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敢向煤灰要真金——“一步酸溶法”提取氧化铝工艺核心技术创新纪
发布时间:2022-09-19 06:15:26 来源:玩球软件外围 作者:英雄联盟外围网站

  近日,由中国工程院和国家自然科学委员会以及国内多家重点实验室(创新中心)联合举办的“第九届全国矿产资源综合利用学术会议暨矿冶绿色发展高峰论坛”在武汉举行。准能集团资源综合开发有限公司副总经理郭昭华作为国家能源投资集团公司下属企业的科技代表人物应邀出席这次会议。他在大会上所作的“从发电厂粉煤灰中运用‘一步酸溶法’提取氧化铝工艺技术”的专题发言,引起了与会者的浓厚兴趣和极大关注。

  近年来,伴随我国“一带一路”战略向国际纵深推进,全球矿业开发迎来新的发展机遇。与此同时,国内经济发展新常态以及绿色生态的硬性约束也向工业化发展提出了新挑战。当前,面对传统矿业开发手段越来越不适应环境保护和资源节约的严峻形势,对矿产资源的综合利用以及发展循环经济已经成为引领科技创新的主攻方向。正是在这种国际国内矿冶探索的大背景下,准资公司这项充分利用高科技工艺“变废弃料为工业原料”的创新技术,尤其是对煤炭资源“榨干吃尽”的循环经济模式,无疑走在本行业的最前列。

  亿万斯年前,这里曾经是一汪古海。大自然在孕育万物生命之时,也赋予这一带特殊的地质构造。那苍辽而雄浑的鄂尔多斯高原,千百年来正是以一种非凡的特质凸显出她的存在。当人们撩开准格尔煤田的面纱后,才发现这里拥有储量闻名于世界的煤炭资源。

  当时光飞逝到新世纪的头一个十年,承担准格尔煤田开发的“准能人”猛然发现:这块富集煤炭资源的“黑色宝藏”,已经被开采了三十多年。这期间随着下游工业对煤炭资源的旺盛需求,也为了满足企业经济效益的最大化,他们在不断增加产量的同时,也在不断扩大生产规模。其中,矿山开采从唯一的黑岱沟露天煤矿,扩展到第二个大露天——哈尔乌素煤矿;洗煤厂也是从单变双,那年产量更是连续翻番,从最初的1200万吨猛增到6900万吨。从矿山坑口通往大同站的万吨重载电气化铁路,将素有“绿色煤炭”的洗选煤源源不断运往四面八方。可是这种低硫低磷高发热值的“精煤”,绝大多数用于火力发电。

  在普通人眼里,这“黑煤”变成灰分,就属于废料了,也算是完成了它的“伟大使命”。然而,也就是在这个时候,一些担忧当地巨量煤炭资源也总会开采枯竭的矿山人,在奋笔疾书,在奔走呼号,他们向本公司领导呼吁煤炭资源再利用,也向集团公司决策高层呼吁走循环经济发展道路,更向国家科研机构和相关院校呼吁形成综合开发的最强音。

  这个团队的领军人物就是郭昭华,这个正值壮年的北方汉子,他所学的专业正是采矿,从他担任黑岱沟露天煤矿矿长那一天起,从没有停止过对矿山采掘前沿技术的探索和追求,也没有中断过对煤炭资源充分分利用的技术研究。这么多年来,正是靠这种执著于矿山事业的探索精神,在他的引领和主导下,由该矿首创的“大型露天煤矿高台阶抛掷爆破技术”获得成功,曾被业界内誉为“中国矿采第一爆”。随后,他们又独家开发“矿山高台阶抛掷爆破技术与吊斗铲倒堆工艺结合应运”项目,并且获得了国家科技进步二等奖。

  其实,从粉煤灰中提取氧化铝工艺技术,并非一帆风顺或一蹴而就,而是经历了一个艰难曲折的漫长过程。早在矿建初期的表土岩层剥离过程中,就遇到过煤矸石困扰的问题,当投入生产运营后,作为煤炭资源伴生物的固体煤矸石,不仅作为废弃物被排放或随地抛弃,还因长期堆放自燃造成二次环境污染,这已经成为煤炭洗选加工中最为突出的难题。

  怎样把这些废弃物利用起来?并将矿产资源价值最大化?长期以来,一直是郭昭华在琢磨与思考的主要问题。在那些年里,他们曾经研究过煤矸石含高岭土的转化应用,也搞过粉煤灰制砖与铺路的试生产。但是这些简单的工艺和落后的产能以及市场前景,尤其是低附加值的二次资金投入,始终令人不满意,更不是郭昭华和他的团队所期望的结果。

