【正文】 項(xiàng)目完成后可使我區(qū)煤矸石科學(xué)利用上一個新臺階，為礦區(qū)生態(tài)環(huán)境改善 、礦產(chǎn)資源可持續(xù)利用以及寧夏材料工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展作出積極貢獻(xiàn)。 本課題成果是開發(fā)出新的煤矸石生產(chǎn)鋁鹽、硅酸鹽等基礎(chǔ)化學(xué)原料的循環(huán)工藝，并與已有生產(chǎn)無機(jī)氧化物粉體材料的公知技術(shù)進(jìn)行合理的組裝配套，集成、創(chuàng)新出可形成系列產(chǎn)品的產(chǎn)品群的技術(shù)體系與模式，通過中試最終實(shí)現(xiàn)在大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化中推廣應(yīng)用。 項(xiàng)目具備了通過公開招投標(biāo)方式選擇攻關(guān)合作單位的條件，可以進(jìn)行公開招投標(biāo)。 (3)成立課題負(fù)責(zé)人為核心的課題組，將課題分解為 2 個子專題，研究任務(wù)落實(shí)到人，實(shí)行執(zhí)行人對子專題主持人負(fù)責(zé)、子專題負(fù)責(zé)人對課題組長負(fù)責(zé)制的課題管理機(jī)制。 (1)成立由自治區(qū)科技廳主管領(lǐng)導(dǎo)牽頭，課題承擔(dān)單位領(lǐng)導(dǎo)、課題主持人參加的課題協(xié)調(diào)領(lǐng)導(dǎo)小組，負(fù)責(zé)課題的總體宏觀指導(dǎo)和對重大問題做出決策，包括組織協(xié)調(diào)，配套資金的落實(shí)、監(jiān)督使用，課題進(jìn)展的檢查管理等，保證技術(shù)指標(biāo)和試驗(yàn)的完成。 組織管理措施 本課題由科技廳組織、協(xié)調(diào)相關(guān)單位進(jìn)行實(shí)施，并對課題實(shí)行監(jiān)理及定期檢查和評估。開發(fā)成果歸合作單位共享。 課題可能取得的專利及知識產(chǎn)權(quán)分析 課題已經(jīng)申報 2項(xiàng)發(fā)明專利。 本項(xiàng)目涉及的研究內(nèi)容具有很高的綜合性，需要多學(xué)科的協(xié)作研究。在這方面，將著重于某些技術(shù)的深入研究與實(shí)用與開發(fā)。在前人工作的基礎(chǔ)上，因地制宜地加以改進(jìn)和創(chuàng)新，再進(jìn)行選擇和組裝，就有可能形成本項(xiàng)目所需要的技術(shù)，以達(dá)到事 半功倍的目的。 （ 1）收集和集成國內(nèi)外現(xiàn)有科技成果，進(jìn)行組裝配套，優(yōu)化組合，升華為新的、具有更好技術(shù)效果和經(jīng)濟(jì)效益的創(chuàng)新技術(shù)。 （ 3） 集成出具有良好經(jīng)濟(jì)效益的綠色化的循環(huán)工藝與技術(shù)。 ： （ 1） 煤矸石中鋁、硅及炭份 高效提取分離的技術(shù)工藝。其氧化鋁提取率大于90%，氧化硅提取率大于 90%。 其 低溫鹽熔提取法 主要技術(shù)特點(diǎn)和創(chuàng)新點(diǎn)如下： （ 1） 該法實(shí)現(xiàn)了酸鹽聯(lián)合提取氧化鋁工藝的閉路循環(huán)，氧化鋁提取率高、殘?jiān)瑫r以低能耗獲得硅酸鹽。 （ 4） 該法對煤矸石原料沒有特殊要求，對原料的適應(yīng)性強(qiáng)，對煤系高嶺石提取率更高，可以達(dá) 92%以上。 （ 3） 該法鋁、硅元素及炭份得到高效分離提取。該工藝基本無三廢，為新型綠色化工藝。 