从高铝粉煤灰中提取氧化铝等有用资源的研究.pdf

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1、分类号密级单位代码!Q 2 Z学号g Q Q!】Q西北大学博士学位论文作者：堡盛墨指导教师整蓉专业技术职务墼撞学科(专业)丝壅丝鲎答辩日期学位授予E t 期二o o 七年五月摘要高铝粉煤灰是近年来在我国内蒙古中西部地区发现的一种粉煤灰新类型，其A 1 2 0 3 含量高达5 0 9 6 左右，相当于我国中级品位铝土矿中氧化铝的含量。根据高铝粉煤灰的资源特性结合市场需求，确定了对高铝粉煤灰中A 1 2 0 3、S i 0 2 以及C r a 2 0 3 等有用资源逐级提取，最后将剩余产物生产建材的资源化利用方案。本文运用地质学的研究方法，研究高铝粉煤灰的形成和特性及其后续提取氧化铝过程中的物质演

2、化规律和内在机理，旨在为高铝粉煤灰资源化利用技术路线的制定奠定基础。利用光学和电子显微镜、x _ 射线衍射、化学分析、I C P-M S 分析、2 9 S i 魔角旋转核磁共振、T G A-D T A 分析等手段，综合运用地球化学、矿物学、煤田地质学煤燃烧学、物理化学以及冶金化工等多个学科的理论知识，从分析高铝粉煤灰的物质来源和成因入手，对产生高铝粉煤灰的燃煤煤种一内蒙古准格尔煤田晚古生代烟煤进行无机地球化学特征研究，发现高铝粉煤灰来源于煤中赋存的细分散状勃姆石和高岭石矿物，而这些矿物的形成由当时特殊的地质和地球化学条件所决定；对高铝粉煤灰的显微结构、物相组成、化学组成以及部分主微量元素在不同

3、物相或物相组合中的分布规律的研究表明，高铝粉煤灰中不仅富含氧化铝，而且富集微晶莫来石及非晶S i 0 2 和稀有分散元素G a 等有益组分，是一种十分宝贵的再生矿产资源；根据这些特性确定了高铝粉煤灰逐级提取氧化铝等有用资源的总体技术路线如下：先用高浓度N a O H 对高铝粉煤灰进行低温脱硅以进一步提高粉煤灰的A 1 S i 比，脱硅液用于制备白炭黑，然后再用碱石灰烧结法从脱硅粉煤灰中提取氧化铝。通过系列正交实验，获得了高铝粉煤灰预脱硅和提取氧化铝等关键工艺的物理化学条件和参数，结果表明：1)粉煤灰的最佳脱硅条件为：N a O H 的浓度为2 5，灰碱质量比为1：O 5，反应温度9 5，反应时

4、间4 小时。经最佳条件反应之后，S i 0 2 提取率达4 1 8。经该条件处理后高铝粉煤灰中A 1 2 0 3的含量由4 8 5 增加到了5 7 3 8，A F S i 质量比由原来的1 2 8 提高到了2 3 9 2)脱硅高铝粉煤灰的最佳焙烧条件为：钙比为2：1，钠比0 9 5：1，焙烧温度1 1 5 0，保温时间6 0 分钟熟料中铝酸钠的最佳水溶出条件为；温度7 0 (2、溶出时间1 0分钟。在上述条件下，在实验室制备出了成分指标达到或者超过了行业标准的白炭黑和氧化铝，其中A 1 2 0 3 的提取率超过9 0；对粉煤灰玻璃相与N a O H 之间的灰一碱反应动力学以及脱硅粉煤灰一碳酸钠

5、一碳酸钙体系的焙烧机理和反应热力学进行了探讨研究；最后，以整个工艺过程中的主要物质演化为主线，分析了高铝粉煤灰中的G a 及u、T h、P b、C r 等有毒有害元素在该主线中的迁移规律，为G a 2 0 3 与A 1 2 0 3、S i 0 2 的逐级提取及这些有毒有害元素在生产过程中对人或环境的潜在危害进行防治提供了科学依据。关键词：高铝粉煤灰内蒙古中西部氧化铝非晶态S i 0 2G a2R e s e a r e h0 1 1 1E x t r a c t i o no f A l u m i n aa n d0 t h e rU s e f u lR e s o u l-c e sf

