秦鴻波

（杭州錦江集團，浙江 杭州 310000）

1 前言

鋁工業(yè)是我國的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，經(jīng)濟建設(shè)對鋁土礦的需求量很大，而我國又大多數(shù)是中低品位的鋁土礦。目前我國氧化鋁產(chǎn)量的99%以上均為拜耳法生產(chǎn)工藝，隨著氧化鋁產(chǎn)能的不斷擴大，鋁土礦無論是品位還是儲量都在迅速下降，從理論上講，近年來隨著拜耳法工藝技術(shù)的改進，拜耳法處理鋁土礦的A/S可以達到5左右，即使這樣儲量也在迅速枯竭，以山西孝義地區(qū)（我國儲量最大的礦區(qū)）為例，2020年政府公布的鋁土礦儲量（A/S達到5以上）為1.4億噸，而該地區(qū)氧化鋁產(chǎn)能約1800萬噸，根據(jù)這個產(chǎn)能速度，5年以后鋁土礦資源枯竭。因此，盡快尋找可替代鋁土礦資源是當務(wù)之急。

1.1 拜耳法赤泥資源

目前我國氧化鋁產(chǎn)量的99%以上均為拜耳法生產(chǎn)工藝，隨著鋁土礦供礦品位下降的趨勢日益加劇，拜耳法赤泥中遺棄的氧化鋁和氧化鈉也越來越高，造成了資源的極大浪費。另一方面，由于國產(chǎn)鋁土礦的質(zhì)量越來越差，價格越來越高，拜耳法成本也在不斷升高，近年來有些企業(yè)不得不從國外大量進口鋁土礦，資料表明，近年來我國鋁土礦鋁資源的對外依存度高達55%。

雖然多年來，我國一些科研單位和企業(yè)相應(yīng)開發(fā)出了串聯(lián)法和混聯(lián)法等技術(shù)以利用赤泥、提高氧化鋁及氧化鈉的回收率，但是這兩種方法均需采用傳統(tǒng)燒結(jié)法的濕法燒結(jié)，這造成生產(chǎn)系統(tǒng)復(fù)雜龐大、基建投資增加、能耗高、難于控制、產(chǎn)品質(zhì)量較差等一系列問題，經(jīng)濟性不佳，因此也逐步處于減產(chǎn)或停產(chǎn)狀態(tài)。

如何有效利用拜耳法赤泥，解決我國鋁土礦資源的浪費，也是解決鋁土礦資源的有效辦法。

1.2 低品位鋁土礦的利用

我國又大多數(shù)是中低品位的鋁土礦，隨著近年來拜耳法氧化鋁產(chǎn)能的不斷擴大，適用于拜耳法的鋁土礦量大幅下降，而低品位的鋁土礦一部分被開采廠家摻入高品位鋁土礦用于配礦，造成拜耳法指標下降，成本升高。大部分（A/S＜2.0）則被遺棄，造成大量鋁資源浪費。

另外，隨著含硫鋁土礦的不斷發(fā)現(xiàn)，這一儲量也在不斷增加，如何有效利用目前研究的企業(yè)及科研機構(gòu)也很多，但都存在成本過高問題。

如何有效利用低A/S比鋁礦石及高硫鋁礦石，也是解決鋁土礦資源的有效辦法。

1.3 高鋁粉煤灰資源

由于特殊的成礦背景，在我國內(nèi)蒙古中西部的部分煤炭資源中，賦存大量勃姆石和高嶺石等含鋁礦物。此煤炭資源主要分布于準格爾煤田、卓子山煤田及大青山煤田，其中氧化鋁含量達到9%～13%。發(fā)電后產(chǎn)生的粉煤灰中氧化鋁含量可達40%～50%，是一種非傳統(tǒng)的鋁土礦資源。

目前，每年僅內(nèi)蒙古鄂爾多斯地區(qū)高鋁煤炭產(chǎn)量就達到1.2億噸，其中部分煤炭用于發(fā)電后產(chǎn)生近3000萬噸高鋁粉煤灰，其中內(nèi)蒙古中西部地區(qū)約1400萬噸，集中堆存在呼和浩特、鄂爾多斯，是具有較高經(jīng)濟開發(fā)價值的含鋁資源。

如何有效利用高鋁粉煤灰，解決我國鋁土礦資源的不足及工業(yè)固廢利用，也是緩解鋁土礦資源緊張的有效途徑之一。

2 工藝介紹

新型工藝的研究就是以低品位含鋁資源為對象，從工藝技術(shù)的消耗、成本、設(shè)備、規(guī)?；?、運行穩(wěn)定性及硅產(chǎn)品的開發(fā)應(yīng)用前景出發(fā)，在學習借鑒鋼鐵、水泥、燒堿、農(nóng)肥、建材等工藝技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過大量的試驗、驗證、研究和借鑒相關(guān)企業(yè)的成熟技術(shù)，對傳統(tǒng)燒結(jié)法工藝進行了改進。

