劃 ,到 20xx 年 ,我國氧化鋁生產(chǎn)能力最大可達(dá) 680萬噸 ,由此計(jì)算 20xx年鋁土礦的消耗量約為 1496萬噸 。氧化鋁屬于資源型工業(yè) ,原材料用量、能源消耗量、三廢產(chǎn)生量都很大 ,導(dǎo)致能源利用率很低 ,因此 ,要實(shí)施氧化鋁工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略 ,就必須實(shí)施清潔生產(chǎn)。同時(shí) ,注重保持氧化鋁工業(yè)與所在區(qū)域的資源 \能源 \市場需求同步發(fā)展 .也就是說 , 既要考慮新增氧化鋁產(chǎn)能 , 更要考慮 已有氧化鋁產(chǎn)能的可持續(xù)發(fā)展 。⑹加快鋁土礦資源的開發(fā)。到 20xx 年要使氧化鋁產(chǎn)能達(dá) 8000ｋｔ /ａ以上。開發(fā)新品種 ,努力提高我國氧化鋁工業(yè)的 產(chǎn)品質(zhì)量 ,增加市場需求的品種。在操作或運(yùn)送過程中造成飛揚(yáng)損失大。 ③提高產(chǎn)品質(zhì)量。 ②采用高效節(jié)能設(shè)備 ,提高裝備水平。鋁土礦選礦技術(shù)產(chǎn)業(yè)化帶來了尾礦的綜合治理問題 ,開發(fā)尾礦的利用技術(shù)、擴(kuò)大資源的綜合利用程度是今后需要解決的又一個(gè)難題。 ⑤環(huán)境保護(hù) 世界各國都極為重視氧化鋁生產(chǎn)中的環(huán)境保護(hù) ,并進(jìn)行了大量的研究工作 ,如赤泥用于做磚、燒制水泥、各種材料的添加劑和吸收劑、修筑公路、造田等。而國外的氧化鋁幾乎都是砂狀氧化鋁。而在粗液脫硅方面 ,既有采用間接加熱連續(xù)脫硅技術(shù)的廠家 ,也有采用汽耗較高的蒸汽直接加熱中壓脫硅技術(shù)的廠家。在精液葉濾系統(tǒng) ,既有世界先進(jìn)水平的立式葉濾機(jī) ,也有凱利 385ｍ 2 和道爾式 440ｍ 2 大型葉濾機(jī) ,還有技術(shù)落后的小型葉濾機(jī)在運(yùn)行 。 ③技術(shù)裝備水平落后、勞動(dòng)生產(chǎn)率低 目前 ,我國氧化鋁工業(yè)裝備水平與國際先進(jìn)水平相比 ,存在著技術(shù)裝備水平落后、自動(dòng)化程度低的差距。幾乎所有跨國鋁業(yè)公司均將其 視為理想的氧化鋁供應(yīng)基地。 表 1 國內(nèi)不同生產(chǎn)方法的能耗指標(biāo) 項(xiàng)目 燒結(jié)法 拜爾法 聯(lián)合法 (ｋｇ標(biāo)煤 /ｔ ) (ｋｇ標(biāo)煤 /ｔ ) (ｋｇ標(biāo)煤 /ｔ ) 能耗 1447 472 1113 從表 1 數(shù)據(jù)可以看出 ,燒結(jié)法能耗是拜爾法能耗的 倍 ,聯(lián)合法能耗雖然低于純燒結(jié)法 ,但由于燒結(jié)法部分的高能耗使其整體水平仍遠(yuǎn)高于拜爾法。造成其能耗高、生產(chǎn)成本偏高 ,氧化鋁生產(chǎn)綜合能耗是國外采用拜耳法處理三水鋁石 (或一水軟鋁石 )生產(chǎn)氧化鋁能耗的 ～ 倍。我國冶金級氧化鋁產(chǎn)品與國外產(chǎn)品相比較 ,差別較大的是平均粒度小、細(xì)粒子含量高、強(qiáng)度差 ,同時(shí)硅、鐵含量高。隨著高品位鋁土礦儲(chǔ)量的日漸減少 ,氧化鋁企業(yè)的總供礦品位也在下降 ,引起產(chǎn)量減少、消耗增加、成本上升。 到目前為止，已經(jīng)提出了多種從鋁礦石或其它含鋁原料中提煉氧化鋁的方法，但由于技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上的種種原因，有的已被 淘汰，有的屬于試驗(yàn)階段，工業(yè)上幾乎全部采用堿法生產(chǎn)。 ③電熱法生產(chǎn)氧化鋁 電熱法用來處理高鐵鋁礦，將礦與炭還原劑配成爐料在電弧爐內(nèi)高溫 20xx℃ ,下進(jìn)行還原熔煉。 ②酸法生產(chǎn)氧化鋁 酸法是用適當(dāng)?shù)臒o機(jī)酸處理礦石，生產(chǎn)相應(yīng)的鋁鹽，礦石中的氧化硅不與酸作用而殘留于渣中；將鋁鹽進(jìn)一步凈化除鐵后，使之分解得到氧化鋁。