沈洪源

（中國海洋石油公司，北京100010）

綜述與專論

SNG飛灰制備氧化鋁技術經(jīng)濟分析

沈洪源

（中國海洋石油公司，北京100010）

粉煤灰制備氧化鋁可使合成天然氣（SNG）產(chǎn)生的灰渣得到綜合利用，同時能夠解決灰渣污染的問題。簡述了酸法工藝和堿法工藝技術的優(yōu)缺點，并對2種工藝的運行成本及收益做了計算。酸法工藝將粉煤灰直接與酸反應，其工藝簡單，但是存在酸液腐蝕設備以及含硅廢渣二次污染的缺點。堿法工藝在氧化鋁溶出之前增加了焙燒活化工序，使提鋁過程更為溫和，但是活化過程中能耗較高，容易造成能源浪費。堿法工藝在提鋁的同時最大限度地利用了二氧化硅，提升了產(chǎn)品的附加值，使堿法工藝的利潤高于酸法。綜合比較，堿法工藝具有更好的市場和應用前景。

SNG；粉煤灰；氧化鋁；技術經(jīng)濟分析

中國化石能源消費主要依賴煤炭，2013年中國煤炭消費量為36.1億t，占一次能源消費結(jié)構(gòu)的66.0%［1］。煤炭的使用方便了人類的生活，卻也帶來了嚴重的環(huán)境污染問題。合成天然氣（SNG）技術作為一種潔凈煤技術而得到廣泛利用，但是該技術在煤氣化階段會產(chǎn)生一定量的爐渣和飛灰，一般統(tǒng)稱粉煤灰［2］。粉煤灰主要成分為氧化硅和氧化鋁，平均質(zhì)量分數(shù)分別為45.7%和42.1%，其余為三氧化二鐵以及氧化鈣等雜質(zhì)［3］。預計到2020年，中國粉煤灰的排放量將達到5億t/a［4］。通常處理粉煤灰的方法為堆積儲存或掩埋，但是由此引發(fā)了土地資源浪費、環(huán)境污染以及人力、物力極大消耗的問題。另一方面，隨著中國氧化鋁工業(yè)的快速發(fā)展，國內(nèi)鋁土礦開采量無法滿足消費需求，每年需要進口大量鋁土礦［5］。如果能將粉煤灰中的氧化鋁提取出來，既能緩解中國對鋁土礦的需求，又可解決粉煤灰堆放帶來的環(huán)境污染問題。

從粉煤灰中提取氧化鋁的工藝主要分為粉煤灰活化、氧化鋁浸出、分離、提純、焙燒等工序，根據(jù)氧化鋁浸出工序中浸出液的不同，粉煤灰處理工藝可分為酸法工藝和堿法工藝。筆者對酸法和堿法的技術和經(jīng)濟成本做了分析，闡述了各種工藝的優(yōu)點和缺點，指出了工藝的發(fā)展方向。

1 工藝流程

因燃煤種類和水煤漿氣化爐操作條件的不同，粉煤灰的化學組成也有所差異，表1為粉煤灰中各組分的含量。本文研究的粉煤灰按照化學組成的平均值計算。

表1 粉煤灰的化學組成［6］%

1.1 酸法工藝

圖1為粉煤灰提取氧化鋁的酸法工藝流程。由圖1可見，粉煤灰經(jīng)活化后制得的活化粉煤灰直接與酸反應，將其中的鋁溶解出來得到鋁鹽溶液，后經(jīng)濃縮結(jié)晶及焙燒得到氧化鋁粗粉，經(jīng)過拜耳法工藝得到冶金級氧化鋁。在酸法工藝中，硫酸和鹽酸均是常用的氧化鋁浸出液，其中硫酸對氧化鋁的浸出率略高，更為常用［7］。