6、r o mH i g hA l u m i n i u mF l yA s hA b s t r a c tAn e wt y p eo ff l ya s hw a sr e c e n t l yf o u n di nt h ew e s to fI n n e rM o n g o l i a,o fw h i c ht h eA 1 2 0 3c o n t e n t(c I o s et o5 0 删i sc o m p a r a t i v et ot h em i d d l ec o n t e n tb a u x i t eo r e s A c c o r d i

7、n gt ot h e 他愀c h a r a c t e r i s t i c so ft h i sh i g ha l u m i n i u mf l ya s h，鹋w e l lt h em a r k e td e m a n d,t h er o u t ew a se s t a b l i s h e df o rt h ee x t r a c t i o no f A l 2 0 3、S i 0 2a n dG a 2 0 3s t e pb ys t e p，缸t h es a m et i m e，t h er e s i d u ew a su s e df o

8、 rs t r u c t u r a lm a t e r i a l G e o l o g i c a lm e t h o d sw 8 5i n t r o d u c e dt os t u d yt h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dc 锄瓒o ff o r m a t i o no ft h eh i g ha l u m i n i u mf l ya s h,a sw e l l 船t h er e g u l a r i t yo fs u b s t a n c ee v o l v e m e n ta n di t si n

9、n e rm e c h a n i s md u r i n gt h ee x t r a c t i o no fA 1 2 0 3，w h i c ha i m e dt ol a yaf o u n d a t i o nf o rt h ee s t a b l i s h m e n to f t h er o u t et oe x t r a c t A l 2 0 3f r o mt h ep a r t i c u l a rf l ya s h I nt h i st h e s i s，s e r i e so fa n a l y s i sa n dt e s t

10、l l l e a s u r 鹤w e r ea p p l i e d,i n c l u d i n go p t i c a la n de l e c t r o nm i c r o s c o p e，X-r a yd i f f r a c t i o n,c h e m i c a la n a l y s e,I C P-M Sa n a l y s i s，2 9 S iM A SN M Rs p e c t r aa n dT G A D T Aa n a l y s i s，a n dM u l t y-k n o w l e d g es u c ha sg e o

11、 c h e m i s t r y,m i n e r a l o g y,c o a ls c i e n c e，c o a lc o m b u s t i o ns c i e n c e,p h y e h e m i s t r y,m e t a l l u r g ya n di n o r g a n i cd a m i 嘶w e 柙i n t r o d u c e d S t a r t i n gw i t ht h er e s e a r c ho ft h es u b s t a n c eS O U T C ea n dc a u s eo ff o r

12、m a t i o no ft h eh i【g ha l u m i n i t m a f l ya s h,c o n d u c tt h ei n o r g a n i cg e o c h e m i s t r yc h a g a c t 翦i n v e s t i g a t i o no nt h ec o m b u s t i o nc o a lo f t h i sf l ya s h-s o t tc o a li nl a t eP a l e o z o i e 帆f r o mJ u n g e rc o a l f i e l di nI n n e

13、rM o n g o l i a,t h e nw ef m dt h a tt h i sk i n d0 f n ya s hm a i n l yo r i g i n a t e sf r o mt h et h i nb o e h m i t ea n dk a o l i n i t et h a td i s p e r s e si nt h ec o a l,a n dt h ef o r m a t i o no fs u c hm i n e r a l sW a Sr e s u l t e df r o mt h ep a r t i c u l a rg e o

14、l o g i c a la n dg e o c h e m i c a le o n d i e i t i o n；T h er e s e a r c hO nt h ep h a s e sa n dc h e m i c a lc o m p o s i t i o n,m i e r o s m a e t u r ea n dd i s t r i b u t i o no fs o m em a j o ra n dt r a c ed e m e n t si nt h eh i g ha l u m i n i u mf l ya s hi n d i c a t e s