但處理低品位礦石時(shí)其優(yōu)越性較差，而且還要消耗價(jià)格昂貴的苛性堿。 含有部分二氧化硅的溶液經(jīng)脫硅后得到鋁酸鈉溶液精制液 CO2 通入二氧化碳?xì)怏w使之分解得到氫氧化鋁及母液。 ①堿法生產(chǎn)氧化鋁 堿法的基本原理是使礦石中的氧化鋁與堿在一定條件下生成鋁酸鈉，進(jìn)入溶液而與二氧化硅和氧化鐵等雜質(zhì)分離，然后再使純凈的鋁酸鈉溶液分解析出氫氧化鋁，氫氧化鋁經(jīng)高溫鍛燒制得成品氧化鋁。 氧化鋁生產(chǎn)方法簡介 氧化鋁總產(chǎn)量 90%以上用于電解生產(chǎn)鋁，此外還供硅酸鹽、耐火材料、機(jī)械、無線電、冶金工業(yè)、制藥等行業(yè)使用，在國民經(jīng)濟(jì)中有著極大的作用。 要使寧夏北部老煤炭工業(yè)區(qū)生態(tài)環(huán)境問題得以控制，并向優(yōu)化方向發(fā)展，必須進(jìn)行大范圍、大強(qiáng)度的以創(chuàng)新集成為基礎(chǔ)的、以資源合理利用關(guān)鍵配套技術(shù)為重點(diǎn)的生態(tài)工業(yè)建設(shè)工作。 本課題研究是 緊緊圍繞提高區(qū)域資源轉(zhuǎn)化的循環(huán)經(jīng)濟(jì)能力為核心，以提高產(chǎn)業(yè)發(fā)展的綜合效益為目標(biāo)，以科技攻關(guān)解決循環(huán)工業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的技術(shù)難點(diǎn)為突破口，開發(fā)先進(jìn)的綠色化學(xué)工藝過程為基礎(chǔ)，為寧夏北部老工業(yè)區(qū)環(huán)境治理及產(chǎn)業(yè)跨越式發(fā)展提供強(qiáng)有力的科技支撐，推動(dòng)循環(huán)經(jīng)濟(jì)在新世紀(jì)持續(xù)快速發(fā)展。 寧夏的材料業(yè)整體上并不發(fā)達(dá)，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)單調(diào)，產(chǎn)業(yè)群的特色優(yōu)勢不明顯。該產(chǎn)業(yè)所需的主要工業(yè)原料之一氧化鋁近年來出現(xiàn)了供需緊張的局面，價(jià)格持續(xù)上漲并且在 4000 元 /噸左右堅(jiān)挺。因此， 煤矸石提取氧化鋁、氧化硅的生態(tài)化利用技術(shù)開發(fā)研究對于推動(dòng)我國循 環(huán)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有十 分重要的意義。 國 家發(fā)改委將加強(qiáng)對循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的宏觀指導(dǎo)，會(huì)同有關(guān)部門研究制定《關(guān)于加快推動(dòng)循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的指導(dǎo)意見》，將循環(huán)經(jīng)濟(jì)的理念貫穿到“十一五”規(guī)劃的編制工作中。 （ 2）本項(xiàng)目產(chǎn)業(yè)關(guān)聯(lián)性強(qiáng)，發(fā)揮科技在循環(huán)工業(yè)經(jīng)濟(jì)建設(shè)中的作用意 義重大。目前進(jìn)口的優(yōu)質(zhì)鋁土礦（氧化鋁含量 70%）價(jià)格在 350 美圓 /噸左右。 隨著氧化鋁工業(yè)和其他需用鋁土礦工業(yè)的快速發(fā)展 ,鋁土礦資源 ,特別是優(yōu)質(zhì)資源的短缺 ,已充分顯現(xiàn)出來。煤矸石產(chǎn)量占采煤量的 10%左右，其中氧化鋁的含量在 18%40%區(qū)間變化（屬特殊結(jié)構(gòu)和組成的 低品位鋁土礦）， 其產(chǎn)量巨大大，利用率低，而且即使利用也是在建材、發(fā)電等傳統(tǒng)領(lǐng)域，且是非循環(huán)經(jīng)濟(jì)的利用模式依然占主導(dǎo)地位。 