六、項(xiàng)目的主 要技術(shù)特點(diǎn)和創(chuàng)新點(diǎn)，關(guān)鍵技術(shù)內(nèi)容，項(xiàng)目實(shí)施的技術(shù)、工藝路線可能取得的專利 (尤其是發(fā)明專利和取得國外專利 )及知識產(chǎn)權(quán)分析 本課題以實(shí)施煤矸石高效綜合利用為目標(biāo)，通過集成創(chuàng)新，研究煤矸石資源化化利用生產(chǎn)鋁鹽及硅酸鈉等化學(xué)品的關(guān)鍵技術(shù)體系。 同時，課題組在科技廳高新處的指導(dǎo)下，擬以小試成果為基礎(chǔ)，盡快與企業(yè)進(jìn)行合作，共同承擔(dān)、并實(shí)施該科技攻關(guān)項(xiàng)目。 本課題組是一個具有較高綜合研究能力的科技人員組成，具有長期開展應(yīng)用基礎(chǔ)和應(yīng)用開發(fā)研究的豐富經(jīng)驗(yàn)；積累了較豐富的項(xiàng)目管理及協(xié)調(diào)經(jīng)驗(yàn)，鍛煉和成長了一批科研、工程技術(shù)及科研業(yè)務(wù)管理復(fù)合型人才，具備了進(jìn)行重大科技攻關(guān)項(xiàng)目的決策指揮、路線設(shè)計、技術(shù)指導(dǎo)、組織實(shí)施、協(xié)調(diào)管理的經(jīng)驗(yàn)和能 力。 3. 該工藝耗能低 ，容易實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品多元化。 該工藝具有如下優(yōu)點(diǎn)： 1. 操作簡單、投資少、能得到優(yōu)質(zhì)鋁鹽。 三、項(xiàng)目的基礎(chǔ)條件：與項(xiàng)目相關(guān)的前期工作情況，現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)和工作基礎(chǔ)，包括前期所取得的成果或技術(shù)（工藝）情況，國內(nèi)外在該技術(shù)領(lǐng)域的專利情況，相關(guān)領(lǐng)域的試驗(yàn)及示范基地建設(shè)情況，研究開發(fā)隊(duì)伍和產(chǎn)學(xué)研結(jié)合等情況 前期工作情況 2020 年初， 我們開始了利用寧夏煤矸石提取氧化鋁的科技攻關(guān)研究，到目前小試研究基本完成并取得了新的突破 .2020 年 7月 1日通過了科技廳組織的專家驗(yàn)收 . 根據(jù)文獻(xiàn)檢索及查新，我們提出的針對不同種類的煤矸石提取氧化鋁的綜合利用工藝方法獨(dú)特 .先進(jìn)，并進(jìn)行了小試 ,小試成果通過了驗(yàn)收鑒定 .表明應(yīng)用潛力大 ,前景廣闊。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。 此項(xiàng)攻關(guān)研究緊密結(jié)合寧夏社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主體目標(biāo)，為自治區(qū)黨委和政府提出的“生態(tài)環(huán)境改善與持續(xù)發(fā)展的‘雙贏’目標(biāo)”提供科技支撐。 本項(xiàng)目以煤矸石提取氧化鋁后的一次殘?jiān)鼮樵?，在低溫堿溶液中即可得到水玻璃，水玻璃就地利用生產(chǎn)超細(xì)高附加值的二氧化硅產(chǎn)品。促使增加的因素主要是高性能輪胎和工業(yè)橡 膠制品對二氧化硅的使用量在不斷增加。ｎＨ 2Ｏ ,是一種重要的無機(jī)化工產(chǎn)品 ,具有耐高溫、不燃燒、高電絕緣性、多孔性、高表面活性和內(nèi)表面積大等特點(diǎn) .