粉煤灰作為燃煤發(fā)電最大宗固體廢棄物之一，年產(chǎn)量大、歷史積存多；粉煤灰的大規(guī)模有效消納成為煤炭清潔利用諸多課題中不可回避的問題。

經(jīng)歷了粉碎、高溫燃燒等物理化學(xué)“預(yù)處理”之后，粉煤灰中Al、Si及伴生的稀貴金屬（Li、Ga、REE）元素的可提取性大大增強(qiáng)，理論上通過較低能耗予以分離回收。

北京低碳清潔能源研究院煤伴生資源利用部門，正是這樣一個(gè)長期致力于煤及粉煤灰中有價(jià)成分綠色提取并產(chǎn)品化的研發(fā)團(tuán)隊(duì)（以下簡稱“團(tuán)隊(duì)”）。近年來，團(tuán)隊(duì)集中攻關(guān)了粉煤灰基高純度氯化鋁制備、提鋁殘?jiān)乒璺省樯嚰?a title="稀土" href="http://shpa18.com/powder/dlist.html?id=121" target="_blank" style="color:blue">稀土金屬分離回收等相關(guān)方向，已取得多個(gè)點(diǎn)狀突破，正在形成系統(tǒng)化的粉煤灰高值高效生態(tài)化利用技術(shù)體系。

——“灰”常伴“鋁”，精烹細(xì)做

粉煤灰作為一種固廢，國家對(duì)其資源化利用有著更為嚴(yán)苛的要求。工信部2013版《鋁行業(yè)準(zhǔn)入條件》規(guī)定，新建利用高鋁粉煤灰生產(chǎn)氧化鋁系統(tǒng)的固體廢棄物綜合利用率須達(dá)到96%以上。

團(tuán)隊(duì)已在粉煤灰提鋁堿回收及廢渣減量和二次利用等方面取得突破，成功開發(fā)出粉煤灰提取電解級(jí)氧化鋁聯(lián)產(chǎn)超白玻璃和分子篩的全新工藝路線。通過“精烹細(xì)做”使高鋁粉煤灰得資源屬性得到最大化發(fā)揮。該技術(shù)因此被國家科技部和原神華集團(tuán)（現(xiàn)國家能源集團(tuán)）列為重大項(xiàng)目，建成的一套萬噸級(jí)粉煤灰資源化利用示范裝置成功進(jìn)行了100天以上的長周期連續(xù)運(yùn)行，產(chǎn)出符合國家標(biāo)準(zhǔn)的冶金級(jí)氧化鋁，氧化鋁純度達(dá)到98.90%。項(xiàng)目順利的通過了國家科技部組織的驗(yàn)收，并且獲得驗(yàn)收專家的高度贊賞。

——煤灰淘寶，彌純彌珍

國家能源集團(tuán)依托準(zhǔn)格爾地區(qū)高鋁粉煤灰資源自主開發(fā)了“一步酸溶”制取氯化鋁技術(shù)，再經(jīng)樹脂吸附除鐵除鈣、蒸發(fā)結(jié)晶、氯化鋁高溫?zé)Y(jié)工藝，可以制得冶金一級(jí)（Al₂O₃>98.6%）氧化鋁。然而對(duì)著近些年世界冶金氧化鋁產(chǎn)能的集中釋放，冶金氧化鋁產(chǎn)品的價(jià)格長期走低，目前僅為2500元/t，是高位時(shí)期的1/3。由此導(dǎo)致粉煤灰提鋁產(chǎn)業(yè)的盈利壓力加大。與此同時(shí)，精細(xì)氧化鋁（又稱非冶金氧化鋁）市場(chǎng)涵蓋了無鹵阻燃材料、催化劑載體、先進(jìn)陶瓷、人造大理石等應(yīng)用領(lǐng)域，應(yīng)用廣泛、市場(chǎng)發(fā)育程度好，需求增長強(qiáng)勁。2019年精細(xì)氧化鋁的全球市場(chǎng)規(guī)模約為840萬噸，平均單價(jià)在10000元/t以上，能夠較好地兼顧市場(chǎng)規(guī)模和單位價(jià)值。

團(tuán)隊(duì)在粉煤灰鹽酸法提鋁技術(shù)基礎(chǔ)上，采用“常溫鹽析結(jié)晶提純”替代現(xiàn)有除雜工藝，經(jīng)2-3輪重復(fù)鹽析操作目前可以在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模制得純度大于99.96%（3N6）的高純度氯化鋁和氧化鋁粉體。由于具備原料成本低、除雜效率高、工序簡潔及節(jié)能等多方面綜合優(yōu)勢(shì)，未來憑借低價(jià)、優(yōu)質(zhì)的氧化鋁粉體產(chǎn)品，填充國內(nèi)高速增長的鋰電、高性能燒結(jié)粉等市場(chǎng)空缺，預(yù)計(jì)將顯示出良好市場(chǎng)競爭力——錢景可期！

提鋁尾液經(jīng)多次循環(huán)使用后，Li、Ga、REE等酸溶性稀貴金屬會(huì)在其中逐級(jí)富集。團(tuán)隊(duì)經(jīng)過多年技術(shù)開發(fā)，初步建立了與酸法提鋁主體工藝相耦合的離子篩吸附提鋰、硫酸復(fù)鹽沉淀回收稀土等技術(shù)路線。煤系稀貴金屬回收利用正在成為世界范圍內(nèi)的研究熱點(diǎn)，其遠(yuǎn)景價(jià)值同樣可觀。