在已經(jīng)完成的實(shí)驗(yàn)室研究工作的基礎(chǔ)上，通過系統(tǒng)集成與創(chuàng)新，中試檢驗(yàn) 2 種具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的技術(shù)工藝路線： ① 針對含碳量高的洗煤矸石，完成酸溶提取法中試 ② 針對煤系高嶺巖，完成低溫鹽熔提取法中試 二、 項(xiàng)目的意義和必要性 （含技術(shù)突破對行業(yè)技術(shù)進(jìn)步的重要意義和作用等），國內(nèi)外現(xiàn)狀和技術(shù)發(fā)展趨勢，市場需求分析 （一） 項(xiàng)目的意義和必要性 （ 1）對區(qū)域礦產(chǎn)資源的可持續(xù)開發(fā)利用以及對對區(qū)域生態(tài)環(huán)境的改善、保護(hù)具有重大意義。 項(xiàng)目的關(guān)鍵創(chuàng)新集成技術(shù)可直接服務(wù)于寧夏新材料工業(yè)基地的發(fā)展、寧夏煤化工基地的發(fā)展以及保護(hù)生態(tài)環(huán)境發(fā)展循環(huán)工業(yè)經(jīng)濟(jì)；可為我區(qū)鋁加工業(yè)培育原料基地。其煤矸石生態(tài)化利用系統(tǒng)技術(shù)、模式和經(jīng)驗(yàn)，具有廣泛的 針對性、先進(jìn)性和適用性。 當(dāng)今中國面臨的能源短缺與環(huán)境危機(jī)，無一不是國民經(jīng)濟(jì)線形增長的副產(chǎn)物。這一問題已引起我國政府的高度重視。按目前的生產(chǎn)需求估算 ,我國每年需消耗的鋁土礦多達(dá) 1000 多萬ｔ ,其中大多是優(yōu)質(zhì)礦或次優(yōu)質(zhì)礦。 因此 ,開發(fā)應(yīng)用煤矸石這一大量的類低 品位鋁土礦提取氧化鋁資源的高效低耗新技術(shù)顯得特別重要和迫切 。 本課題開發(fā)的高效利用煤炭基資源中的化學(xué)元素技術(shù)，還可以將正在興起的無機(jī)功能材料技術(shù)成果或開發(fā)示范模式進(jìn)行有效組裝和集成，特別是借鑒科技發(fā)達(dá)國家資源開發(fā)利用方面的先進(jìn)模式，配合國家即將在西部實(shí)施的在煤炭、高載能、建材等重點(diǎn)領(lǐng)域進(jìn)行循環(huán)經(jīng)濟(jì)試點(diǎn)的措施，以及寧夏重大科技攻關(guān)項(xiàng)目的實(shí)施，選擇我區(qū)具有典型代表性的煤炭老工業(yè)區(qū) —— 寧夏北部地區(qū)石嘴山市，以 老煤炭工業(yè)區(qū)煤矸石資源深度 利用關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新為 核心，將試驗(yàn)示范 和區(qū)域工業(yè)可持續(xù)發(fā)展緊密結(jié)合為目標(biāo)，以煤矸石資源深度可持續(xù)利用、保護(hù)生態(tài)和創(chuàng)新產(chǎn)業(yè)鏈為指導(dǎo)思想，主 攻煤矸石資源深度開發(fā) 與利用關(guān)鍵配套技術(shù) （循環(huán)經(jīng)濟(jì)模式設(shè)計(jì) ）、組裝 集成出 煤矸石中礦物元素產(chǎn)業(yè)化開發(fā)與利用配套技術(shù)， 從而為寧夏乃至中國類似地區(qū)資源合理利用集成創(chuàng)新出關(guān)鍵配套技術(shù)與示范樣板。為加快推動(dòng)循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，國家發(fā)改委將組織試點(diǎn)，擬選擇冶金、有色、煤炭、電力、化工、建材等重點(diǎn)行業(yè)；而本項(xiàng)目正是國家支持的資源化重點(diǎn)領(lǐng)域。 （ 4）對于寧夏鋁業(yè)發(fā)展有重要意義。這不僅增加了企業(yè)成本，而且對企業(yè)的發(fā)展帶來了風(fēng)險(xiǎn)。