15、t h a tt h i sp e c u l i a rf l ya s hi sak i n do fv a l u a b l er e g e n e r a t i v em i n e r a lD 既；0 岫n 瑚a p a r tf r o ma l u m i n a,w h i c hi sa l s oe n r i c h e di nm u U i t ee r y s t a l l i t e，a m o r p h o u sS i 0 2a n du s e f u ls u b s t a n c e G a A e e o r d i n gt os u

16、c hc h a r a c t e r i s t i c so ft h ef l ya s h,t h eb r i e ft e e l m i e a lr o u t eo fe o o p e r a t i v d y c 乜鼬m n gA 1 2 0 3a n do t h e ru s e f u ls u b s t a n c ew a sd e t e r m i n e d 鹤f o l l o w s：F i r s t l y,t h ef l ya s hi sI r e a t e db yh i g he o n e e n l r a t i o no

17、fN a O Hs o l u t i o nu n d e rl o wt e m p e r a t u r et oe x t r a c ta l n o r p h o l l sS i 0 2a n di n c r e a s ei t sA I S ir a t i o a n dt h ed e s i l i e o n e ds o l u t i o b t a i n e dd u r i n gt h i st r e a t m e n t3c a nb eu s e df o rt h ep r e p a r a t i o no fw h i t eo f

18、L r b o nb l a c k T h e nt h ea l k a l i 1 i m e-c a l c i n e dm e t h o di su s e dt oe x t r a c tA 1 2 0 3f r o md e s i l i c o n e df l ya s h T h em a i np h y c h e m i c a lc o n d i t i o n si nt h et e c h n i c a lr o u t ew e r eo p t i m i z e db ys e r i e so fo r t h o g o n a le x

19、 p e r i m e n t sa n dn e c e s s a r yc o m p l e m e n t a r ye x p e r i m e n t s，a n di ts h o w sa sf o l l w i n g s：(1)mo p t i m i z e dc o n d i t i o n so f d c s i l i c o n l i z a f i o n：c o n c e n t r a t i o no f N a O H，2 5；m a s sr a t i oo f a s ht oa l k a l i，I：0 5；r o a c t

20、i o nt e m p e r a t u r e9 5，a n dr e a c t i o nt i m e4h o u r s A f t e rr e a c t i o nu n d e rt h eo p t i m u mc o n d i t i o n s，t h ee x t r a c t i o ne f f i c i e n c yo fS i 0 2a m o u n t st o4 1 8，t h eA 1 2 0 3c o n t e n to f t h ef l ya s hi n c r e a s e sf r o m 铝5 t O5 7 3 8 a

21、 n dk 1 2 0 f f S i 0 2m a s sr a t i oi n c r e a s e sf r o m1 2 8t O2 3 9(2)T h eo p t i m i z e dc o n d i t i o n so ft r e a t i n gt h ed e s i l i c o n e df l ya s h：1 1 忙o p t i m i z e dc o n d t i o n sf o rc a l c i n i n gt h ed e s i l i c o n c df l ya s h：C ar a t i o，2：l；N ar a t i

22、 o n,O 9 5：1；t e m p e r a t u r eo f c a l c i n a t i o n,1 1 5 0，h e a tp r e s e r v a t i o nt i m e，6 0m i n u t e s A n dt h eo p t i m i z e dc o n d t i o n sf o rt h ee x t r a c t i o no fN a A l 0 2：t e m p e r a t u r e，7 0；t i m ef o rd i s s o l u t i o no fN a A l 0 2，1 0m i n u t e

23、s A c c o r d i n gt ot h ec o n d i t i o n sm e n t i o n e da b o v e，w h 沁c a r b o nb l a c ka n da l u m i n ac o n t e n tw i t hm t i o nq u a l 时c r i t e r i o nw a so b t a i n e di nl a b o r a t o r y,a n dt h a tt h ee x t m c 五o nr a t eo fA 1 2 0；w a sm o r et h a n9 0：O nt h eb a s

24、i so fe x p e r i m e n 坞w ec o n d u c tt h ed y n a m i ci n v e s t i g a t i o no nt h el 洲O l lb e“v e e nN a O Hs o l u t i o na n dt h eg l a s so ff l ya s ka n dt h et h e r m o d y n a m i ci n v e s t i g a t i o n t h em a i nc a l c i n e di e a 商o r i so ft h ed e s i l i c o n l i z e

