中国高铝飞灰：资源与清洁利用技术

2003年以来，著者研究团队对中国北方十余家电力、煤炭企业排放的高铝粉煤灰、高铝煤矸石等二次资源提取氧化铝关键技术进行了系统研究。本专著即是在上述研究的基础上，对相关的学位论文、学术论文、技术报告和发明专利等进行系统总结和整理完成的；反映了著者团队15年来秉承循环经济理念，以期在煤炭、电力、冶金、化工、建材五大行业发展超级系统产业集群，从而实现清洁生产。

本书绪论部分系统论述了中国铝资源与铝材工业可持续发展问题。上篇提铝关键技术，论述了以内蒙古、山西、陕西、宁夏等地热电厂排放的高铝粉煤灰为原料，采用酸碱联合法和碱法提取氧化铝与氢氧化铝的关键技术；同时论述了利用高铝煤矸石、霞石正长岩、高硅铝土矿等非传统铝资源提取氧化铝的相关技术。下篇相关应用技术；论述了以脱硅碱液制备无机硅化合物、针状硅灰石粉体等技术，高铝粉煤灰提取稀有元素镓关键技术，利用高铝粉煤灰、高铝煤矸石及其剩余硅钙渣合成X型分子筛及制备莫来石陶瓷、微晶玻璃、矿物聚合材料、墙体材料等技术。书中对前人的相关研究成果也作了简要介绍。

本专著内容重点反映了当前有关高铝粉煤灰资源化利用技术的研究现状和重要研究进展，对国内本领域研究和相关技术的产业化发展方向具有重要参考价值。本书适合矿产资源、化工、冶金、材料等专业领域以及煤炭、电力、建材、矿产品加工等行业的科研人员和技术人员使用，也可作为高等院校相关专业的参考书。