如區(qū)內(nèi)對氧化鋁的需求很大，但是幾乎沒有相應(yīng)的生產(chǎn)企業(yè)，隨著我區(qū)材料產(chǎn)業(yè)的聚集和發(fā)展，培育和發(fā)展產(chǎn)業(yè)群成為現(xiàn)代材料業(yè)及化學(xué)工業(yè)發(fā)展的必然趨勢，因此選擇特色產(chǎn)業(yè)帶動(dòng)具有重要作用。 從區(qū)域優(yōu)勢礦產(chǎn)資源的綜合利用、梯度合理開發(fā)產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵技術(shù)為一條主線，按照循環(huán)經(jīng)濟(jì)的 3A 原則進(jìn) 行試驗(yàn)與示范相結(jié)合，為區(qū)域煤基資源產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)與功能的合理構(gòu)建，為調(diào)整和優(yōu)化工業(yè)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、能源資源利用結(jié)構(gòu)，建立新的生態(tài)工業(yè)系統(tǒng)和產(chǎn)業(yè)經(jīng)營機(jī)制，形成具有廣闊發(fā)展前景的特色工業(yè)生態(tài)技術(shù)體系和資源優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)提供科技支撐。 這 就促使我們必須 緊緊圍繞提高區(qū)域資源轉(zhuǎn)化的循環(huán)經(jīng)濟(jì)能力為核心，以提高產(chǎn)業(yè)發(fā)展的綜合效益為目標(biāo)，堅(jiān)持科學(xué)的發(fā)展觀，以科技創(chuàng)新為動(dòng)力，以科技攻關(guān)解決循環(huán)工業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的技術(shù)難點(diǎn)為突破口，以大力推廣適用技術(shù)、創(chuàng)新集成先進(jìn)技術(shù)，提高科技貢獻(xiàn)率為主體內(nèi)容，以開發(fā)先進(jìn)的綠色化學(xué)工藝過程為基礎(chǔ)，為寧夏北部老工業(yè)區(qū)環(huán)境治理及產(chǎn)業(yè)跨越式發(fā)展提供強(qiáng)有力的科技支撐，推動(dòng)循環(huán)經(jīng)濟(jì)在新世紀(jì)持續(xù)快速發(fā)展。 自然界中含鋁礦物有 250 多種，作為生產(chǎn)氧化鋁的原料主要是鋁土礦，其中氧化鋁含量占 50%70%,其次是二氧化硅、三氧化二鐵、二氧化鈦，此外還含有鎵、釩等雜質(zhì)。 堿法生產(chǎn)氧化鋁又可分為拜爾法、燒結(jié)法、聯(lián)合法。母液經(jīng)蒸發(fā)后補(bǔ)充適當(dāng)?shù)膲A粉與下批礦石及石灰配料燒結(jié)。 燒結(jié)法的優(yōu)點(diǎn)是可以處理品位較低礦石，而且只消耗價(jià)格便宜的碳酸鈉，與拜爾法相比，在同樣的條件下 1 處理低品位礦時(shí) /，燒結(jié)法的堿耗較低，氧化鋁總回收率較高，但流程復(fù)雜，投資較大，產(chǎn)品氧化鋁質(zhì)量較差，成本較高。 用酸法生產(chǎn)氧化鋁在理論上是合理的，對高品位的鋁土礦而言，該法不具有拜耳法的優(yōu)勢，但是對低品位的含鋁礦而言，該法依然具備一定的優(yōu)勢 。礦石中的氧化硅和氧化鐵被還原成硅鐵合金，而氧化鋁則呈熔融狀態(tài)的鋁酸鈣渣上浮，由于比重不同而分層。 世界氧化鋁的生產(chǎn)現(xiàn)狀及消費(fèi)趨勢 20xx年 ,世界氧化鋁總產(chǎn)量為 5922 萬噸 ,其中冶金級氧化鋁產(chǎn)量為 5457萬噸 ,化學(xué)品氧化鋁產(chǎn)量為 465 萬噸 . 截至 20xx 年 3 月 ,世界氧化鋁生產(chǎn)主要集中在 29 個(gè)國家的 69 個(gè)氧化鋁廠 , 總產(chǎn)能 6331 萬噸 .其中冶金級氧化鋁產(chǎn)能約 5801 萬噸 ,占 92%. 20xx 年以來 ,由于