新工藝的研發(fā)思路是在傳統(tǒng)堿石灰燒結(jié)法生產(chǎn)氧化鋁的工藝技術(shù)基礎(chǔ)上，結(jié)合低品位鋁資源的特性，對簡化工藝路線、調(diào)整工藝配方、燒結(jié)方法、堿液處理、硅基材料利用等方面的工藝技術(shù)、設(shè)備選型均進行了改進、完善。

2.1 工藝改進

圖1 傳統(tǒng)燒結(jié)法工藝流程圖

2.2 新型燒結(jié)工藝特點

與傳統(tǒng)燒結(jié)法工藝相比，實現(xiàn)干法燒結(jié)、全種分分解及種分母液高濃度蒸發(fā)，減少了石灰制備、二氧化碳氣體壓縮、生料漿制備及調(diào)配、二次脫硅、碳分分解、碳分蒸發(fā)等高耗能工序。

通過對原有傳統(tǒng)工藝流程的簡化、優(yōu)化，可以減少項目投資額，降低運行費用，保證產(chǎn)品質(zhì)量，提高經(jīng)濟效益。

五個核心技術(shù)：

（1）赤泥窯外烘干及干法配料技術(shù)：利用窯尾煙氣余熱，采用機械式烘干機對生料進行烘干，同時在配料皮帶上采用水泥行業(yè)的成熟在線分析技術(shù)，實現(xiàn)自動調(diào)整配料。針對拜耳法赤泥，進行壓濾后運用這種烘干機效果突出。同時利用余熱烘干，降低了能耗。

圖2 新型燒結(jié)法工藝流程圖

（2）干法燒成技術(shù)：窯外烘干技術(shù)為干法燒成提供了基礎(chǔ)，采用帶預(yù)熱器的水泥燒成窯技術(shù)，能耗大幅降低。

（3）熟料燒結(jié)兩個配方技術(shù)：為了溶出渣產(chǎn)品的應(yīng)用，采用同一套燒結(jié)系統(tǒng)可以進行兩個配方的熟料燒結(jié)。

生料配方

一鈣配方：堿比=1.0；鈣比=1.0

熟料主要成分為：Na2O·Al2O3、CaO·Na2O·SiO2

渣的主要成分：CaO·SiO2

二鈣配方（傳統(tǒng)燒結(jié)法配方）：堿比=1.0；鈣比=2.0

熟料主要成分為：Na2O·Al2O3、2CaO·SiO2

渣的主要成分：2CaO·SiO2

以處理拜耳法赤泥為例，從表1中可以看出：兩種配方的產(chǎn)渣量與產(chǎn)液堿量相互制約，一鈣配方渣減量化大，但產(chǎn)液堿量大，與拜耳法工廠匹配時，處理赤泥量??；二鈣配方渣減量化小，與拜耳法工廠匹配時，處理赤泥量大?？筛鶕?jù)渣的用途選擇不同的配方，或者定期進行切換作業(yè)。

表1 處理拜耳法赤泥的消耗、產(chǎn)出主要指標比較

（4）高濃度種分母液蒸發(fā)及鋁酸鈉結(jié)晶技術(shù)：采用兩段蒸發(fā)，中間排鹽技術(shù)，實現(xiàn)兩段蒸發(fā)都采用降膜蒸發(fā)器，汽水比大幅降低（與采用強制循環(huán)蒸發(fā)比較），將種分母液濃度蒸發(fā)到Nk 550g/l以上，再進行鋁酸鈉結(jié)晶，結(jié)晶母液可作為液堿進行配料，也可進入拜耳法系統(tǒng)或?qū)ν怃N售。

（5）采用全種分工藝技術(shù)：簡化傳統(tǒng)燒結(jié)法工藝流程1/3（去掉了石灰爐系統(tǒng)、碳分分解及碳分母液蒸發(fā)系統(tǒng)），由于采用了高濃度蒸發(fā)及鋁酸鈉結(jié)晶技術(shù)，綜合種分分解率可達90%以上。

2.3 新型工藝具有以下優(yōu)勢

（1）工藝流程大幅簡化。去掉三個主要工序（石灰爐及CO2凈化及加壓系統(tǒng)、深度脫硅系統(tǒng)、碳分分解及碳分母液蒸發(fā)系統(tǒng)），生產(chǎn)組織更加簡單，影響生產(chǎn)概率大幅降低。