在橡膠、塑料、農(nóng)藥、油漆、制藥、造紙、瓷器、日用化學(xué)品等各個領(lǐng)域有著廣泛用途。充分開發(fā)利用這些資源 ,提高資源利用率及經(jīng)濟(jì)價值 ,減少環(huán)境污染 ,對這些資源進(jìn)行深加工是其有效途徑之一。因此 ,世界各國都在積極研究新的工藝方法 ,以提高轉(zhuǎn)化率、降低成本、增加產(chǎn)量。 —— 白碳黑的需求趨勢 白炭黑從上世紀(jì) 40 年代投入工業(yè)化生產(chǎn)以來 ,經(jīng)過近 60 年的應(yīng)用和研究 ,已成為橡膠、塑料、造紙、農(nóng)業(yè)、染料、化妝品、牙膏、涂料、油墨等十幾個領(lǐng)域不可缺少的助劑。而電子工業(yè)對化學(xué)機(jī)械研磨液需求的增長則會刺激氣相法白炭黑需求的快速增長 ,該市場有望以年均 7%的速度增長 ,到 2020年其市場份額將達(dá)到 。 據(jù)美國知名咨詢公司Ｆｒｅｅｄｏｎｉａ集團(tuán)最新的一份研究報告指出 ,今后幾年美國特種二 氧化硅市場需求將以年均 %的速度快速增長 ,到 2020年該市場的份額將達(dá)到 15億美元。隨著鋁土礦的長期開采 ,露采礦石產(chǎn)量及性能將無法滿足日益發(fā)展的鋁業(yè)要求。我國鋁土礦主要分布在山西、河南、貴州、廣西等省。因此國內(nèi)化學(xué)品氧化鋁的市場需求缺口也比較大。 在氧化鋁總產(chǎn)能中，世界 10%左右為化學(xué)品氧化鋁，其價格是冶煉氧化鋁的 410倍。由于近兩年電解鋁成為投資熱點(diǎn) ,產(chǎn)能迅速膨脹 ,導(dǎo)致氧化鋁供應(yīng)緊張。盡管國產(chǎn)氧化鋁產(chǎn)能 和產(chǎn)量逐年增長 ,仍遠(yuǎn)不能滿足電解鋁生產(chǎn)的需要 ,每年需大量進(jìn)口氧化鋁。 2020年 ,氧化鋁價格由年初的 1830元 /噸 ,上漲到年底的 3700元 /噸 ,漲幅達(dá) %。據(jù)悉 ,山東鋁業(yè)氧 化鋁價格的變動 ,是在母公司中國鋁業(yè)系統(tǒng)內(nèi)統(tǒng)一進(jìn)行的。山東鋁業(yè)曾在 2020年 9月 23日公告 ,冶金級氧化鋁出廠價格已由 3750元 /噸上調(diào)為 3930元 /噸 (含稅 ),幅度為 %。這已是公司在一個月之內(nèi)第二次上調(diào)冶金級氧化鋁價格。中國氧化鋁的產(chǎn)量長期不能滿足國內(nèi) 市場的需求 ,每年都要大量進(jìn)口來補(bǔ)充 ,2020年進(jìn)口 188萬噸 ,2020年進(jìn)口 334萬噸 ,2020年進(jìn)口 457萬噸 ,占國內(nèi)市場的比例分別為 :30%、41%、 45%。 2020年前 7個月鋁錠產(chǎn)量為 萬噸 ,預(yù)計全年產(chǎn)量在 520萬噸左右 ,需要的氧化鋁應(yīng)達(dá) 1040萬噸 ,而非冶金用氧化鋁繼續(xù)按去年的水平計算 ,那么全年的氧化鋁需求將達(dá)到 。材料科學(xué)與技術(shù)的進(jìn)步，呼喚煤矸石的生態(tài)化學(xué)利用技術(shù)的創(chuàng)新。若對煤矸石經(jīng)化學(xué)處理，可利用有效鋁、硅元素，生產(chǎn)鋁系列產(chǎn)品和硅系列產(chǎn)品如硫酸鋁、氧化鋁以及水玻璃、白炭黑等，均具有廣闊的市場?？梢酝ㄟ^一定的工藝進(jìn)行二次加工得到數(shù)百個氧化鋁粉體材料，該粉體材料廣泛應(yīng)用與陶瓷、橡膠、塑料、石油催化、耐火材料等領(lǐng)域。 （行業(yè)情況分析） 目前煤矸石的主要化學(xué)化工加工方向是生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)鋁鹽，傳統(tǒng)上鋁鹽主要用在造紙、水凈化、鑄造、涂料、醫(yī)藥等行業(yè)。 