25、 df l ya s h-N a 2 C 0 3-C a C O；F i n a l l y,协姑1 1 9t h em a i ns u b s t a n c ee v o l v e m e n ta st h ec l u e，w ed i s c u s s e dt h em o v e m e n tb e h a v i o u ro fO aa n ds o m ed e l e t e r i o u se l e m e n t ss u c ha sU、T h、P ba n d w h i c hw o u l dp r o v i dt h es c i e n t

26、i f i cg u i d a n c ef o rt h ec o o p e r a t i v ee x t r a c t i o no fA 1 2 0 3、s i(ha n dG a 2 0 3 a sw e l lf o rt h ee l i m i n a t i o no ft h ep o t e n t i a lh a r mt oh u m a no rt h ee n v i r o n m e n tr e s u l t e df r o mt h e s ed e l e t e r i o u se l e m e n t s K e yw o r d

27、s：h i 出a l u m i n af l ya s hm i d d l ew e s ti nI n n e rM o n g o l i aa l u m i n a4西北大学学位论文知识产权声明书本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于西北大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时，本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西北大学。墨差蓑

28、妻羹喜墓霎亍超指导教师签名：勉学位论文作者签名：滋塔堇指导教师签名：翅堑遨D 7 年雪月3 1 日力7 年厂月，日jf西北大学学位论文独创性声明本人声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，本论文不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西北大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名：纭域乒叼年专目3 1 日第一章绪论第一节研究背景与意义一国内外粉煤灰的大量产生、堆积及其对环境的污染(一)粉煤灰的大量产生电厂的

29、煤粉在高温燃烧的过程中，其中的碳、硫、磷、氮等挥发份大多以气体的形式排入大气，储存在有机碳中的能量转化为热能，而无机矿物或者组分则在经历了骤热骤冷的两次温度突变之后，发生了不同程度的物理和化学变化，绝大部经熔融、聚合而形成粉煤灰粒子。这些含有大量粒子的所谓烟气在电厂锅炉尾部引风机的抽气作用下，流向炉尾，在排风设备将其排入大气之前，烟气中绝大多数的球形颗粒经过除尘设备分离而被收集，即称为粉煤灰【”】，也叫飞灰。少数煤粉粒子在燃烧过程中，由于碰撞粘结成块，沉积于炉底，称为底灰。飞灰一般占灰渣总量的8 0 9 0 9 6，底灰约占1 0-2 0 9 6。粉煤灰中一般富含多种有用的主微量元素【4 t7

30、 1。2 0 世纪后半叶，随着世界人口的迅速增长以及工业化程度的日益提高，国内外对包括电能在内的各种能源的需求量迅速增长，发电用煤的消耗量与日俱增，导致粉煤灰的排放量也急剧增加。最近几年，在我国的煤炭消耗中，有5 1 以上的煤炭用于发电，这一数字在美国则超过8 0。据中国煤炭工业协会统计嘲，2 0 0 5 年我国煤炭消耗量为2 0 4 亿吨，其中电煤消耗量约1 1 亿吨，比2 0 0 4 年增一加l 亿吨；2 0 0 6 年煤炭消耗量约2 2 亿吨，电煤消耗量达到1 2 1 亿吨；在0 7 年和0 8 年可能会分别达到1 3 0 6 亿吨和1 3 9 亿吨。全球在2 0 0 5 年的煤炭消耗量

31、更是接近6 0 亿吨。煤炭的大量消耗导致粉煤灰的大量产生，资料显示，1 9 8 3 年，我国的粉煤灰年产量仅为4 0 0 0 万吨，1 9 9 4 年接近9 0 0 0 万吨，到2 0 0 6 年则猛增到3 亿吨，我国粉煤灰的累计堆放量更是高达十数亿吨。就全球而言，仅2 0 0 6年一年，粉煤灰的总排放量便达到了1 2 亿吨。(二)粉煤灰对环境的危害粉煤灰作为一种工业固体废弃物，如果不及时处理或者处理不当，就会对环境甚至人类的生存造成严重的危害。大量堆积的粉煤灰会对环境造成以下几个方面的危害和影响m：1)占用土地，浪费资源。储存或者堆放粉煤灰需要占据大量的土地或农田，并浪费大量的人力、物力、财