  从2004年开始,他们将专注的目光,又瞄准了充分挖掘利用煤炭资源的高端技术研究,并将着力点聚焦在发电厂粉煤灰上,正是靠这种坚持不懈的长期努力和孜孜不倦的潜心研发,他们攻克了对粉煤灰综合利用的一道又一道道难关,终于掌握了这门独创工艺的核心技术。它的理论价值在于煤炭不再单纯依靠发电来获取利润,那发电的剩余残渣——粉煤灰也不再是传统意义的废弃物了,而是要充分利用其尚未被挖掘出来巨大潜能。而它最重要的实用价值则体现在延伸了产业链条,从而实现了“变废为宝”的巨大转换和跨跃。

  这项技术不仅是对煤炭资源综合利用课题的重大突破,而且是实现国家能源可持续发展战略的有效途径,对于提高企业经济效益,增强企业发展后劲具有巨大作用和深远意义。正是基于来自最基层的技改呼声以及科研团队最新的科技成果,适逢国家层面保护生态环境、发展循环经济的重大决策以及全国大型企业“调整产业结构”、“产品转型升级”的大气候,在这种上下贯通局势下,经神华集团批准,准能氧化铝中试装置于2010年金秋十月开工建设,并于2012年注册5亿资本金,成立准能资源综合开发有限公司,专门致力于煤炭伴生资源的综合开发和氧化铝以及其他产品的研发,从而实现资源利用高质化。

  沉睡千年的亘古荒原,缘煤而兴,因煤而盛。当以高铝粉煤灰年提取4000吨氧化铝规模而建设的中试装置在鄂尔多斯高原拔地而起,标志着准资公司首开“燃料十原料”之先河,开辟出一条前人从未走过的艰难曲折道路,并为这个新兴行业树立样板和标杆。

  然而,纵观全球制铝传统工艺,大都采取“拜耳生产法”,并且已达120年之久。特别是运用碱性“加量法”从粉煤灰中提炼氧化铝,从上世纪五十年代至今,一直为其主要路径和置换手段。可它的弊端是通过加量煅烧,又产生出来更多的废料。更何况工序多、流程长,生产成本高,严重制约经济效益,所以在全世界范围内尚无成熟的工业化应用。

  有鉴于此,善于突破常规的郭昭华和他的科研团队,则从减量化工艺过程的思路出发,根据本地实际情况,大胆提出酸法制铝的奇妙设想。可是采用酸性“减量法”生产,目前世界上没有先例,更无常规数据。既然没有定性方法可供选择,那么只能依靠自己来配置研发。就这样,“一步酸溶法”应用而生,而中试装置的投运更使其实验如虎添翼。

  从2011年10月25日至次年8月15日,在先后7次的中试实验当中,最具成果性的一环为第5次试验。在长达158天的稳定运行中,共生产氧化铝1395吨,它用铁的现实证明了“一步酸溶法”的可行性。尤其是在每一项实验中,均有既定的攻关目标,经过专业资质部门对关键设备的材质检测,设备系统稳定可靠,其寿命可达10年以上。尤其是攻克了“去除杂质、设备性质和环保要求”三大关键性难题,还顺利实现金属镓回收。后经专业机构专项实验,该氧化铝产品纯度达到国标冶金一级品水准,镓产品纯度达到4N级,环保与安全指标达到国家相关规定要求,并被国家科技部列为“十二五”计划支撑项目。

  2013年春夏之交,通过中国有色金属协会和中国煤炭协会科技成果鉴定,一致认为该项目的关键技术研究具有流程短、工艺先进等优点,实现了粉煤灰资源化高附加值利用,属于国内首创,并且达到国际领先水平,建议工业化示范建设生产和商业化运营。

  从“黑”与“白”嬗变的华丽转身中,由粉煤灰中提取氧化铝只是它的主要部分,其他产品还包括镓、硅、碳酸锂等贵重金属,其应用领域十分广泛。单是高端铝产品就可应用于电子、能源、交通、航天等科技领域;金属镓可应用于清洁能源、半导体与太阳能工业以及新材料等科研领域;而硅产品则可用于生产白炭黑、橡胶填充材料、瓷质砖以及高温耐火砖等;至于碳酸锂更是广泛应用于电池工业、玻璃制造、广电行业以及医药等新兴领域。特别是在提取氧化铝过程中伴生的副产品“白泥”,用它制作的硅肥,为改良碱性土壤的绝佳肥料。未来将在解决土壤污染、保证粮食安全以及治疗生理疾病方面,发挥潜在而巨大的作用。今后随着粉煤灰的深化利用和深度开发,在工业反哺农业上具有广阔的前景。

  由此可见,从粉煤灰中提取铝、镓、锂、硅等贵金属产品,在世界科技领域也属于前沿科技成果。这不仅是研发出一项工艺,而是开发了一整套的工业技术体系。它预示着准资公司拥有的自主知识产权核心技术,必将成为助推本地区经济腾飞的强大引擎。

