湿法冶金工艺在粉煤灰综合利用中的应用现状与展望_肖景波

循环利用。工艺过程不需添加任何助剂，实现了废渣减量化， 有利于减少废渣对环境的二次污染。
此外，硫酸铝铵为弱酸盐，对设备及材料腐蚀较轻。不足 之处在于： 从硫酸铝铵溶液中去除铁等杂质较为困难。在对分 离氢氧化铝后含硫酸铵母液进行循环利用时需进行浓缩，耗能 较高。同时工艺过程没有对硅进行综合利用，渣量仍然较大， 对环境有一定的影响。 1. 1. 5 碱溶 － 烧结联合法 1. 1. 5. 1 工艺概要
目前我国对粉煤灰的综合利用水平不高，约为 67%［2］，主 要用于建筑材料和建设工程等领域，如用于制砖、生产水泥、 泡沫玻璃、商 砼、加 气 混 凝 土、陶 粒、轻 质 建 材、填 充 材 料 等，利用层次比较低。采用湿法冶金工艺由粉煤灰制备氧化铝 和白炭黑是粉煤灰高附加值化、精细化综合利用的主要方向， 也是近年来学术及产业界研究、关注的热点。
中图分类号： TQ115
文献标志码： A
文章编号： 1001 － 9677（ 2015） 020 － 0031 － 05
Application of Hydrometallurgical Process in Fly Ash Utilization
XIAO Jing － bo （ Nanyang Oriental Application Chemical Ｒesearch Institute，Henan Nanyang 473100，China）
Abstract： The chemical and composition of fly ash were described. The method and utilization of the status quo for hydrometallurgical process of fly ash utilization were introduced. Its advantages and disadvantage of the main method were evaluated. Ash proposed research and industrial practice should pay attention to solve the four key issues，such as product direction，valuable elements decomposition，valuable elements of separation and environmental protection. The new technology of combined treatment with acid for high dispersion specific － tire － silica，high － purity iron oxide and cryolite was described，which was preparated from fly ash. It was compared with the reported typical process.
该法的优点是工艺简单，设备腐蚀性小，耗碱量较小，焙 烧物料无需破碎； 缺点是烧结温度高，能耗高，石灰石消耗量 大，氧化铝溶出率不高，仅为 70%［4］，此外未能对硅、铁资源 进行综合利用，CO2 和硅钙渣排放量大，环境负仍然较重。从 产出角度看，假定粉煤灰中含氧化铝 50% ，溶出率 70% ，收率 90% ，每处理一吨粉煤灰产出冶金级氧化 铝 319 kg，出 厂 价 2. 9 元 / kg，产值 925 元，生产企业盈利难度大。 1. 1. 2 碱石灰焙烧法
作者简介： 肖景波 （ 1962 － ） ，男，高级工程师，主要从事非金属矿综合利用、湿法冶金、工业废弃物综合利用、硼、镁化合物制备工艺研究。
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广州化工
2015 年 10 月
1. 1. 2. 1 工艺概要 将粉煤灰、石灰石和碳酸钠混合均匀，经高温焙烧使莫来
石的 Si － O － Al 键得以破坏，将莫来石和石英转化为易溶于水 的偏铝酸钠（ NaAlO2 ） 和难溶的硅酸钙（ 2CaO·SiO2 ） ［3］。焙烧 熟料经水溶、分离、两段脱硅、碳分等工序制得氢氧化铝，再 经煅烧得氧化铝产品。 1. 1. 2. 2 评 析
