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1、高铝煤矸石制取氧化铝余热发电技术1、背景技术我国是一个氧化铝生产大国，2008 年产量达到 2537 万吨。虽然我国的氧化铝资源总量丰富，但矿石类型主要以高硅、高铁、低铝硅比和以一水硬铝石为特点，难以采用经济的拜耳法工艺生产氧化铝，具有开采、利用价值的铝土矿资源在未来 6-7 年内面临枯竭。因此寻找新的氧化铝资源，开发节能降耗的氧化铝生产工艺将是中国铝工业可持续发展的关键。中国是以煤炭为主要能源的国家，在相当长时间内这种能源结构不会发生根本改变，2008 年全国火电耗煤 14.2 亿吨，产生粉煤灰 4 亿多吨，产生煤矸石在 1.43.6 亿吨以上。由于煤矸石和粉煤灰含铝，是潜在的氧化铝资源，提
2、取氧化铝是煤系固体废弃物合理利用的技术途径之一，但因采用传统氧化铝的烧结法工艺提铝，存在能耗高，工艺复杂，环境污染大等原因，至今未有具有竞争力的产业化项目投产的报道。本项目把煤矸石余热发电和氧化铝提取工艺结合起来，可显著提高资源、装备的利用效率，降低成本，减少环境污染。这对于我国电力工业和铝工业的可持续发展和总体经济效益的提高具有重要的示范带动作用。2、技术方案本项目以高铝煤矸石为研究对象，拟采用的主要技术方法为：在煤矸石发电过程中，加入煤矸石活化剂，利用煤矸石燃烧的温度条件，把煤矸石中的氧化铝和氧化硅转化成可用水、酸、碱溶解浸出的活性矿物，在不明显影响煤矸石发电的情况下，利用经济的方法制取氧
3、化铝、白炭黑和有关化工产品，实现煤矸石的完全资源化利用。2.1 工艺路线2.2 工艺说明（1）把煤矸石磨成粉体，若煤矸石发热量不足，需要补加高铝煤，把煤矸石活化剂配成溶液，并与煤矸石充分混合，制成 510mm 颗粒，送入回转窑中煅烧，温度控制在 800900，在这一条件下，煤矸石中的煤质成份燃烧，硅酸盐成份发生分解和转化。富余热量产生蒸汽采用余热锅炉发电，余热蒸汽和电能供后续氧化铝提取工艺所需；固相组成为高铝煤/高铝煤矸石磨粉配料添加剂燃烧发电熟料蒸汽粉磨氧化铝原料浸取/过滤电能氢氧化铝滤液岢化滤液碳酸化煅烧Al2O3溶出/过滤回收碱过滤用于后续氧化铝提取石灰碱液回用石灰石煅烧碳酸钙滤渣酸化酸
4、浸液碱化/过滤 氢氧化铝CO2苛化回收碱渣滤液制硅产品Na2O.Al2O3.2SiO2（7.3%） 、Na 2O.Al2O3（28%） 、Na 2SiO3（50.6%） 、其它14.1%。（2）脱硅：烧结渣中的 Na2SiO3 易溶于水，用热水浸取， Na2SiO3 溶解于水，过滤后滤液主要成份为 Na2SiO3，用煅烧过程产生的 CO2 酸化，得到碳酸钠和水合硅酸沉淀，碳酸钠回用于生产流程，硅酸经煅烧后得到高活性二氧化硅，实现了煤矸石中硅资源的回收利用。（2）碱溶出：上述水浸不溶滤渣用烧碱在加热溶出，Na 2O.Al2O3 溶解在溶液中，经过滤后用煅烧过程产生的 CO2 酸化，得到碳酸钠和氢
5、氧化铝，碳酸钠既可回用于配料，也可用石灰苛化后得到烧碱和超细碳酸钙；氢氧化铝经煅烧得到氧化铝。通过这一反应实现了煤矸石中大部分铝的回收利用。（3）霞石渣中铝硅资源回收：烧结渣中的 Na2O.Al2O3.2SiO2 及其它杂质不溶于水和碱，但易溶于酸，用稀硫酸浸提，将主要发生如下化学反应：Na2O.Al2O3.2SiO2+4H2SO4=Na2SO4+Al2(SO4)3+2H2SiO3+2H2O通过过滤，滤渣为不溶的 H2SiO3 和杂质，经水洗后可作为建材行业的高活性填充矿物，并可进一步提取铁精粉；滤液主要为含 Na2SO4、Al 2(SO4)3，往滤液中加入碳酸钠调整 pH，将发生如下反应：A
6、l2(SO4)3+3Na2CO3+3H2O=2Al(OH)3+3Na2 SO4+3CO2通过过滤、洗涤可得到氢氧化铝，与第二步反应产物合并后经煅烧，可得到不同用途的氧化铝；滤液中存在的硫酸钠，可加入石灰进行苛化，发生如下反应：Na2 SO4+Ca(OH)2=CaSO4.2H2O+2NaOH经过滤分离，滤液蒸发浓缩后得到烧碱液，返回配料工艺循环利用。剩余渣是纯度很高的石膏，可生产高附加值的石膏制品为建材利用。（4）煅烧：合并上述过程得到的氢氧化铝，如煅烧温度为 850左右，将得到活性 -Al2O3,经 1100 煅烧，可得到冶金级的 Al2O3。2.3 试验纲领（1）计算单位：1 万吨氧化铝/年