绪论中国铝资源与铝材工业可持续发展1

0.1中国铝土矿资源产业概况1

0.1.1铝土矿资源与储量1

0.1.2铝土矿生产与消费4

0.1.3铝土矿贸易与展望5

0.2铝土矿工业利用技术现状6

0.3非传统铝资源研究概述10

0.3.1高铝粉煤灰10

0.3.2高铝煤矸石13

0.3.3高硅铝土矿15

0.3.4霞石正长岩17

0.4提取氧化铝关键反应与过程评价19

0.4.1石灰石烧结法技术19

0.4.2碱石灰烧结法技术20

0.4.3两步碱溶法技术20

0.4.4碱溶-烧结联合法技术21

0.4.5酸浸溶出技术22

0.4.6纯碱烧结-酸浸技术22

0.5提取氧化铝新技术：预脱硅-低钙烧结法23

0.5.1基本工艺流程23

0.5.2碱法工艺综合对比评价24

0.5.3提铝技术关联产业效应27

0.6中国铝材工业可持续发展29

0.6.1中国原铝工业发展史29

0.6.2中国铝材消费与展望30

0.6.3中国铝材工业发展瓶颈32

0.6.4中国铝材工业可持续发展33

参考文献34

上篇提铝关键技术39

第1章中国高铝粉煤灰资源概述40

1.1粉煤灰概述40

1.2粉煤灰组成及物理性质41

1.2.1化学成分41

1.2.2物相组成42

1.2.3物理性质42

1.3粉煤灰的危害43

1.4粉煤灰资源化利用现状43

1.4.1生产建筑材料43

1.4.2提取空心微珠、漂珠、磁珠45

1.4.3生产多孔陶瓷滤料45

1.4.4制备莫来石陶瓷46

1.4.5制备赛隆陶瓷46

1.4.6制备微晶玻璃46

1.4.7合成分子筛47

1.4.8制取氧化铝48

第2章预脱硅-低钙烧结法提取氧化铝技术50

2.1实验原料及工艺流程50

2.1.1粉煤灰物相及化学成分50

2.1.2粉煤灰颗粒形态学52

2.1.3工艺流程54

2.2脱硅反应模拟及实验55

2.2.1实验原理55

2.2.2热力学模拟56

2.2.3实验方法57

2.2.4结果与讨论57

2.2.5脱硅反应机理63

2.2.6微量元素丰度变化64

2.3滤饼烧结及溶出铝65

2.3.1低钙烧结法原理65

2.3.2烧结反应Gibbs自由能66

2.3.3烧结实验方法68

2.3.4实验结果与讨论69

2.3.5烧结反应机理73

2.4烧结过程能耗计算74

2.4.1DSC法测定能耗基本原理75

2.4.2两种烧结反应能耗测定75

2.4.3烧结能耗热力学计算77

2.4.4DSC测定与热力学计算值对比79

2.5硅钙碱渣回收碱80

2.5.1实验原理80

2.5.2热力学模拟81

2.5.3实验过程82

2.5.4结果与讨论83

2.5.5硅钙渣产物表征86

2.6工艺过程对比及环境影响评价87

2.6.1技术可行性分析87

2.6.2工艺过程对比评价88

第3章纯碱烧结-盐酸浸出提取氧化铝技术91

3.1原料分析与工艺流程91

3.1.1原料分析91

3.1.2工艺流程93

3.2原料烧结93

3.3硅铝分离96

3.3.1pH值96

3.3.2盐酸加入量97

3.3.3酸浸温度102

3.4氯化铝溶液除杂103

3.4.1碱浸溶出105

3.4.2深度脱硅109

3.4.3除钙实验111

3.5氧化铝制备112

3.6技术可行性及环境影响评价118

3.6.1工艺流程特点118

3.6.2环境影响评价119

第4章石灰石烧结法提取氧化铝技术120

4.1工艺原理120

4.2氧化铝溶出122

4.3超细氢氧化铝制备127

4.3.1熟料自粉化与溶出氧化铝127

4.3.2表面活性剂对制备氢氧化铝的影响128

4.3.3碳化速率对制备氢氧化铝的影响128

4.3.4溶液pH值对制备氢氧化铝的影响129

4.3.5超细氢氧化铝粉体表征129

第5章碱石灰烧结法提取氧化铝技术130

5.1研究现状130

5.2工艺过程和原理131

5.2.1碱石灰烧结法基本流程131

5.2.2反应原理132

5.3结果分析与讨论135

5.3.1烧结过程135

5.3.2溶出过程137

5.3.3铝酸钠粗液脱硅138

5.3.4铝酸钠溶液碳分141

5.4工艺过程评价145

第6章纯碱烧结-碱石灰溶出提取氧化铝技术146

6.1实验原料与工艺路线146

6.1.1高铝粉煤灰原料146

6.1.2拟采取工艺路线148

6.2硅铝分离及铝酸钠溶液制备149

6.2.1原料烧结149

6.2.2硅铝分离153

6.2.3铝酸钠溶液制备159

6.3碳化分解制备超细氢氧化铝160

6.3.1实验原理160

6.3.2实验方法163

6.3.3单因素实验163

6.3.4正交实验169

6.4超细α-Al2O3粉体制备172

6.4.1实验部分172

6.4.2结果分析与讨论173

第7章两步碱溶法提取氧化铝技术176

7.1实验原料与工艺流程176

7.1.1原料分析176

7.1.2原料预处理178

7.1.3实验工艺流程178

7.2高铝粉煤灰碱溶脱硅179

7.2.1正交实验179

7.2.2单因素实验181

7.2.3脱硅前后物料的理化性质183

7.3制备铝酸钠粗液185

7.3.1碱液溶出氧化铝185

7.3.2碱溶滤液初步脱硅189