圖1 粉煤灰提取氧化鋁的酸浸法工藝流程圖

1.1.1 工藝研究

粉煤灰的顆粒尺寸分布較大，不利于浸出工藝的進行，因此需要對粉煤灰做預活化處理。常規(guī)的活化方法為物理活化，即直接將粉煤灰研磨至一定尺寸。也有學者將粉煤灰與石灰石或堿石灰混合后在高溫下焙燒，冷卻后的樣品會自動粉化［8］。R.H. Matjie等［9］發(fā)現(xiàn)粉煤灰和石灰在1 000～1 200℃下煅燒活化后，用濃度為6.12 mol/L的硫酸在80℃下浸出4 h，氧化鋁的提取率可得到明顯提高。張金山等［10］發(fā)現(xiàn)活化后的粉煤灰采用質(zhì)量分數(shù)為40%的硫酸浸出時，浸出工藝更為溫和。由此可見，焙燒活化與常規(guī)物理活化相比不僅能夠提高自粉化率和氧化鋁的提取率，還會使提取工藝更加溫和。但高溫焙燒工藝能耗較高，實際應用過程中較少采用。

浸出工序中，粉煤灰與酸溶液混合后升溫到指定溫度，反應一段時間即可將氧化鋁轉(zhuǎn)化為鋁鹽溶液。硫酸和鹽酸均是常用的浸出液，其中硫酸對氧化鋁的浸出率略高［7］。酸法浸出的常規(guī)工藝為濃硫酸與粉煤灰按照質(zhì)量比7.5∶1混合均勻，在260℃下反應2 h，可以達到87%的氧化鋁提取率［11］。也有學者在酸溶過程中添加了氟銨助劑，經(jīng)除雜、加熱、灼燒等工序制備出質(zhì)量較高的Al2O3產(chǎn)品，Al2O3的提取率高達97.36%［12］。然而此法在溶出過程中產(chǎn)生的HF、SiF4等氣體會危害環(huán)境和操作人員的健康，此外溶液中氟化物的存在對設備材質(zhì)要求也高，溶液中雜質(zhì)離子也較多。

重結(jié)晶過程中，將硫酸鋁溶液升溫至指定溫度后濃縮，后結(jié)晶得到硫酸鋁產(chǎn)品。硫酸鋁可作為產(chǎn)品銷售，也可在較高溫度下焙燒得到γ-Al2O3產(chǎn)品。吳艷［11］將硫酸鋁溶液在115℃下蒸發(fā)結(jié)晶，所得固態(tài)硫酸鋁則于800℃焙燒制得氧化鋁。氧化鋁經(jīng)拜耳法處理后得到冶金級氧化鋁。

1.1.2 應用進展

神華集團公司與吉林大學合作開發(fā)的粉煤灰酸法提取氧化鋁技術，采用稀土鉭鈮合金制成的耐酸設備和管道，其設備投資巨大，難以實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)［13］。平朔煤炭工業(yè)公司以高濃度硫酸為浸出液，硫酸鋁溶液濃縮結(jié)晶所得的硫酸鋁可直接銷售，也可將其制成氧化鋁后銷售［14］。該公司規(guī)劃年處理20萬t粉煤灰工業(yè)項目，因技術問題至今尚未投產(chǎn)。

1.2 堿法工藝

圖2為粉煤灰提取氧化鋁堿法工藝流程圖。由圖2可見，粉煤灰或預脫硅之后的粉煤灰首先與石灰石或堿石灰混合，再在較高溫度下焙燒，以破壞其網(wǎng)狀硅鋁玻璃相，形成具有一定反應活性的Al2O3·CaO復合物，再將活化后的熟料放入堿溶液中溶出鋁酸鹽，除雜后再碳酸化制得氫氧化鋁，最后在一定條件下焙燒得到氧化鋁產(chǎn)品。

圖2 粉煤灰提取氧化鋁堿法工藝流程圖

1.2.1 工藝研究

粉煤灰活化過程中，除石灰石外，還可與堿石灰共混焙燒活化。唐云等［15］在堿比為3∶1、850℃下燒結(jié)30 min，所得熟料的氧化鋁溶出率可達72.21%。堿石灰法有利于降低焙燒溫度、減少能耗、節(jié)約操作成本。也有學者在粉煤灰活化之前與中高濃度的苛性堿溶液反應進行脫硅。薛金根等［16］以脫硅粉煤灰為原料，經(jīng)過焙燒活化之后進行氧化鋁溶出，氧化鋁溶出率大于94%?；罨邦A脫硅有利于提高氧化鋁溶出率，脫除的硅可用于生產(chǎn)白炭黑，也有利于降低燒結(jié)能耗。但也存在增加了預脫硅環(huán)節(jié)，工藝復雜的缺點。