（2）燒結(jié)法核心工序燒成操作更加穩(wěn)定，熟料質(zhì)量能夠大幅提高。干法燒成技術(shù)成熟，生產(chǎn)故障少、運轉(zhuǎn)率高，熟料的溶出指標好于濕法回轉(zhuǎn)窯的熟料。同時實現(xiàn)了在線分析、監(jiān)測、調(diào)整的自動化配料技術(shù)，提高氧化鋁裝備水平，實現(xiàn)簡化流程、減少人員、降低投資額的目的，干法燒結(jié)較濕法燒結(jié)能耗降低30%以上。

（3）采用兩種燒結(jié)配方，產(chǎn)出性能不同的渣相，能實現(xiàn)赤泥完全綜合利用，可產(chǎn)出五種產(chǎn)品，實現(xiàn)七個用途。

（4）能夠?qū)⒉糠至畠r的工業(yè)純堿轉(zhuǎn)化為附加值高的燒堿。

（5）生產(chǎn)運行方面：系統(tǒng)結(jié)疤速度延緩，運行周期延長；清理、檢修工作量大幅減少。

（6）投資額減少，崗位員工減少。

2.4 設(shè)備特點

（1）借鑒鋼鐵行業(yè)技術(shù)，采用了半干法混料的大型立式混料機，混料均勻度可高達90%以上，產(chǎn)能可達400噸/小時。

（2）根據(jù)赤泥混料后的含水物料，研發(fā)出了一套機械烘干設(shè)備，實現(xiàn)了窯外烘干技術(shù)。

（3）借鑒水泥行業(yè)技術(shù)，改進完善了帶預(yù)熱器的干法燒結(jié)回轉(zhuǎn)窯，產(chǎn)能大幅提高，比濕法窯產(chǎn)能提高2倍以上。

（4）借鑒水泥行業(yè)技術(shù)，采用干法自動配料系統(tǒng)，可實現(xiàn)熟料指標合格率高達90%以上。（目前濕法配料合格率只有60%）

（5）從液堿行業(yè)引進了高濃度堿液蒸發(fā)設(shè)備，可使Na2Ok濃度蒸到500g/l以上（目前拜耳法蒸發(fā)Na2Ok最高只能達到280g/l左右），直至片堿。

3 渣的綜合利用研究

3.1 水泥應(yīng)用方向的研究 （二鈣渣）

3.1.1 溶出渣脫堿研究

二鈣配方溶出渣主要成分為硅酸二鈣，與水泥成分相近，但Na2O含量較高，需進行脫堿處理，經(jīng)研究及小型（5kg級）試驗，采用石灰乳脫堿能夠?qū)崿F(xiàn)Na2O小于1%的標準，符合水泥應(yīng)用要求。

脫堿條件為：CaO加入量：5%，溫度：95℃～100℃，時間：1小時

表2 赤泥脫堿渣與高鐵水泥成分

物相比較：

水泥熟料的物相：C3S、C2S、C4AF、C3A

脫堿赤泥物相：C2S、FeOH（針鐵礦）、水化石榴石

從高鐵水泥生料的化學成分看，脫堿渣與之基本相近，成分需要進行微調(diào)，從熟料的物相看主要成分都是C2S，其他成分FeOH（針鐵礦）、水化石榴石需要進行物相轉(zhuǎn)換。

3.1.2 直接做水泥混合材

（1）根據(jù)試驗在水泥中直接加入10%作為混合材，3天和28天強度不受影響。

（2）低溫煅燒活化后（脫結(jié)晶水450℃）做水泥混合材及混凝土添加料，添加量會進一步提高。

3.1.3 用作水泥生產(chǎn)原料

從高鐵水泥生料的化學成分看，與脫堿渣的相似度極高，從物相構(gòu)成看在燒成過程中需要將FeOH（針鐵礦）、水化石榴石轉(zhuǎn)化為C4AF、C3A、C3S。

用脫堿渣作為水泥生產(chǎn)原料，具有以下優(yōu)勢：

（1）反應(yīng)熱耗低，水泥生產(chǎn)主要吸熱反應(yīng)是碳酸鈣分解，其他的基本是放熱反應(yīng)，而脫堿渣已經(jīng)是CaO，僅有的吸熱反應(yīng)是脫出12%左右的結(jié)晶水和少量調(diào)整成分的碳酸鈣分解，因此熟料燒結(jié)反應(yīng)熱耗不到水泥的一半。