32、力据统计，每掩埋或者储存1 吨粉煤灰，处理费用约为1 5 2 0 元。2)污染空气。储存于灰场的干燥粉煤灰，只要有四级以上的风力，即可将表层灰粒剥离扬起，扬灰高度可达2 0 5 0 m，悬浮于大气中的粉煤灰不仅影响能见度，而且会造成空气质量严重恶化，在潮湿环境中还会对建筑物、工程设旌等表面造成腐蚀。一3)污染水体。对水体的污染主要是电厂湿法排灰将大量粉煤灰直接排入江河湖而造成的。粉煤灰进入水体，使水体浊度增加，形成的沉积物会堵塞河床、使湖泊交浅，悬浮物和可溶物会恶化水质。此外，一般湿排1 吨粉煤灰需耗水2 0 m 3，造成水资源的极大浪费，而粉煤灰中P b、H g、C r、C d、A s 等有

33、毒有害元素的淋滤液也会造成地下水的污染；。4)污染土壤。贮存在灰场及漂浮于大气中的粉煤灰降落到地面都会污染土壤，造成土质碱化及其他影响，影响农作物、植物生长及养殖业、畜牧业生产；5)放射性污染。大多数粉煤灰中均含有一定量的U、T h 等放射性元素，这些放射性元素会对粉煤灰存储地附近造成较为明显的放射性污染；6)影响人类健康。粉煤灰中所含的重金属元素、有毒物质、放射性物质等有害物若通过污染空气、水体、土壤及农作物后进入人体，会对人类的呼吸道系统产生不利影响，危害人体健康。二铝资源需求的迅猛增长及优质铝土矿的供应危机在人们对煤炭需求量日益增加的同时，对铝、铜、铅、锌等有色金属的需求量也越来越高，其

34、中对铝的需求量最大。由于铝主要来源于氧化铝的电解，因此对铝需求量的急剧增加导致了氧化铝的大量生产和消耗，也同时导致了氧化铝价格的大幅上升。据英国C R U 统计，2 0 0 5 年全球氧化铝产量约为6 1 3 1 万吨，需求约6 2 3 0 万吨，供需缺口9 9 万吨，与此同时，2 0 0 5 年氧化铝的国际市场价格大幅上涨到5 2 0 0 元，吨的历史最高水平。2 0 0 6 年，氧化铝总产量为6 7 6 7 8 万吨，总消费量为6 6 0 6 4 万吨，供需富余1 6 1 4 万吨，氧化铝的价格有所回落。在国内，我国氧化铝的供求矛盾更为突出，2 0 0 5 年，我国氧化铝总产量为8 5 0

35、 万吨左右，进口量高达6 9 0 万吨，2 0 0 6 年总产量猛增到1 2 6 8 万吨，进口量依然高达6 5 0 万吨左右。目前，国内外的氧化铝生产几乎全部来源于铝土矿的冶炼。在我国，氧化铝的大量生产导致优质铝土矿急剧减少尽管国内的铝土矿资源丰富，但A J S i 大于l O 的优质铝土矿很少，9 5 的铝土矿品位低、A l，S i 低、溶出性差，决定了我国氧化铝生产工艺流程长、能耗高、成本高。加之我国的铝土矿分布极不平衡(我国的铝土矿主要分布于山西、河南、贵州、山东和广西五省，其它地区分布很少)，且铝土矿开采技术落后，开采效率低下，这进一步加速了我国优质铝土矿的枯竭。2 0 0 6 年，

36、中铝公司甚至就斥资2 2 亿美元在澳大利亚购买铝土矿的可行性进行研究。在上述背景之下，探索氧化铝新的来源渠道就变得很有意义。2三高铝粉煤灰作为氧化铝提取对象的可能性高铝粉煤灰是近些年来随着我国西部煤炭资源的开发以及大型火力发电厂的建设，出现在内蒙中西部地区的一种新的粉煤灰类型，其A 1 2 0 3 含量通常可达5 0 左右，相当于我国中低品位铝土矿中A 1 2 0 3 的含量。初步统计，2 0 0 6 年，该地区高铝粉煤灰排放量在1 0 0 0 万吨以上【l o l。毫无疑问，在我国优质铝土矿面临桔竭、国内氧化铝需求量不断快速增长的今天，这种粉煤灰最有价值的利用方式就是从中提取氧化铝。如果能结