——塵歸于土，變廢為肥

土壤即來自于上地殼巖石的自然風(fēng)化作用。煤作為一種特殊的巖石，其自然風(fēng)化的終點(diǎn)同樣為土壤。只是在自然風(fēng)化條件下，煤中有害成分的不受控集中釋放會(huì)產(chǎn)生環(huán)境污染問題，例如煤矸石、粉煤灰的露天堆存等。由煤到粉煤灰（電廠煙道飛灰），再到酸法提鋁廢渣（俗稱“白泥”），事實(shí)上也經(jīng)歷了與自然條件下物理化學(xué)風(fēng)化作用類似的“人工風(fēng)化”過程，且有害組分可以得到人為管控。白泥的再利用問題依然可以遵循這一思路，即通過繼續(xù)施加有限的人工風(fēng)化手段使之轉(zhuǎn)化為類土壤的產(chǎn)品，回饋農(nóng)業(yè)和生態(tài)；完成固廢減量減害目標(biāo)的同時(shí)增加生態(tài)增益功能。如此也就徹底解決了固廢處置的二次污染風(fēng)險(xiǎn)。

酸法提鋁過程中，Pb、Cd、Cr等酸溶性農(nóng)業(yè)重金屬元素的同步溶出與分離，也使得白泥的生態(tài)安全性得到大大增強(qiáng)。這是白泥區(qū)別于粉煤灰、尾礦渣等一般固廢的重要特征；后者由于重金屬超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)已被農(nóng)業(yè)部禁止用于肥料生產(chǎn)。

硅是農(nóng)作物生長必須的“第四大營養(yǎng)元素”，其顯著的增產(chǎn)提質(zhì)功效已經(jīng)得到廣泛證實(shí)。我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)減“肥”、減“藥”的大趨勢(shì)下，硅肥正日益受到人們的追捧。土壤中硅元素的補(bǔ)給依賴于含硅礦物的自然風(fēng)化，這一過程及其緩慢；在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)連年高產(chǎn)且重茬率高的生產(chǎn)模式下，有效硅（指可被作物吸收利用的硅）的供給嚴(yán)重不足。根據(jù)著名的“木桶理論”，一只木桶能盛裝水量（農(nóng)作物產(chǎn)量）的上限取決于它的短板（如硅等中微量元素）、而非它的長板（如已嚴(yán)重過剩的氮、磷元素）。因而向缺硅土壤中補(bǔ)充硅肥成為我國糧食產(chǎn)量持續(xù)增收、品質(zhì)持續(xù)提升的必然選擇。國家測(cè)土配方也已將土壤是否缺硅作為一項(xiàng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。2004年6月1日，農(nóng)業(yè)部頒布了硅肥行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NY/T 797-2004，標(biāo)志著硅肥正式進(jìn)入我國化學(xué)肥料序列，目前被納入土壤調(diào)理劑范疇進(jìn)行登記、管理和銷售。以水稻為例，我國常年種植水稻的面積達(dá)3333多萬公頃，缺硅土壤占50%以上。如果全部施用硅肥，按增產(chǎn)10%保守計(jì)算，僅此一項(xiàng)每年應(yīng)可增產(chǎn)100萬噸稻谷，推廣硅肥的生產(chǎn)與應(yīng)用具有非常明顯的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。據(jù)估算當(dāng)前全國硅肥市場(chǎng)缺口達(dá)到3000~4000萬噸/年。而傳統(tǒng)硅肥生產(chǎn)是以鉀長石礦粉高溫煅燒工藝為主，原料及能耗成本居高不下導(dǎo)致銷售終端售價(jià)不夠“親民”，影響了市場(chǎng)接受度的快速提升。

白泥主要成分即為無定型鈦態(tài)二氧化硅（SiO₂>70%）,且其反應(yīng)活性遠(yuǎn)高于鉀長石等晶體礦物。團(tuán)隊(duì)經(jīng)過三年多的科技攻關(guān)，創(chuàng)造性地采用低溫焙燒和常壓低溫水熱活化兩套工藝，實(shí)現(xiàn)了白泥基硅鈣肥的制備，有效硅指標(biāo)分別達(dá)到30%和35%以上，遠(yuǎn)高于國家標(biāo)準(zhǔn)，處于行業(yè)領(lǐng)先水平。尤其產(chǎn)品能耗水平大幅低于現(xiàn)有技術(shù)，加之原廠材料成本優(yōu)勢(shì)，預(yù)計(jì)未來產(chǎn)品投放市場(chǎng)后將創(chuàng)造顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。經(jīng)初步成本核算，一噸硅鈣肥產(chǎn)品的生產(chǎn)成本可控制在700元以下，以1300元售zuida價(jià)保守計(jì)算，利潤空間充裕。此外，白泥水熱活化產(chǎn)品（物相為水合偏硅酸鈣）還具備豐富的空隙結(jié)構(gòu)和較高的比表面積（BET≈200 m²/g），團(tuán)隊(duì)正在探討其在橡塑填料除味方面的應(yīng)用潛力，例如解決車內(nèi)ABS塑料件造成車內(nèi)空氣污染的問題。初步實(shí)驗(yàn)結(jié)果令人鼓舞，如能成功應(yīng)用將進(jìn)一步拓寬白泥制品的市場(chǎng)空間。

小結(jié)

北京低碳清潔能源研究院 煤伴生資源利用團(tuán)隊(duì)

清潔化的煤炭開發(fā)、利用對(duì)我國具有重要意義，也將對(duì)現(xiàn)階段新能源的發(fā)展提供支撐作用。讓我們攜手同行，匯聚點(diǎn)滴努力融合創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)，共建低碳、清潔、生態(tài)、繁榮的未來能源世界！

北京低碳清潔能源研究院