7.3.3水合铝酸钙沉淀191

7.3.4铝酸钠粗液制备193

7.4氧化铝制备195

7.4.1铝酸钠粗液深度脱硅195

7.4.2碳分法制备氢氧化铝197

7.4.3煅烧制备氧化铝200

7.5与石灰石烧结法对比201

7.5.1工艺过程对比202

7.5.2资源消耗量对比203

7.5.3“三废” 排放量对比203

7.5.4产品方案对比203

第8章预脱硅-改良碱石灰烧结法提取氧化铝技术204

8.1高铝粉煤灰原料204

8.1.1化学成分204

8.1.2物相组成204

8.1.3粒度分布204

8.2磁选除铁实验205

8.2.1磁选实验条件205

8.2.2磁选结果分析205

8.3高铝粉煤灰碱溶脱硅207

8.3.1反应原理207

8.3.2实验过程207

8.3.3结果分析208

8.4生料烧结及氧化铝溶出209

8.4.1反应原理209

8.4.2生料烧结210

8.4.3氧化铝溶出212

8.5铝酸钠粗液脱硅及制备氢氧化铝213

8.5.1一段脱硅214

8.5.2二段脱硅214

8.5.3碳化分解214

8.5.4氢氧化铝制品表征215

8.6硅钙碱渣回收碱216

8.6.1反应原理216

8.6.2实验过程217

8.6.3结果分析217

8.7硅钙渣制备轻质墙体材料218

8.7.1反应原理218

8.7.2实验过程218

8.7.3结果分析219

第9章高铝煤矸石提取氧化铝技术222

9.1煤矸石资源概述222

9.2煤矸石制备氢氧化铝研究现状224

9.3实验流程224

9.4原料预处理225

9.4.1原料分析225

9.4.2原料煅烧225

9.4.3碱液预脱硅226

9.5脱硅滤饼烧结228

9.5.1反应原理和实验过程229

9.5.2结果分析与讨论230

9.6烧结熟料溶出234

9.6.1反应原理和实验过程234

9.6.2结果分析与讨论235

9.7铝酸钠溶液分解237

9.7.1反应原理和实验过程237

9.7.2结果分析与讨论238

9.8工艺过程环境影响评价248

9.8.1烧结反应能耗248

9.8.2氢氧化铝煅烧能耗249

9.8.3资源消耗量251

9.8.4工艺能耗251

第10章高硅铝土矿提取氧化铝技术253

10.1脱硅预处理技术253

10.1.1物理选矿253

10.1.2化学选矿254

10.1.3生物选矿255

10.2基本工艺流程255

10.3高硅铝土矿物相分析256

10.3.1原矿物相分析256

10.3.2矿物嵌布特征257

10.4脱硅选矿实验258

10.4.1不同磨矿粒度的重选259

10.4.2重选中矿的浮选259

10.4.3重选尾矿的浮选260

10.4.4全流程闭路实验261

10.5铝土尾矿烧结262

10.5.1实验原料263

10.5.2实验原理264

10.5.3烧结反应热力学分析264

10.5.4实验方法266

10.5.5结果与讨论267

10.6烧结熟料溶出270

10.6.1实验原理270

10.6.2实验方法271

10.6.3结果与讨论271

10.7工艺过程环境影响评价273

第11章假榴正长岩提取氧化铝技术277

11.1原料烧结及水热浸出277

11.1.1原料物相分析277

11.1.2原料烧结实验278

11.1.3烧结产物水浸280

11.2水化铝硅酸盐溶出铝282

11.2.1基本反应原理282

11.2.2实验方法283

11.2.3结果与讨论284

11.2.4硅钙碱渣回收碱288

11.3降低铝酸钠溶液苛性比289

11.3.1高苛性比铝酸钠溶液预脱硅289

11.3.2铝的沉淀实验290

11.3.3铝酸钠粗液制备292

11.4铝酸钠粗液纯化294

11.4.1深度脱硅实验294

11.4.2除钙实验298

11.5氧化铝制备298

11.5.1铝酸钠溶液碳化分解298

11.5.2氢氧化铝煅烧304

11.6工艺过程环境影响评价307

11.6.1烧结反应能耗计算307

11.6.2资源消耗对比310

11.6.3能源消耗对比311

11.6.4三废排放量对比312

11.6.5产品方案对比313

第12章霞石正长岩提取氧化铝技术314

12.1实验原料与实验流程314

12.1.1实验原料314

12.1.2实验流程315

12.2精矿生料烧结317

12.2.1反应原理317

12.2.2实验方法317

12.2.3结果与讨论318

12.3烧结熟料溶出铝323

12.3.1反应原理323

12.3.2实验方法324

12.3.3结果与讨论324

12.4氢氧化铝制备325

12.4.1铝酸钠（钾）粗液脱硅325

12.4.2碳化分解法制备氢氧化铝329

12.5硅钙碱渣回收碱332

12.5.1反应原理333

12.5.2实验方法334

12.5.3结果与讨论334

12.6资源消耗量对比337

第13章霓辉正长岩提取氧化铝技术339

13.1原料烧结及水浸339

13.1.1原料物相分析339

13.1.2原矿生料烧结340

13.1.3烧结物料水浸341

13.2水浸滤饼碱液溶出铝343

13.2.1碱液溶出铝343

13.2.2碱浸渣回收碱345