進(jìn)入 21 世紀(jì)，我國的鋁業(yè)迅猛發(fā)展，加上能源緊張等因素以及前述的我國鋁土礦資源的劣勢凸現(xiàn)等，導(dǎo)致氧化鋁原料緊張，其價格飛漲，而且這種局面連續(xù)了近 2年而無走低的趨勢。從 60 年代開始，我國也有不少關(guān)于用煤矸石、粉煤灰為原料提取氧化鋁的的研究報道， 80 年代中期以后相繼有一些專利申請。 此外，提取氧化鋁研究了幾十年，除電鋁水泥法 2020年進(jìn)行了中試并計劃投資 20億建廠外外，其余工藝在國內(nèi)未見規(guī)?；囼?yàn)的報道。 近年來國內(nèi)某專業(yè)機(jī)構(gòu)研制的自燃煤矸石超細(xì)粉，能以不同比例取代水泥、石灰用于各種建筑工程。主要可以用來生產(chǎn)氯化鋁、聚合氯化鋁及白炭黑等化工產(chǎn)品。國內(nèi)煤矸石綜合利用的成功經(jīng)驗(yàn)很多 ,尤其是煤矸石發(fā)電的技術(shù)和設(shè)備已成系列化 ,煤矸石制建材也已從單純用煤矸石制磚的基礎(chǔ)上向更廣闊的建材領(lǐng)域發(fā)展。(3)利用煤矸石中提取氧化鋁等化工產(chǎn)品方向有廣闊的利用前景。研究方向主要有 :(1)利用煤矸石加工建材 ?？傊?，在 21 世紀(jì)煤矸石可作為一種潛在的鋁、硅資源而引起高度重視。但是煤矸石成分因地區(qū)不同而變化較大，高鋁矸石多是人工揀出的，其儲量少。煤矸石中有些是以高嶺石為主，含量為 90%～ 95%,主要成分為三氧化二鋁和二氧化硅 ,三氧化二鋁含量為 34%～ 39%，其 含碳、鐵等很低，較早被開發(fā)利用。 該法是幾種方法的綜合，技術(shù)復(fù)雜，尚未見大規(guī)模生產(chǎn)的報道。 ⑤ 利用煤矸石生產(chǎn)鋁鹽和硅酸鹽 的 綜合 工藝方法 中國專利（ 申請?zhí)?00112070）報道了“ 利用煤矸石生產(chǎn)鋁鹽和硅酸鹽工藝方法 ” ，其特征在于采用堿熔－水解－碳化－苛化工藝生產(chǎn)鋁鹽、硅酸鹽及沉淀碳酸鈣：（１）將煤矸石粉碎后焙燒除碳、活化，焙燒產(chǎn)生的煙道氣及下面其他工藝段加熱用燃煤爐產(chǎn) 熱。但是不足之處在于：技術(shù)工藝的能耗高、工藝不易控制等技術(shù)問題并沒有根本解決，同時項(xiàng)目的設(shè)備投資大，即固定資產(chǎn)投資很大，一般企業(yè)難以承受，市場風(fēng)險明 顯增大。該法生產(chǎn)氧化鋁的原材料成本約 1800 元（有自備 煤礦、石灰石礦，配套原料運(yùn)距短且來源充足，電價便宜等外部優(yōu)勢）。 具我們的實(shí)地考察，該專利于 2020年 6月完成了中試并通過了鑒定。是利用煤矸石為原料，將發(fā)電、制鋁和水泥生產(chǎn)結(jié)合起來，發(fā)出的電力供電解鋁使用，電廠廢料粉煤灰為制鋁原料，經(jīng)破碎、煅燒、浸取、過濾、脫硅、碳分等工序生產(chǎn)氧化鋁；利用生產(chǎn)氧化鋁過程中產(chǎn)生的硅鈣渣為原料生產(chǎn)水泥。 ③混鹽法 該法對煤矸石中氧化鋁的的提取鋁在 5060%左右，提取率不高，且 硫酸銨 損失較大，綜合成本高于酸法，未見工業(yè)化的報道。 也有人報道了用高效分散劑碳化法制備超細(xì)氫氧化鋁 ,提取率大于 80%。目前此法仍處于實(shí)驗(yàn)室階段。然后，同樣采用堿石灰燒結(jié)法提取氧化鋁 ,在 1150℃下燒結(jié) 60min后 ,飽和生料的 Al2O3提取率由煤系高嶺巖的 45%提高到精礦的 89%。 一般煤系高嶺巖經(jīng) 1000℃、 30min 焙燒活化后 ,以 15%NaOH 溶液對其進(jìn)行脫硅處理 ,選用適當(dāng)?shù)闹鷦?,可在液固比為 5ml/g、 90℃、 90min的條件下獲得 70%左右的脫硅率。