（2）燒結(jié)溫度低，由于生料含鐵較高，液相較易生成，燒結(jié)溫度僅為1280℃～1350℃，比常規(guī)水泥燒結(jié)低100℃。

（3）原料消耗少，脫堿渣與水泥生料成分非常接近，只需添加少量原料進行配方調(diào)整即可。

（4）采用窯外烘干技術(shù)，燒成窯系統(tǒng)指標及產(chǎn)量不受影響。

由于以上優(yōu)勢，采用脫堿渣生產(chǎn)水泥熟料，成本可大幅降低，具有市場競爭優(yōu)勢。

3.2 土壤調(diào)理應(yīng)用方向的研究 （一鈣渣）

3.2.1 硅肥應(yīng)用方面

我國60%左右耕地缺硅，我國長江流域70%的土壤缺硅，黃淮海及遼寧約有一半的土壤缺硅，而且土壤缺硅的區(qū)城正在逐步擴大，因此，施用硅肥成為我國土壤補硅的有效措施。硅肥若在全國推廣，按照每畝施用硅肥50kg計算，我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)每年需要硅肥3000～4000萬噸，而目前我國硅肥的年生產(chǎn)能力遠沒有達到這一產(chǎn)能，2008年底的統(tǒng)計年生產(chǎn)能力僅有300萬噸左右，因此，硅肥市場潛力巨大。以水稻為例，我國常年種植水稻的面積達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%計，僅此一項每年應(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和經(jīng)濟效益。

一鈣配方產(chǎn)出的硅酸鈣渣在硅肥應(yīng)用上特點突出，具有幾個明顯優(yōu)勢：1、有效硅含量28%以上（河南硅肥所分析，國家標準≥20%）；2、含水率50%～70%；3、PH值9-10；4、各種有害重金屬含量不超標。

表3 硅酸鈣渣的化學成分

表4 有害金屬分析

3.2.2 土壤調(diào)理方面

（1）土壤酸堿調(diào)節(jié)性。

由于硅鈣渣中含有少量的堿，PH值9-10，硅鈣渣可作為土壤酸堿調(diào)節(jié)劑。探索性試驗表明，經(jīng)添加10%左右硅鈣渣改良的土壤，PH在8-8.5，可有效中和我國普遍存在的酸性土壤，改良土壤特性，達到農(nóng)作物增產(chǎn)、增值目的。

（2）降低土壤容重，增強透氣性。

一般土壤容重約為1.3g/cm3，硅鈣渣的容重只有約0.35g/cm3，因此，在土壤中摻入硅鈣渣后，可大幅降低土壤容重，又由于硅鈣渣孔隙率高達90%，摻入土壤中能顯著改善土壤的透氣性。

（3）吸水性。

為考察硅鈣渣的吸水性能，前期初步考察了普通土壤和硅鈣渣的吸水性能。結(jié)果表明，普通土壤的飽和含水率為27%，硅鈣渣的飽和含水率為50%～70%，硅鈣渣的儲水能力是土壤的兩倍以上。在土壤中摻入少量硅鈣渣，可大大提高土壤的持水能力，內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學采用硅鈣渣進行了土壤含水試驗，含有硅鈣渣及含硅鈣渣的土壤失水速率遠低于普通土壤。

3.3 建材方面的研究

硅鈣渣用于建材方向主要利用其兩大優(yōu)勢，一是物料輕質(zhì)，容重≤350kg/m3，制作輕質(zhì)建材優(yōu)勢大；二是硅酸鈣孔隙率很高，隔音、隔熱性能好。

表5 用于建材硅酸鈣渣成分

作為硅酸鈣板生產(chǎn)原料，傳統(tǒng)硅酸鈣板材一般是用石灰、石英砂、水泥、水及少量助劑等按一定比例經(jīng)混和、攪拌、擠壓成型、高溫水熱合成、烘干、加工整修而成的一種以托貝莫來石型水化硅酸鈣為主要組成的新型無機板材，而硅鈣渣就是這種形態(tài)，而且具有輕質(zhì)特點，性能更加優(yōu)良。

利用其輕質(zhì)特點，制作輕質(zhì)硅酸鈣板材。利用其孔隙率高特點，制作隔熱、隔音板材及墻體填充材料；制作各種輕質(zhì)砌塊；制作活動板房的填充材料等。

4 結(jié)語

低鋁資源的合理有效利用，是解決我國鋁土礦資源緊張和依賴進口的有效途徑，也是綜合利用工業(yè)固廢的有力探索，實現(xiàn)工業(yè)固廢的資源化、減量化、無害化的目標。

新型燒結(jié)法工藝是在傳統(tǒng)燒結(jié)法的基礎(chǔ)上的改進，簡化了流程、降低了能耗、減少了投資、克服了傳統(tǒng)燒結(jié)法的缺陷。

低鋁資源的難度在于渣的利用方面，本文提出的利用方向也是在多年的研究上提出的，在工業(yè)化的應(yīng)用上還有大量的研究工作，同時還需要國家層面的政策引導(dǎo)和鼓勵以及各級政府有關(guān)部門的大力支持。