氧化鋁溶出過程中一般將質(zhì)量分數(shù)為3%的碳酸鈉溶液與粉煤灰混成漿料后升溫至60～70℃進行氧化鋁溶出，溶出過程較為溫和［17］。氧化鋁轉(zhuǎn)化為鋁酸鹽，溶于漿液中。濾去殘渣之后的鋁酸鹽溶液經(jīng)過碳酸化后得到氫氧化鋁沉淀，過濾后得到氫氧化鋁固體，再經(jīng)焙燒最終得到氧化鋁產(chǎn)品。

1.2.2 應用進展

大唐國際托克托發(fā)電公司建成年產(chǎn)20萬t氧化鋁的示范生產(chǎn)線，該生產(chǎn)線采用預脫硅-堿石灰燒結(jié)法工藝，氧化鋁產(chǎn)品質(zhì)量優(yōu)異。該生產(chǎn)線具有一定的經(jīng)濟效益，但依然存在石灰石消耗量較大、綜合能耗較高的問題。內(nèi)蒙古蒙西集團采取石灰石燒結(jié)法，建造了年產(chǎn)40萬t粉煤灰提取氧化鋁的項目，可在生產(chǎn)氧化鋁的同時富產(chǎn)水泥，提取氧化鋁并聯(lián)產(chǎn)水泥。目前該項目運行良好，氧化鋁產(chǎn)品合格［18］。

2 經(jīng)濟性分析

粉煤灰中提取氧化鋁的目的是為了生產(chǎn)冶金級氧化鋁，其經(jīng)濟性與裝置規(guī)模、投資成本、原料及產(chǎn)品的市場價格密切相關。綜合考慮中國粉煤灰排放和對氧化鋁的需求現(xiàn)狀，建議企業(yè)規(guī)模選擇20萬t/a氧化鋁為宜。

2.1 原料成本

根據(jù)目前市場行情和項目情況，確定了各種原材料的價格和用量，對酸法和堿法工藝的原料成本做了核算，如表2所示。

表2 酸法與堿法工藝的原料成本（以1 t氧化鋁計）

從表2可以看出，酸法工藝生產(chǎn)氧化鋁的原料成本為1 520.9元，堿法工藝成本為1 356元，酸法工藝原料成本略高。這主要是由于酸法工藝對硫酸的消耗量較大所致。因此，建議酸法工藝發(fā)展回收硫酸的工藝，以降低原料成本。

2.2 公用工程

項目涉及的公用工程主要涉及燃煤和蒸汽消耗，此外還有一定量的工業(yè)用電。表3為2種工藝的公用工程的消耗對比。由表3可見，酸法工藝的公用工程消耗為874元，其中硫酸鋁溶液的濃縮結(jié)晶和硫酸鋁的高溫焙燒分解耗能較大。為了降低濃縮結(jié)晶過程的能量消耗，未來應該發(fā)展較高濃度硫酸作為浸出液的工藝，但高濃度硫酸對設備的要求也更高。堿法工藝需要將粉煤灰與石灰石或堿石灰混合后在高溫焙燒活化，對公用工程的消耗也就更高，為1 324元。未來需要改進活化工藝，降低焙燒溫度，減少能耗。

表3 酸法與堿法的公用工程消耗

2.3 設備折舊

酸法工藝需要使用特殊材質(zhì)的耐腐蝕反應釜等設備，設備成本較高，設備折舊以銷售額的20%計算［10］，為560元。堿法工藝工序較多，需要的設備也較多，但對設備的耐腐蝕性能要求不高，設備折舊以銷售額的10%計算，為361元。

2.4 產(chǎn)品收益

酸法工藝的產(chǎn)品主要為氧化鋁，堿法工藝在生產(chǎn)氧化鋁的同時還可以聯(lián)產(chǎn)硅酸鈣，根據(jù)目前的市場行情，計算出了酸法和堿法工藝的產(chǎn)品收益，如表4所示。