37、合这类高铝粉煤灰的物理化学特点，按照合理的工艺路线从中提取氧化铝，那么首先可以提高粉煤灰的利用水平，实现这类宝贵资源的高附加值利用；其次还可以实现这类粉煤灰的大量。消化”，从而克服以往我国粉煤灰综合利用的一大瓶颈，即高附加值利用的吃灰量太小，比如利用粉煤灰制备白炭黑【】、非冶金氧化铝或氢氧化铝【1 2-1 5 、提取空心微珠等1 1 6 1；而吃灰量大的附加值低，比如将粉煤灰用于铺设公路、混凝土工程、土地回填等【l”。高铝粉煤灰的A l，s i 虽然低于碱石灰烧结法所采用的中低品位铝土矿，但经过预先脱硅处理之后，A】S i 会明显提高并与铝土矿接近。而且与铝土矿相比，粉煤灰颗粒细，硬度低，这样

38、就能免去繁杂的选矿和破碎工序，这也是粉煤灰提取氧化铝的优势之一。严密地研究论证表明，采用适当的技术方案从这类高铝粉煤灰中提取舢2 0 3，在技术上、环保上、经济效益和社会效益上都是可行的。化学及物相成分分析结果表明【l q，这种高铝粉煤灰除了富含A l z 0 3 以外，还含有以下两种非常有提取价值的资源：第一，高铝粉煤灰含有一定数量的玻璃相，这些玻璃相以非晶态s i 0 2 为主，其中的S I O 2 A 1 2 0 3(质量比)高达1 2 3。如果能在提取A 1 2 0 3 的同时，也能将非晶态S i 0 2 偕同提取，并将提取的s i 0 2 进一步处理成白炭黑或者其它硅质产品，那么就可

39、以大幅增加这类高铝粉煤灰的利用价值。白炭黑是多孔性物质，组成可用s i 0 2 n i l 2 0 表示，其中n i l 2 0 是以表面羟基的形式存在。白炭黑能溶于苛性碱和氢氟酸，不溶于水、溶剂和除氢氟酸以外的酸，耐高温、不燃、无味、无嗅、具有很好的电绝缘性。白炭黑可大量用作橡胶补强剂，在造纸、涂料、医药等其它领域，也有较大需求量【1&搠，所以同样有很好的市场潜力；第二，该类高铝粉煤灰的G a 2(h 含量高达0 0 1 5，超过了镓矿可提取的边缘品位。镓的用途同样十分广泛，主要用于电子工业。全世界每年镓的需求量为1 0 0 吨，而实际产量不足8 0 吨，因此镓的提取同样具有很好的市场前景2

40、 1 1。综上所述，如果能从该类高铝粉煤灰中逐级提取A 1 2 0 3、S i 0 2 甚至G-a z 0 3，那么既可以在很大程度上挖掘这类粉煤灰的潜力，提高其综合利用水平，又能拓宽产品渠道，增加产值，从而降低每吨氧化铝的生产成本，增加其在市场上的竞争力，为当地带来较大的经济效益。四研究现状(一)粉煤灰综合利用简介从5 0 年代开始，前苏联、英国、美国、荷兰、日本等发达国家相继开始对粉煤灰的物理化学特性、实践应用等进行了研究。现在已明确作为一种二次资源进行开发利用。西方发达国家粉煤灰的综合利用率基本达5 0 以上。个别国家达9 0 以上。我国粉煤灰综合利用率为4 0 6，与西方发达国家相比利

