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點“灰”成金:粉煤灰綠色提取產業化成就之“硅鋁并行”
2020年10月26日 發布 分類:企業動態 點擊量:476
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粉煤灰作為燃煤發電最大宗固體廢棄物之一,年產量大、歷史積存多;粉煤灰的大規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。

經歷了粉碎、高溫燃燒等物理化學“預處理”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,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,正是這樣一個長期致力于煤及粉煤灰中有價成分綠色提取并產品化的研發團隊(以下簡稱“團隊”)。近年來,團隊集中攻關了粉煤灰基高純度氯化鋁制備、提鋁殘渣制硅肥、伴生鋰及稀土金屬分離回收等相關方向,已取得多個點狀突破,正在形成系統化的粉煤灰高值高效生態化利用技術體系。

——“灰”常伴“鋁”,精烹細做

粉煤灰作為一種固廢,國家對其資源化利用有著更為嚴苛的要求。工信部2013版《鋁行業準入條件》規定,新建利用高鋁粉煤灰生產氧化鋁系統的固體廢棄物綜合利用率須達到96%以上。

團隊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,成功開發出粉煤灰提取電解級氧化鋁聯產超白玻璃和分子篩的全新工藝路線。通過“精烹細做”使高鋁粉煤灰得資源屬性得到最大化發揮。該技術因此被國家科技部和原神華集團(現國家能源集團)列為重大項目,建成的一套萬噸級粉煤灰資源化利用示范裝置成功進行了100天以上的長周期連續運行,產出符合國家標準的冶金級氧化鋁,氧化鋁純度達到98.90%。項目順利的通過了國家科技部組織的驗收,并且獲得驗收專家的高度贊賞。

——煤灰淘寶,彌純彌珍

國家能源集團依托準格爾地區高鋁粉煤灰資源自主開發了“一步酸溶”制取氯化鋁技術,再經樹脂吸附除鐵除鈣、蒸發結晶、氯化鋁高溫燒結工藝,可以制得冶金一級(Al2O3>98.6%)氧化鋁。然而對著近些年世界冶金氧化鋁產能的集中釋放,冶金氧化鋁產品的價格長期走低,目前僅為2500元/t,是高位時期的1/3。由此導致粉煤灰提鋁產業的盈利壓力加大。與此同時,精細氧化鋁(又稱非冶金氧化鋁)市場涵蓋了無鹵阻燃材料、催化劑載體、先進陶瓷、人造大理石等應用領域,應用廣泛、市場發育程度好,需求增長強勁。2019年精細氧化鋁的全球市場規模約為840萬噸,平均單價在10000元/t以上,能夠較好地兼顧市場規模和單位價值。

團隊在粉煤灰鹽酸法提鋁技術基礎上,采用“常溫鹽析結晶提純”替代現有除雜工藝,經2-3輪重復鹽析操作目前可以在實驗室規模制得純度大于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、工序簡潔及節能等多方面綜合優勢,未來憑借低價、優質的氧化鋁粉體產品,填充國內高速增長的鋰電、高性能燒結粉等市場空缺,預計將顯示出良好市場競爭力——錢景可期!

提鋁尾液經多次循環使用后,Li、Ga、REE等酸溶性稀貴金屬會在其中逐級富集。團隊經過多年技術開發,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、硫酸復鹽沉淀回收稀土等技術路線。煤系稀貴金屬回收利用正在成為世界范圍內的研究熱點,其遠景價值同樣可觀。



——塵歸于土,變廢為肥

土壤即來自于上地殼巖石的自然風化作用。煤作為一種特殊的巖石,其自然風化的終點同樣為土壤。只是在自然風化條件下,煤中有害成分的不受控集中釋放會產生環境污染問題,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”),事實上也經歷了與自然條件下物理化學風化作用類似的“人工風化”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,即通過繼續施加有限的人工風化手段使之轉化為類土壤的產品,回饋農業和生態;完成固廢減量減害目標的同時增加生態增益功能。如此也就徹底解決了固廢處置的二次污染風險。

酸法提鋁過程中,Pb、Cd、Cr等酸溶性農業重金屬元素的同步溶出與分離,也使得白泥的生態安全性得到大大增強。這是白泥區別于粉煤灰、尾礦渣等一般固廢的重要特征;后者由于重金屬超標風險已被農業部禁止用于肥料生產。

硅是農作物生長必須的“第四大營養元素”,其顯著的增產提質功效已經得到廣泛證實。我國農業生產減“肥”、減“藥”的大趨勢下,硅肥正日益受到人們的追捧。土壤中硅元素的補給依賴于含硅礦物的自然風化,這一過程及其緩慢;在現代農業連年高產且重茬率高的生產模式下,有效硅(指可被作物吸收利用的硅)的供給嚴重不足。根據著名的“木桶理論”,一只木桶能盛裝水量(農作物產量)的上限取決于它的短板(如硅等中微量元素)、而非它的長板(如已嚴重過剩的氮、磷元素)。因而向缺硅土壤中補充硅肥成為我國糧食產量持續增收、品質持續提升的必然選擇。國家測土配方也已將土壤是否缺硅作為一項技術標準。2004年6月1日,農業部頒布了硅肥行業標準NY/T 797-2004,標志著硅肥正式進入我國化學肥料序列,目前被納入土壤調理劑范疇進行登記、管理和銷售。以水稻為例,我國常年種植水稻的面積達3333多萬公頃,缺硅土壤占50%以上。如果全部施用硅肥,按增產10%保守計算,僅此一項每年應可增產100萬噸稻谷,推廣硅肥的生產與應用具有非常明顯的社會和經濟效益。據估算當前全國硅肥市場缺口達到3000~4000萬噸/年。而傳統硅肥生產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致銷售終端售價不夠“親民”,影響了市場接受度的快速提升。

白泥主要成分即為無定型鈦態二氧化硅(SiO2>70%),且其反應活性遠高于鉀長石等晶體礦物。團隊經過三年多的科技攻關,創造性地采用低溫焙燒和常壓低溫水熱活化兩套工藝,實現了白泥基硅鈣肥的制備,有效硅指標分別達到30%和35%以上,遠高于國家標準,處于行業領先水平。尤其產品能耗水平大幅低于現有技術,加之原廠材料成本優勢,預計未來產品投放市場后將創造顯著的經濟和社會效益。經初步成本核算,一噸硅鈣肥產品的生產成本可控制在700元以下,以1300元售zuida價保守計算,利潤空間充裕。此外,白泥水熱活化產品(物相為水合偏硅酸鈣)還具備豐富的空隙結構和較高的比表面積(BET≈200 m2/g),團隊正在探討其在橡塑填料除味方面的應用潛力,例如解決車內ABS塑料件造成車內空氣污染的問題。初步實驗結果令人鼓舞,如能成功應用將進一步拓寬白泥制品的市場空間。

小結

北京低碳清潔能源研究院 煤伴生資源利用團隊

 

清潔化的煤炭開發、利用對我國具有重要意義,也將對現階段新能源的發展提供支撐作用。讓我們攜手同行,匯聚點滴努力融合創新創業,共建低碳、清潔、生態、繁榮的未來能源世界!

北京低碳清潔能源研究院


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