但同時耗能增加，工藝復(fù)雜化。煤系高嶺巖含 SiO246%,其 Al/Si為 左右 ,不滿足燒結(jié)法對原料的要求 ,煤系高嶺巖直接采用燒結(jié)法提取 Al2O3時 ,由于 SiO2含量高而使得 Al2O3溶出率很低 ,小于 45%。 石灰石燒結(jié)法類似于鋁礬土燒結(jié)法制 Al2O3,但由于煤系高嶺巖含 SiO2高而需要消耗大量石灰石并增加燃料消耗 ,還產(chǎn)生大量赤泥渣。 ② 堿法 即用堿性物質(zhì)來提取 Al2O3,常見的有：堿石灰燒結(jié)法和硫化物法。由于其要高溫煅燒、提取率低等缺陷，實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用的意義不大。 ①酸法 即先通過高溫焙燒活化矸石，然后用鹽酸或硫酸等先提取鋁鹽 ,如氯化鋁、硫酸鋁、銨明礬等 ,再將鋁鹽煅燒后可得到氧化鋁 。 目前報道的以煤矸石為原 料提取氧化鋁的方法有酸法、堿法、混鹽法、電鋁水泥法四類。 2Ｈ 2Ｏ )與石英 (ＳｉＯ 2),高嶺石具有單層網(wǎng)結(jié)構(gòu) ,即由 1 層水鋁石和 1 層硅氧體結(jié)合而成 ,單網(wǎng)層間由氫鍵相聯(lián) ,其中氧化鋁的活性差 ,要從高嶺石中提取氧化鋁十分困難。煤矸石中的主要礦物相為高嶺石 (Ａｌ 2Ｏ 3 種技術(shù)路線比較分析 煤矸石中若含有 20%～ 35%的氧化鋁 ,就是制備Ａｌ (ＯＨ )Ａｌ 2Ｏ 3 的很好資源。 此外，二十世紀(jì) 90年，我國出現(xiàn)了幾個從煤矸石提取氧化鋁的專利報道。每噸鋁硅合金售價約 6000元左右，該合金可用作煉鎂還原 劑，使每噸鎂成本降低 1200元以上，可作煉鋼脫氧劑，使每噸鋼成本下降 40 元左右。將粉煤灰和石灰、碳酸鈉經(jīng)高溫?zé)Y(jié)成可溶性的鋁酸鈉及不溶性的硅酸鈣等礦物，二者分離后制得氧化鋁并回收堿，殘?jiān)嘤米鞴杷猁}水泥原料，該試驗(yàn)亦已于 1987年 9月由寧夏區(qū)科委組織通過鑒定。安徽省電力局科技處也已完成“從粉煤灰中提取氧化鋁并生產(chǎn) SC2?? 膠凝材料的方法”的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)項(xiàng) 目，該成果已于 1989 年 1 月公開，并建立一條年產(chǎn) 1000噸 3)(OHA? 和 5000噸 SC2?? 的中試線。工藝從粉煤灰中提取氧化鋁。提取率為 80%，年產(chǎn) 5萬噸氧化鋁和水泥 45萬噸的規(guī)模，還將粉煤灰摻入鋁中，提高鋁的產(chǎn)量，降低 成本增加硬度，改善可加工性及提高耐磨性。此外還年產(chǎn) 6000噸燭照型砂，因考慮到電子、造紙、皮革的工業(yè)部門需求 32??? 逐年增加，且氧化鋁供電解生產(chǎn)金屬鋁質(zhì)量很好，由于生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)氫氧化鋁的經(jīng)濟(jì)效益好目前正進(jìn)行技術(shù)改造，以期達(dá)到年產(chǎn)氫氧化鋁 。如：格羅來維次 水泥廠。 ． 2利用煤矸石提取氧化鋁的國內(nèi)外發(fā)展簡介 早在二十世紀(jì) 50年代，波蘭克拉科夫礦質(zhì)學(xué)院格日麥克教授就以高鋁煤矸石和高鋁礦煤灰 ( 32??? 30%)為主要原材料，從中提取氧化鋁和利用其殘?jiān)a(chǎn)水泥，取得了研究成果，曾于 1960年在波蘭獲得兩項(xiàng)專利，后又在美國等 10多個國家獲得了專利權(quán)。煤矸石中所含的黃鐵礦（ FES）易被空氣氧化，放出的熱量可以促使煤矸石中所含煤炭風(fēng)化以至自