41、用率较低。目前；国内外对于粉煤灰的利用主要用于以下几个方面：1)用作填筑材料，用来综合回填、矿井回填、小坝和码头等【2 2-2 4 1；2)用作水泥原料、生产墙体材料、轻质多功能新型建筑材料 2 5-2 9 l；3)用在农业上，生产粉煤灰复合肥及土壤改良o l；4)用于建筑工程，修筑水库大坝等道路工程1 3“3 2 1；5)用于提取其中的空心微珠、碳粒、金属及化合物等有用物质 3 3-3 6 1；6)用于废水、废气和大气治理【3 7 删；。7)用来制备耐火材料【4 1 4 2】：8)用于合成沸石等有用矿物【4 乱。归纳起来，目前对粉煤灰的利用主要有两种方式；一是利用粉煤灰的某些物理化学特性，直

42、接用于建筑工程、基础工程和农业等领域，将其作为生产建筑材料的原料，这种用途的吃灰量较大，但没有充分发挥粉煤灰的作为二次资源的自身价值。上面罗列的1)4)就属于这类利用方式；二是将粉煤灰作为一种宝贵的再生资源，针对粉煤灰的具体特点，将粉煤灰按照一定的工艺进行处理，然后从粉煤灰中提取高附加值的产品。这种用途能发挥粉煤灰作为二次资源的自身价值，技术含量较高，但吃灰量较小，难以应付堆积如山，年排放量继续增长的粉煤灰。上面罗列的(5)一(8)属于第二类利用方式。(二)从粉煤灰中提取氧化铝的研究进展及存在问题从粉煤灰中提取氧化铝是将粉煤灰作为一种二次资源的高附加值利用，相比于将粉煤灰应用于建筑、建设及农业

43、领域的研究，从粉煤灰中提取氧化铝等有用资源的研究目前仍然处于理论研究阶段，可用于工业化生产的技术路线非常有限。从粉煤灰中提取有用资源的研究包括铝硅等主量元素的提取【4“叼以及镓、铟、锗、钪、钴、镍、钒等微量元素的提取 4 9-5 1】。国外利用粉煤灰提取氧化铝氢氧化铝的研究起步较早，早在2 0 世纪5 0 年代，波兰克拉科夫矿冶学院格日麦克教授以高铝煤矸石或高铝粉煤灰(h i 2 0 3 3 0)为主要原料，采用石灰石煅烧法，从中提取氧化铝并利用其残渣生产硅酸盐水泥，取得了一些研究成果，并于1 9 6 0 年在波兰获得两项专利。美国采用A l l i e S 法(石灰烧结法)，年处理粉煤灰3

44、0 万吨，A 1 2 0 3 提取率为8 0。4美国橡树岭国家实验室已完成D A L 法(酸浸法)从粉煤灰中提取各种金属、残渣作填料的研究。此外美国还将粉煤灰掺入铝中，提高铝的产量，降低成本、增加硬度、改善可加工性及提高耐磨性。近些年来国外有关这方面的报道较少，较新的研究成果是P a r k 掣5 2】采用明矾中间体法从粉煤灰中提取了氧化铝。我国从粉煤灰中提取氧化铝的研究同样可以追溯到2 0 世纪5 0 年代，至1 9 8 0年，安徽冶金科研所和合肥水泥研究所提出用石灰石烧结碳酸钠溶出工艺从粉煤灰中提取氧化铝、其硅钙渣用作水泥原料的工艺路线，于1 9 8 2 年2 月通过专家鉴定。宁夏自治区建

45、材研究院在9 0 年前后展开了碱石灰烧结法从粉煤灰中提取氧化铝的研究，其特点之一就是先对粉煤灰进行脱硅处理之后再采用碱石灰烧结法从中提取氧化铝1 5 3】。内蒙古蒙西集团和中国科学院长春应用化学研究所合作，已经进行了将近l O 年的研究，目前已经获得了一套石灰石烧结法提取氧化铝并联产水泥的技术路线，该项目2 0 0 6 年初通过批准，现已开始投资兴建年产4 0 万吨氧化铝的生产线。此外，东北大学在山西也展开了类似的研究，目前也已取得阶段性成果。从粉煤灰中提取氧化铝的方法按主要添加剂的酸碱性来说可分为酸法 5 4 5 5 l、碱法 5 6-5 9 1 以及酸碱混合法【删，一些常见方法的优缺点及存

