淮北煤田煤中氧化鋁提取研究

車青松 馮松寶 王彪

摘 要：鋁元素在煤中是常量元素，主要以氧化鋁形式賦存在煤中，采用石灰石燒結法提取煤中鋁對于煤的綜合利用以及節約能源、改善環境、實現可持續發展具有重大意義。研究方法是將煤灰與氧化鈣混合后在高溫下煅燒成自粉化料，將自粉化料與硫酸反應使鋁從固相轉變為液相得到硫酸鋁粗液，然后用有機萃取機除去鐵離子得到硫酸鋁精液，然后加入硫酸銨得到鋁銨礬晶體，最后將鋁銨礬在高溫下煅燒得到氧化鋁，研究表明淮北煤田部分煤礦煤樣的粉煤灰鋁的回收率可達80%以上。

關鍵詞：淮北煤田；氧化鋁；粉煤灰

0 引言

中國的氧化鋁產量（96，314kt）占全球的39.51%，其消費量占全球總消費量45%，為了解決氧化鋁短缺的問題，我國啟動了許多氧化鋁提取項目，包括云冶文山年產800kt氧化鋁項目。2012年9月26日，云南省文山縣800kt/a氧化鋁項目竣工投產，廣西田東錦盛化工公司1000kt/a氧化鋁項目于2012年10月投產。另外，粉煤灰提取氧化鋁項目也取得了突破性的成果，如內蒙古、陜西、寧夏等地含有9%～12%氧化鋁的低熱值煤炭，其粉煤灰含14%～52%氧化鋁。如能利用其中的氧化鋁不但可以緩解氧化鋁緊缺局面，而且對粉煤灰的綜合利用與發展循環經濟有著重要的意義[1]。但是有效綜合利用技術是一項亟待解決的艱巨任務，因此本文采用石灰石燒結法提取煤中氧化鋁，來為工業提取氧化鋁探索新方法以及改進方法。我國現在已探明的可開采煤炭儲量為1145億噸[2]，而且每年還進口大量的煤炭，發電消耗的原煤占國內煤炭消耗總量的50%左右[3]，盡管核電、風電、太陽能發電比例有所提高，但是火力發電量仍占總發電量的80%以上[4]，因此也產生了數十億噸的粉煤灰，如果不處理這些粉煤灰，不僅浪費了煤中大量的金屬元素而且也使它們成為了污染物，因此提取煤中氧化鋁，不僅是對煤的綜合利用，更是減少環境污染的措施。

1 樣品與實驗方法

1.1 樣品采集

采用GB/T482-2008煤樣采集方法，在采樣點的底板上放好一塊鋪布，使采下的煤樣都能落在鋪布上，將開采時應采的煤分層及夾石層一起采取，所采煤樣全部裝入煤樣袋內，每個煤樣袋均有按規定填好標簽，采樣時，線內應采取的煤樣和夾石都得采下，且不得采線外的煤和夾石。此外每個采樣點分別采取一定數量的子樣匯集成實驗用的一個總樣。為了使煤樣具有代表性，所選的采樣點要分布均勻，盡可能多取一點樣本，但一定要按規定采樣。

1.2 實驗儀器

粉碎機（2000Y）、馬弗爐（HWSK-210E）、萃取分離機（13～60kHz）、抽濾裝置等。

1.3 實驗步驟

（1）將煤灰與氧化鈣混合加適量水團成球形（4～7mm），放入馬弗爐中灼燒（1000℃，0.5h）。

（2）將燒結物破碎通40目篩，用鹽酸（10%）溶解。過濾后再向濾液中加適量硝酸，以使雜質鐵以離子形式存在于濾液中。

（3）向濾液中分別加入一定體積的乙醚和磷酸三丁酯，在萃取振蕩機上完成萃取，收集水相溶液。

（4）往水相溶液中加入一定體積的濃硫酸以便硫酸鈣沉淀，過濾收集濾液。

（5）向濾液中加少許硫酸銨晶體，在攪拌下析出鋁氨礬。

（6）在馬弗爐300℃下煅燒得到氧化鋁。

2 實驗結果

按照實驗步驟，所測數據如表1所示。RL-6、TY-15-5、WL-2氧化鋁提取量分別為2.01g、2.21g、2.03g，并且TY-15-5氧化鋁產率最高達到了84.6%。

3 討論

（1）三個煤樣之間的差異

從實驗結果來看，桃園礦的煤樣所含有的Al2O3比其他兩個煤礦的量要高，這可能與煤層形成后受到巖漿侵入有關，巖漿中含有大量的Al2O3，巖漿侵入煤層后為煤層帶來了大量Al2O3。也可能與形成煤的植物有關，形成桃園礦的植物本身就含有大量鋁元素，在經歷長期并且復雜的成煤過程中，鋁元素得到了富集。這也可能導致桃園礦的Al2O3含量比其他煤礦多。

（2）鋁的提取實際意義

隨著人們對鋁、銅、鉛等有色金屬的需求量增大，尤其是對鋁的需求量最大。由于鋁主要來源于電解氧化鋁，因此對氧化鋁的需求也相應變大了。而氧化鋁主要從鋁土礦中提取，這種方法不僅技術復雜，而且成本也非常高，因此新的氧化鋁提取方法就變得十分有意義。

（3）氧化鋁提取的經濟意義分析

從圖1中可以看出，中國煤炭價格指數一直出于下降趨勢，煤炭行業正處在低迷期，這使我們的實驗成本在一定程度上降低了。

淮北煤塊價格：500～600元/噸，0.005～0.006元/克，實驗用量：40g。

實驗藥品價格：乙醚，50元（500ml）；硫酸，30元（500ml）；磷酸三丁酯，25元（500ml），硫酸銨10元（500g）。

實驗產品（Al2O3）價格：20～30元/500克，

經過計算，實驗產品（Al2O3）價值小于40g煤+實驗耗材價格。

在實驗室做提取Al2O3利潤非常微薄，甚至為負，但是一旦技術成熟，大量投入生產就會帶來巨大的商業利潤，并且從煤灰中提取鋁對于節約資源、改善環境、實現可持續發展都具有重要意義，實現了對煤綜合利用為煤炭行業摸索出一條新的出路。

4 結論

通過對淮北煤田提取氧化鋁的實驗發現，有些煤礦的煤樣氧化鋁含量較高，這為以后大量投入生產提供了可能。目前這種方法還是存在一些缺陷，如在實驗過程中的樣品會損失相當大的比例，實驗過程會產生一些有害氣體、反應時間過長等。為此，我們對實驗方法提出了一些改進方案，比如安裝一套尾氣吸收裝置、尋找適當的催化劑等。因為我國對鋁的需求日益增大，新的提取氧化鋁方法就變得尤為重要，這對我們的實驗研究起到了非常大的推動作用。

【基金項目：安徽省大學生創新訓練項目（巖漿巖侵入對煤的生烴能力影響研究-以淮北煤田為例，編號201510379139），安徽省教育廳大學生創客實驗室建設計劃項目（宿州學院-眾利創客實驗室，編號：2015ckjh107）。】

參考文獻

[1] 楊石波，王際東，屈一新.燒結法提取高鋁粉煤灰中氧化鋁的實驗研究[D].無機鹽工業.2008.40（7）.

[2] 馮立群，中國煤炭進口來源分析[D].內蒙古大學碩士畢業論文.2012.

[3] 國家統計局能源統計司.中國能源統計年鑒2011[M].北京：中國統計出版社，2011：1-5.

[4] 楊勇平，楊志平，徐鋼，等.中國火力發電能耗狀況及展望[J].中國電機工程學報，2013，33（23）：43-46