淮北煤田煤中氧化铝提取研究

车青松 冯松宝 王彪

摘 要：铝元素在煤中是常量元素，主要以氧化铝形式赋存在煤中，采用石灰石烧结法提取煤中铝对于煤的综合利用以及节约能源、改善环境、实现可持续发展具有重大意义。研究方法是将煤灰与氧化钙混合后在高温下煅烧成自粉化料，将自粉化料与硫酸反应使铝从固相转变为液相得到硫酸铝粗液，然后用有机萃取机除去铁离子得到硫酸铝精液，然后加入硫酸铵得到铝铵矾晶体，最后将铝铵矾在高温下煅烧得到氧化铝，研究表明淮北煤田部分煤矿煤样的粉煤灰铝的回收率可达80%以上。

关键词：淮北煤田；氧化铝；粉煤灰

0 引言

中国的氧化铝产量（96，314kt）占全球的39.51%，其消费量占全球总消费量45%，为了解决氧化铝短缺的问题，我国启动了许多氧化铝提取项目，包括云冶文山年产800kt氧化铝项目。2012年9月26日，云南省文山县800kt/a氧化铝项目竣工投产，广西田东锦盛化工公司1000kt/a氧化铝项目于2012年10月投产。另外，粉煤灰提取氧化铝项目也取得了突破性的成果，如内蒙古、陕西、宁夏等地含有9%～12%氧化铝的低热值煤炭，其粉煤灰含14%～52%氧化铝。如能利用其中的氧化铝不但可以缓解氧化铝紧缺局面，而且对粉煤灰的综合利用与发展循环经济有着重要的意义[1]。但是有效综合利用技术是一项亟待解决的艰巨任务，因此本文采用石灰石烧结法提取煤中氧化铝，来为工业提取氧化铝探索新方法以及改进方法。我国现在已探明的可开采煤炭储量为1145亿吨[2]，而且每年还进口大量的煤炭，发电消耗的原煤占国内煤炭消耗总量的50%左右[3]，尽管核电、风电、太阳能发电比例有所提高，但是火力发电量仍占总发电量的80%以上[4]，因此也产生了数十亿吨的粉煤灰，如果不处理这些粉煤灰，不仅浪费了煤中大量的金属元素而且也使它们成为了污染物，因此提取煤中氧化铝，不仅是对煤的综合利用，更是减少环境污染的措施。

1 样品与实验方法

1.1 样品采集

采用GB/T482-2008煤样采集方法，在采样点的底板上放好一块铺布，使采下的煤样都能落在铺布上，将开采时应采的煤分层及夹石层一起采取，所采煤样全部装入煤样袋内，每个煤样袋均有按规定填好标签，采样时，线内应采取的煤样和夹石都得采下，且不得采线外的煤和夹石。此外每个采样点分别采取一定数量的子样汇集成实验用的一个总样。为了使煤样具有代表性，所选的采样点要分布均匀，尽可能多取一点样本，但一定要按规定采样。

1.2 实验仪器

粉碎机（2000Y）、马弗炉（HWSK-210E）、萃取分离机（13～60kHz）、抽滤装置等。

1.3 实验步骤

（1）将煤灰与氧化钙混合加适量水团成球形（4～7mm），放入马弗炉中灼烧（1000℃，0.5h）。

（2）將烧结物破碎通40目筛，用盐酸（10%）溶解。过滤后再向滤液中加适量硝酸，以使杂质铁以离子形式存在于滤液中。

（3）向滤液中分别加入一定体积的乙醚和磷酸三丁酯，在萃取振荡机上完成萃取，收集水相溶液。

（4）往水相溶液中加入一定体积的浓硫酸以便硫酸钙沉淀，过滤收集滤液。

（5）向滤液中加少许硫酸铵晶体，在搅拌下析出铝氨矾。

（6）在马弗炉300℃下煅烧得到氧化铝。

2 实验结果

按照实验步骤，所测数据如表1所示。RL-6、TY-15-5、WL-2氧化铝提取量分别为2.01g、2.21g、2.03g，并且TY-15-5氧化铝产率最高达到了84.6%。

3 讨论

（1）三个煤样之间的差异

从实验结果来看，桃园矿的煤样所含有的Al2O3比其他两个煤矿的量要高，这可能与煤层形成后受到岩浆侵入有关，岩浆中含有大量的Al2O3，岩浆侵入煤层后为煤层带来了大量Al2O3。也可能与形成煤的植物有关，形成桃园矿的植物本身就含有大量铝元素，在经历长期并且复杂的成煤过程中，铝元素得到了富集。这也可能导致桃园矿的Al2O3含量比其他煤矿多。

（2）铝的提取实际意义

随着人们对铝、铜、铅等有色金属的需求量增大，尤其是对铝的需求量最大。由于铝主要来源于电解氧化铝，因此对氧化铝的需求也相应变大了。而氧化铝主要从铝土矿中提取，这种方法不仅技术复杂，而且成本也非常高，因此新的氧化铝提取方法就变得十分有意义。

（3）氧化铝提取的经济意义分析

从图1中可以看出，中国煤炭价格指数一直出于下降趋势，煤炭行业正处在低迷期，这使我们的实验成本在一定程度上降低了。

淮北煤块价格：500～600元/吨，0.005～0.006元/克，实验用量：40g。

实验药品价格：乙醚，50元（500ml）；硫酸，30元（500ml）；磷酸三丁酯，25元（500ml），硫酸铵10元（500g）。

实验产品（Al2O3）价格：20～30元/500克，

经过计算，实验产品（Al2O3）价值小于40g煤+实验耗材价格。

在实验室做提取Al2O3利润非常微薄，甚至为负，但是一旦技术成熟，大量投入生产就会带来巨大的商业利润，并且从煤灰中提取铝对于节约资源、改善环境、实现可持续发展都具有重要意义，实现了对煤综合利用为煤炭行业摸索出一条新的出路。

4 结论

通过对淮北煤田提取氧化铝的实验发现，有些煤矿的煤样氧化铝含量较高，这为以后大量投入生产提供了可能。目前这种方法还是存在一些缺陷，如在实验过程中的样品会损失相当大的比例，实验过程会产生一些有害气体、反应时间过长等。为此，我们对实验方法提出了一些改进方案，比如安装一套尾气吸收装置、寻找适当的催化剂等。因为我国对铝的需求日益增大，新的提取氧化铝方法就变得尤为重要，这对我们的实验研究起到了非常大的推动作用。

【基金项目：安徽省大学生创新训练项目（岩浆岩侵入对煤的生烃能力影响研究-以淮北煤田为例，编号201510379139），安徽省教育厅大学生创客实验室建设计划项目（宿州学院-众利创客实验室，编号：2015ckjh107）。】

参考文献

[1] 杨石波，王际东，屈一新.烧结法提取高铝粉煤灰中氧化铝的实验研究[D].无机盐工业.2008.40（7）.

[2] 冯立群，中国煤炭进口来源分析[D].内蒙古大学硕士毕业论文.2012.

[3] 国家统计局能源统计司.中国能源统计年鉴2011[M].北京：中国统计出版社，2011：1-5.

[4] 杨勇平，杨志平，徐钢，等.中国火力发电能耗状况及展望[J].中国电机工程学报，2013，33（23）：43-46