46、在的主要问题介绍如下：酸法较有代表性的方法是硫酸浸取法，该方法为：首先用一定浓度及体积的N H 4 F 作为助溶剂对粉煤灰进行浸泡，然后用一定浓度和体积的H 2 S 0 4 在一定温度下进行溶解，砧以-a 2(s 0 4)3 的形式被从粉煤灰中浸出，除去杂质F e 后加入(N 地)2 s 0 4 与之反应生成删(S 0 4)2 1 2 H 2 0。最后在9 5 0 下加热N H o M(S 0 4)2 1 2 H 2 0 就可褥到A 1 2 0 3 碱法研究的较为深入和全面，具有代表性的方法是石灰石烧结法和碱石灰烧结法。石灰石烧结法系五六十年代我国从前苏联引进，该方法也是国内外从粉煤灰中提取氧

47、化铝最为常用的方法混合法就是先用N a 2 C 0 3 以一定比例和粉煤灰混合焙烧，然后用稀盐酸(或者稀硫酸)进行溶解，生成硅胶和A l C b 或者A 1 2(s 0 4)3】溶液，将硅胶过滤用于进一步制备白炭黑，对滤液进行除杂后加入N a O H 进行中和，溶液达到一定P H 值后沉淀出A I(O I I)3，最后煅烧A l(O H)3 得到砧2 0 3。上述几种方法各有优点，酸法生产的A 1 2 0 3 纯度较高，整个工艺过程中的成渣量少；碱法工艺较为简单，比较适合于大规模生产；而酸碱混合法在将粉煤灰中超过9 0 的A 1 2 0 3 提出的同时，也将其中的大部分s i 0 2 提取出来

48、，提出的s i 0 2既可以制作硅胶，也能进一步制各自炭黑。上述方法均存在一定的缺点：酸法引入了N H 4 F 作为助溶剂，而N H 4 F 在受热过程中很容易挥发分解或与其它物质反应生成氟化物，氟化物对人有很大的危害，且H 2 s 0 4 的大量使用也使得该方案难以产业化；碱法中的石灰石烧结法由于石灰石的使用量过大，造成能耗过高，且氧化铝提取后成渣量过大，以蒙西集团为例，每生产1 吨氧化铝大约要产生9吨渣。更主要的是，粉煤灰玻璃相中的非晶态S i 0 2 等有用组分均没有被合理利用，而是直接进入渣里。由于上述原因，国内用该方法提取A 1 2 0 3 的厂家几乎全都停产；宁夏建材院所采用的碱石

49、灰烧结法虽然预先用低浓度N a O H 对粉煤灰进行了预脱硅处理，因此每生产1 吨氧化铝的成渣量便比石灰石法有所降低。但该工艺存在对脱硅设备要求较高、脱硅液制各白炭黑等产品时能耗过大等不利因素，所以该方法同样没能在工业上成功推广：酸碱混合法的强酸、纯碱(或者苛性碱)消耗量过大，且A 1 C 1 3 溶液中F e、啊等杂质难以去除，这些都是限制该技术方案产业化的不利因素。综上所述，近年来，国内外从粉煤灰中提取舢2 0 3 等有用资源的大部分研究成果仅具有理论意义，限制这些研究成果产业化的主要原因有以下几点：1)粉煤灰有用资源的提取研究不系统，例如，有些单独研究提取A 1 2 0 3，一些专门研究

50、提取S i 0 2，另一些专门研究提取微量元素，这些研究都是自成体系，没有将资源的提取进行相互关联、整合，而使之成为一个可行的整体方案，使提取成本居高不下，难以进行产业化推广；2)即使是单独提取A 1 2 0 3 或s i 0 2 的研究，所取得的技术路线从提取率、能耗、物耗环保及可操作性上来衡量，都存在一定的缺陷，从而限制其产业化推广；3)理论研究和应用研究没有进行有机统一，应用研究缺乏系统而深入的基础理论研究支撑，导致难以产生适合工业化生产的技术方案。在我国，至今还没有一套系统完整的粉煤灰资源化利用研究成果。五选题意义基于西部资源开发与环境保护以及发展循环经济的战略需求，清华大学和清华同方