（ 1） 预脱硅及白炭黑的制备 将粉煤灰与氢氧化钠溶液混合并调配成浆，然后送二氧化 硅溶出工序，使其中的部分二氧化硅与碱反应生成硅酸钠，再 经过滤收得低模数硅酸钠溶液和脱硅灰滤饼。将大部分低模数 硅酸钠溶液送粗白炭黑制备工序，少部分送粗白炭黑回溶工序 用作溶剂。 将低模数硅酸钠溶液经碳分制得粗白炭黑。分离粗白炭黑 后母液及洗水（ 含碳酸钠） 送苛化工序。将所制得的粗白炭黑于 回溶工序与低模数硅酸钠溶液混合，以溶液中的游离碱与粗白 炭黑反应使反溶为硅酸钠，过滤后获合格硅酸钠溶液。 将合格硅酸钠溶液送白炭黑制备工序，经碳分制得正品白 炭黑，分离白炭黑所得母液及洗水用于石灰消化。将白炭黑于 调浆槽中与稀 硫 酸 混 合 进 行 酸 化 处 理， 再 经 分 离、 洗 涤、 干 燥、包装制得白炭黑［5］。 （ 2） 氧化铝的制备 将脱硅灰与系统产生的苛化渣（ 含碳酸钙） 、含有碳酸钠的 溶液等混配、磨细后送焙烧工序进行焙烧，使其中的硅转化为 硅酸钙，氧化铝转化为铝酸钠。以水或稀碱液将铝酸钠溶出， 经过滤收得铝酸钠溶液和硅钙渣（ 赤泥） 。将铝酸钠溶液用石灰 乳脱硅后种分、碳分，再经分离制得氢氧化铝和碳分母液（ 含 碳酸钠） 。将氢氧化铝洗涤，脱水后煅烧制得冶金级氧化铝， 碳分母液蒸浓后用于烧结配料。 （ 3） 工艺过程还有石灰烧制，消化及粗白炭黑母液、洗水 苛化，苛化液浓缩工序等 1. 1. 3. 2 评 析 本工艺的优点在于实现了对工艺过程废水和氢氧化钠的循 环利用，制备出了沉淀白炭黑和冶金级氧化铝产品。缺点是工 艺流程长，能耗高，处理成本不易控制，硅、铝利用率低且对 铁未能综 合 利 用，有 大 量 的 硅 钙 废 渣 排 放 等。 从 有 关 渠 道 获 知，每处理一吨粉煤灰要产生一吨半赤泥，环境包袱沉重。从 效益和环保角度看，该工艺产业化难度较大。 1. 1. 4 硫酸铵焙烧法 1. 1. 4. 1 工艺概要 将粉煤灰与硫酸铵按一定比例混合后进行低温焙烧，使粉 煤灰中的氧化铝与硫酸铵反应生成硫酸铝铵同时产生氨。将烧 成熟料用水溶出，经过滤收得硫酸铝铵溶液和高硅渣。硫酸铝 铵溶液经除铁、还原、分解 （ 氨中和） 、过滤、洗涤得粗氢氧 化铝和硫酸铵溶液。将粗氢氧化铝精制制得氢氧化铝，煅烧氢 氧化铝得氧化铝产品。工艺过程氨和硫酸铵溶液循环利用［6］。 1. 1. 4. 2 评 析 硫酸铵焙烧法的优点在于： 硫酸铵和生产中产生的氨气可
Key words： hydrometallurgy； fly ash； application
粉煤灰是一种典型的大量工业固体废弃物，2015 年我国排 放总量将达到 5. 8 亿吨［1］，形成沉重的环境负担。
粉煤灰的 化 学 组 成 主 要 为 SiO2 、Al2 O3 、Fe2 O3 和 未 燃 尽 C，此外还有少量的 Mg、Ti、K、Na、P、S 的氧化物以及稀有 金属氧化物等，从笔者研究过的粉煤灰情况看： SiO2 、Al2 O3 、 Fe2 O3 和 C 的 含 量 通 常 在 23. 8% ～ 56. 5% 、10. 1% ～ 37. 3% 、 4. 3% ～ 14. 1% 和 3. 4% ～ 29. 2% 之 间。物 相 主 要 由 莫 来 石 （ 3Al2 O3 ·2SiO2 ） 晶相和硅铝酸盐玻璃相组成，其它还有石英 （ SiO2 ） 、赤铁矿（ Fe2 O3 ） 、磁铁矿 （ Fe3 O4 ） 、刚玉 （ α － Al2 O3 ） 等。
酸法主要优点是流程简单，能耗较低，SiO2 组分可用于生 产高附加值的无机硅化合物，如白炭黑等。可有效实现铝硅分 离，提高氧化铝溶出率。该法存在的不足是： 酸消耗量大，设 备腐蚀严重，酸蒸汽污染环境，铝分解率低等。以氟化物 （ 氟 化铵、氟化钠等） 作助溶剂虽可提高 Al2 O3 溶出率，但反应过 程生成氟化物气体，不仅会增加对设备的腐蚀，而且对空气和 水体也会造成污染。此外，从已报道的研究情况看，均未实现 对粉煤灰中铁元素的综合利用。
1 研究进展及产业化现状
1. 1 研究进展
以湿法冶金工艺对粉煤灰进行综合利用，按分解方法的不 同可分为碱法、酸法及酸碱联合法。
1. 1. 1 石灰石焙烧法 1. 1. 1. 1 工艺概要
将粉煤灰与石灰石磨细，然后按配比混匀，在 1320 ～ 1400 ℃ 下焙烧，使莫来石的 Si － O － Al 键得以破坏，将莫来石和石英 转化为铝酸钙（ 12CaO·7Al2 O3 ） 和硅酸二钙（ 2CaO·SiO2 ） ，使 粉煤灰中的氧化铝得到活化［3］。
与碱石灰烧结法相比，该工艺降低了烧结温度，能耗相应 降低。采用先水浸脱硅再碱溶二次水热处理工艺，实现了粉煤 灰中硅铝组分的高效分离，制得氧化铝产品及无机硅化合物； 缺点是工艺复杂、耗碱量大、成本高，铝酸钠粗液苛性比高、 硅钙尾渣不易分离利用、对铁末能利用等。 1. 1. 6 酸 法 1. 1. 6. 1 工艺概要
酸法是用无机酸（ 硫酸或盐酸） 分解粉煤灰，使其中的金属 氧化物转化为盐类，如 AlCl3 、Al2 （ SO4 ） 3 、FeSO4 、Fe2 （ SO4 ） 3 等，进而被溶出，二氧化硅留存于固相中。分离溶液中的铁制 得铝盐溶液，再 通 过 采 取 一 定 的 工 艺 措 施 制 得 铝 盐 及 氢 氧 化 铝、氧化铝等产品。 1. 1. 6. 2 评 析
综述，并对不同处理方法的优点和不足进行了评析。提出了粉煤灰综合利用研究和工业实践中应注意解决的产品方向、有价元素 的分解、有价元素的分离和环境保护四个关键性问题。对以酸碱联合法处理粉煤灰制备高分散性轮胎专用白炭黑、冰晶石和高纯 氧化铁新工艺进行了介绍，并与已报导典型工艺进行了对比分析。
关键词： 湿法冶金； 粉煤灰； 应用
第 43 卷第 20 期 2015 年 10 月
广州化工 Guangzhou Chemical Industry