表4 酸法與堿法工藝的產(chǎn)品收益

通過表4分析可知，堿法工藝將氧化硅轉(zhuǎn)化為硅酸鈣，使粉煤灰得到了綜合利用，獲得了較高的產(chǎn)品收益。而酸法工藝中，含硅廢渣并未得到充分利用，其產(chǎn)品單一，且收益較低。因此有學者研究將含硅廢渣中的氧化硅提取出來制成高附加值的白炭黑［11］，這也是酸法工藝未來的發(fā)展方向。

2.5 經(jīng)濟效益

通過對2種粉煤灰處理工藝的經(jīng)濟性分析，經(jīng)濟效益（M）可按下式計算［19］：

式中，B、P、F、U、C分別為產(chǎn)品年產(chǎn)量、產(chǎn)品價格、年原料成本、年公用工程成本及年設備折舊；i為產(chǎn)品數(shù)量。酸法年產(chǎn)20萬t氧化鋁項目的年收益為-3 318萬元，堿法工藝的年收益為11 460萬元?？梢姡岱üに噧H能以虧損狀態(tài)運行，主要原因在于酸法工藝需要使用耐腐蝕特種設備和管道，設備折舊費用較高，此外，酸法工藝無法綜合利用氧化硅，產(chǎn)生了較多的含硅廢渣，對環(huán)境產(chǎn)生二次污染，也使其產(chǎn)品收益徘徊在較低水平。未來酸法工藝應該針對這2點加以改進。

3 結(jié)語

從粉煤灰中提取氧化鋁能夠解決合成天然氣（SNG）產(chǎn)生的灰渣所引發(fā)的環(huán)境污染問題，同時能夠更為充分地綜合利用中國的礦產(chǎn)資源，具有重要的意義。粉煤灰提取氧化鋁工藝主要可分為酸法工藝和堿法工藝。酸法工藝將粉煤灰直接與酸反應，工藝簡單，節(jié)省了活化部分的能耗；但也存在原料成本投入大、二次硅渣難處理以及設備腐蝕嚴重的缺點。堿法工藝將粉煤灰與堿性物質(zhì)焙燒活化后，與堿溶液反應提鋁，能夠?qū)⒎勖夯抑醒趸枰布右跃C合利用，提高了產(chǎn)品的附加值；但也存在高溫焙燒能耗較高以及石灰石用量大的弊端。目前的酸法工藝和堿法工藝各有利弊，綜合考慮環(huán)境與經(jīng)濟成本，堿法工藝具有更好的經(jīng)濟效益和競爭力。未來還需要開發(fā)環(huán)境友好新工藝，以促進粉煤灰工業(yè)的健康發(fā)展。

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聯(lián)系方式：shenhy@cnooc.com.cn

Technical and economic analysis on alumina production from SNG coal fly ash

Shen Hongyuan
（China National Offshore Oil Corporation，Beijing 100010，China）

The preparation of alumina with coal fly ash is good for the comprehensive utilization of slag produced during synthetic natural gas（SNG）processes and meanwhile it can also solve the problem of fly ash pollution.The advantages and disadvantages of the acid process and alkali process were introduced，and the operation cost and profit of these two processes were calculated.The acid process，which involves the direct reaction of fly ash and acid，has the advantage of easy to operating.However，it still exhibits the disadvantages of equipment corrosion and pollution by silica-contained slag.During the alkali process，fly ash was firstly calcined with lime，which makes the process of extracting aluminum become more moderate.However，it will consume more energy during calcination.But anyhow the alkali process facilitates the usage of silica，and promotes the additional value of products.The alkali process has more profit than the acid process.Based on comprehensive comparison，the alkali process exhibits better market and application prospects.

SNG；coal fly ash；alumina；technical and economic analysis

TQ133.1

A

1006-4990（2015）08-0001-04

2015-06-13

沈洪源（1972— ），高級經(jīng)濟師，碩士，主要從事技術和設備管理工作，已公開發(fā)表文章7篇。