  鄂尔多斯这片热土,五彩斑斓,它注定是西部最具活力的经济舞台之一。继上世纪末和本世纪初,“扬(羊绒)眉(煤炭)吐(高岭土)气(天然气)”一马当先,引领当地经济快速发展之后,毫无疑问,准资循环经济项目必将成为未来极具潜力的“高原黑马”。

  近年来,我国制铝行业的低端制造和产能过剩以及在矿产资源开发与加工中出现的高耗能、高污染、资源短缺等一系列弊端,更加凸显出氧化铝的工艺优势和其高端产业的巨大空间。在引领当地新一轮经济发展中,准资公司占据资源赋存的巨大优势。

  这里已经探明的煤炭地质储量为267亿多吨,其煤层大多为埋藏30多米的易于露天开采的整装煤田范围内。经初步统计,高铝粉煤灰约占粉煤灰总量的25—30%,在高铝粉煤灰中氧化铝平均含量可达40%以上。其中,蕴含Al2O3三氧化二铝约35亿吨,相当于我国现有铝土资源储量的3倍,镓含量约85.7万吨,约为世界总储量的80%。准格尔煤炭经发电厂燃烧后所产生的粉煤灰中Al2O3含量为50%,而钙为89g/t,为目前提取氧化铝和镓等重要元素的潜在资源地,具有形成提取氧化铝大型基地的区位优势和先决条件。

  经过十几年的技术培养和实际锤炼,现阶段准资公司已经形成稳定的项目科研团队,包括研发中心和氧化铝中试厂在内,拥有研发与产业化人员300余人。其中:博士11人,硕士56人,高级以上职称26人。近年来,还引进高级专家5人,并与50多家科研、设计以及生产单位构建产学研平台,已形成专业领域跨越煤炭、化工、有色金属冶炼以及新型材料等领域的研究矩阵,参与研究的人员多达1700余人,具有高效的合作协调能力。

  这一路走来,风雨兼程,参与项目研究的科技人员先后申报国家专利188项。目前共获得国际专利4项,包括国际专利获得授权4项。获得国家专利授权109项,其中,发明专利68项,实用新型专利41项。还有国家发明专利审查中的18项,申请中的发明专利25项,实用新型专利8项。在这期间内,先后发表循环经济相关论文37篇,建立企业标准4项。现阶段正在整理制定行业标准,为下一步的规模化生产奠定技术基础。

  这是一支耐得住寂寞的团队,他们久居弹丸之地薛家湾,而不是繁华的京华城市,但他们取得了丰硕的科技成果,也赢得广泛的赞誉和丰厚的回报。其中,研发中心曾被评为内蒙古草原英才创新团队和自治区工程技术研究中心。尤其是他们所承担的“高铝粉煤灰高效循环利用技术项目”研究课题,在被国家科技部列为“十二五”科技支撑计划项目后,还获得专项资金924万元,准格尔煤炭资源综合利用示范基地被国土资源部与财政部联合授予我国首批矿产资源综合利用示范基地,并获得中央财政支持资金8.4亿元,这是迄今为止中央对综合利用科技项目最大的资金扶持。此外,“神华准格尔矿区煤炭伴生资源循环经济产业项目”还获得国资委关于鼓励资本驱动科技创新专项资金7亿元,内蒙古自治区又奖励90万元。这所有的一切成分表明,国家对这一拥有自主知识产权的核心技术寄予厚望。

  2017年10月15日,这是一个让所有准能人铭记难忘的日子,自项目研究启动以来,所有研究成果终于迎来了产业化运营的希望,这项被称为“煤炭行业特大奇迹”的新技术,获准原神华集团的项目立项,其规模为年产30万吨高铝粉提取氧化铝以及其他产品。在此之前,该项目也被列入内蒙古自治区循环经济产业规划之中,准格尔旗在大路工业园区为该项目开辟了36.7Km2建设用地,而该园区的远景目标为建成世界级最大的铝业基地。

  当前,准资公司的初步规划为建设6条生产线,形成向下游延伸的产业链,并且分三期实施。其中,一期工程为期3年,包括4╳350MW循环流化床锅炉自备电厂,年产100万吨氧化铝厂,年产50万吨电解铝厂,年产50万吨铝材加工厂,年产100吨镓车间,年产130万吨白泥利用厂以及辅助设施,预计投资300余亿元,可创利润47亿元,缴纳税费16亿元。其远景规划更加宏伟,预计实现年利润65亿元,每年缴纳税费34亿元。

  如今的准资公司蓄势待发,大路工业园区建设方兴未艾,准能集团拟采用混合所有制模式,引入外部投资者参与项目研发和建设,在国家发展“一带一路”经济中,探索投资主体多元化,全力推进粉煤灰提取氧化铝项目向更新的高度进发,开创辉煌未来!