7、，工作时间：250 天，关键工段连续运行实行三班制，一般岗位 2 班制，有效工作时间 7h/班；（2）主要物料：高铝煤矸石，其化学组成：烧失量 30%，发热量1800cal/kg，固体中 SiO250%、Al 2O335%、Fe 2O310%，其它如钙、镁、硫杂质 5%。（3）氧化铝综合回收率：92%2.4 物料和热量平衡理论进料 理论产出4.4 万吨高铝煤矸石3.63 万吨碳酸钠0.515 万吨 98%硫酸0.288 万吨生石灰1.0 万吨氧化铝1.392 万吨活性二氧化硅（白炭黑）0.412 吨烧碱（循环利用）3.09 万吨纯碱（循环利用）0.887 万吨石膏（建材利用）0.704 万吨渣
8、（铁精矿）煤矸石发热量：7.9210 10cal,相当于 1.1314 万吨标煤，可转化成电能 1380 万 KWh。总能耗：1.495 万吨标煤，其中：配料煅烧：0.8971 万吨标煤，约占总能耗的 60%脱硅：0.1943 万吨标煤，约占总能耗的 13%碱溶出：0.1495 万吨标煤，约占总能耗的 10%焙烧：0.1794 万吨标煤，约占总能耗的 12%其它：0.0747 万吨标煤，约占总能耗的 5%补充能源：0.3636 万吨标煤3、建设条件分析3.1 主要设备工段 主要设备 辅助设备粉磨机 提升机、给料机、除尘器反应罐 反应罐、泵、搅拌机制球机 搅拌机、压球机、堆场、提升机回转窑 喷煤
9、机、除尘器、余热锅炉、熟料仓、气体压缩机发电段发电机 涡轮机、变压器脱硅 压力釜 搅拌机，反应罐、蒸汽管道、中间物料罐、过滤机、液体灌、蒸发锅溶出 压力釜 搅拌机，过滤机，蒸发器碳酸化 反应罐 搅拌机、CO 2 贮气罐、过滤机、蒸发器酸解 反应罐 搅拌机、酸罐、过滤机、CO 2 贮气罐、焙烧 燃气炉、焙烧炉、除尘器、物料仓3.2 占地面积（1）物料堆场：1500；（2）发电场：1500；（3）反应段：3000；（4）产品及副产品堆场：2000；（5）道路、绿化及辅助：4000合计：12000，折合 18 亩。3.3 公用设施水:5 吨/h电：800KWh蒸汽：8 吨蒸汽/h3.4 投资估算估算
10、价值序号 工程和费用名称建筑工程 安装工程 设备 合计/万元一 主要生产 300.0 150 1500 1950二 辅助生产 25.0 1.5 12.0 38.51 分析、测试、试验 10.0 0.5 10.0 13.52 更衣休息室 5.0 0.5 1.0 6.53 办公 10.0 0.5 1.0 11.5三 公用工程 20.0 50.0 70.0 140.01 供配电 10.0 40.0 60.0 110.02 给排水 10.0 10.0 10.0 30.03 总图运输 0.0 0.0 0.0 0.0四 配套工程 6301 职工培训 10.02 设计费 60.03 技术开发费 200.04
11、 基本预备费 150.05 备品备件费 150.06 不可预见费 90.0五 外围工程 3901 土地征用费 1502 厂区道路 40.03 设备运输 1504 三通一平 50.0六 流动资金 原料和工资的两个月和 200.0合计 一到六项的和 3348.54、预期效果本项目把煤矸石发电与氧化铝提取工艺联合起来，实现了煤、电、气和硅铝资源的合理利用，为煤矸石高附加值利用提供了技术依据，为氧化铝产业找到了一种新的潜在资源，为建材和化工产业提供了相关质量优良的产品。（1）在能源消耗方面：与传统的用粉煤灰制氧化铝相比（石灰石烧结法） ，可降低能耗能源 60%以上。（2）在废渣产出方面：与单纯煤矸石发
12、电相比，本项目可减少废渣量 70%以上；与粉煤灰制氧化铝相比，可减少废渣量 87%。而且本项目所谓的废渣实际上是含铁较高的渣，可作为水泥行业的铁质校正剂。（3）在温室气体减排方面：与单纯煤矸石发电相比，1 吨煤矸石要排放 1.1 吨 CO2，再继续生产氧化铝，要产生 CO24.1 吨，综合起来的 CO2 排放量是本项目的 2 倍以上。（4）在经济指标方面：1 吨煤矸石可发电 313 度电，产值 109 元（按0.35 元/度计算） ；用传统技术生产氧化铝，可获得 0.21 吨氧化铝（按 3000元/ 吨） ，可产生 630 元产值，这样，所产生的价值为 739 元。采用本技术方案，电能、蒸汽被后续生产工艺利用，每处理 1 吨煤矸石可获得氧化铝0.21 吨（按 3000 元/吨） ，白炭黑 0.292 吨（ 4000 元/ 吨） ，0.186 吨石膏（50 元/吨） ，0.148 吨铁精矿（ 100 元/吨） ， ，综合价值为 1822 元，其价值是单纯煤矸石发电的方法的 16.7 倍，是单纯煤矸石制氧化铝的 2.9 倍。因此，采用本技术方案，煤中的能源和化学组成都得到了充分利用，大幅度减少了温室气体和废渣的排放量，提高了系统的经济效益，是一种新型的煤矸石绿色化和高附加值利用技术。