13.3铝酸钠粗液制备347

13.3.1碱浸滤液预脱硅348

13.3.2铝酸钙沉淀354

13.3.3铝酸钙溶解357

13.4铝酸钠粗液纯化358

13.5氧化铝制备359

13.5.1碳分法制备氢氧化铝359

13.5.2氢氧化铝制品性能表征364

13.5.3氢氧化铝煅烧365

13.5.4氧化铝制品性能表征366

13.6工艺过程环境影响评价368

13.6.1技术可行性368

13.6.2环境影响评价368

上篇参考文献370

下篇相关应用技术379

第14章脱硅碱液制备针状硅灰石技术380

14.1硅灰石的性质及用途380

14.1.1理化性质380

14.1.2工业用途381

14.2高铝粉煤灰碱溶脱硅382

14.2.1反应原理与实验方法382

14.2.2实验结果分析382

14.3硅酸钠碱液制备硅灰石385

14.3.1反应原理385

14.3.2水合硅酸钙制备386

14.3.3硬硅钙石合成387

14.3.4硅灰石制备及表征389

14.4硅酸钾碱液制备硅灰石391

14.4.1实验原料与工艺流程391

14.4.2硅酸钾碱液苛化392

14.4.3针状硬硅钙石合成395

14.4.4硬硅钙石晶化反应动力学400

14.4.5硅灰石制备及表征404

第15章硅酸钠碱液制备白炭黑技术408

15.1研究现状概述408

15.2制备白炭黑实验流程409

15.3碳化法制备偏硅酸胶体410

15.3.1硅酸钠液体制备410

15.3.2实验原理及方法411

15.3.3实验结果与讨论411

15.3.4碳化反应机理416

15.3.5碳化反应动力学420

15.4偏硅酸胶体除杂422

15.4.1实验原料422

15.4.2反应机理423

15.4.3水洗除杂423

15.4.4干燥煅烧425

15.5白炭黑制品性能表征425

15.5.1化学成分及结构425

15.5.2比表面积与孔径分布426

15.5.3热学性质427

15.5.4红外光谱429

15.5.5微观形貌429

15.5.629Si核磁共振谱430

15.6偏硅酸胶体表面改性431

15.6.1改性原理431

15.6.2表面活性剂432

15.6.3改性实验432

15.6.4制品性能表征437

第16章硅酸钠碱液制备氧化硅气凝胶技术440

16.1研究现状概述440

16.2实验流程441

16.3原料中温烧结441

16.3.1原料化学成分及物相分析441

16.3.2粉煤灰原料烧结443

16.3.3烧结反应动力学447

16.4硅铝分离449

16.4.1盐酸溶浸449

16.4.2硫酸溶浸456

16.5气凝胶制备与性能457

16.5.1实验过程457

16.5.2制品性能457

16.6硅酸溶胶制备气凝胶462

16.6.1制备原理462

16.6.2实验过程与结果分析462

16.6.3制品性能表征465

第17章高铝粉煤灰泡塑吸附法提取镓技术471

17.1研究现状概述471

17.1.1镓的理化性质472

17.1.2镓的工业用途472

17.1.3镓的工业生产475

17.1.4镓提取分离技术476

17.2实验仪器与试剂478

17.2.1仪器478

17.2.2试剂478

17.3实验方法478

17.3.1聚氨酯泡塑处理478

17.3.2静态吸附镓方法479

17.3.3镓的洗脱479

17.3.4实验原理479

17.3.5实验流程479

17.3.6原料预处理479

17.3.7原料中镓含量测定480

17.4实验结果与讨论481

17.4.1镓的标准曲线481

17.4.2提取镓正交实验482

17.4.3聚氨酯泡塑吸附镓单因素实验483

17.4.4镓吸附机理485

17.4.5镓解吸实验487

17.4.6镓提取效果488

17.4.7泡塑的再生489

第18章硅钙渣制备硅灰石超细粉体技术490

18.1研究现状概述490

18.2原料预处理流程491

18.3硅钙碱渣回收碱493

18.3.1反应原理493

18.3.2实验过程495

18.3.3结果分析与讨论496

18.4硅钙渣制备硅灰石498

18.4.1原料物相分析498

18.4.2制备工艺过程498

18.4.3碱回收条件对硅灰石形貌的影响503

18.5制备硅灰石反应动力学506

18.5.1理论基础507

18.5.2反应动力学509

18.6硅灰石制品表征513

18.6.1化学成分及物相513

18.6.2粒度分布514

18.6.3微观形貌514

18.7纤维状硅灰石合成515

18.7.1合成工艺516

18.7.2结果分析与讨论516

第19章硅钙渣制备硅灰石微晶玻璃技术518

19.1研究现状概述518

19.1.1研究背景518

19.1.2研究现状518

19.1.3微晶玻璃制备方法520

19.1.4微晶玻璃的用途521

19.2制备工艺523

19.2.1实验原料523

19.2.2实验原理和工艺过程523

19.2.3实验配方设计524

19.3制品物相和性能表征526

19.3.1物相分析526

19.3.2显微形貌527

19.3.3抗折强度527

19.4制备工艺优化528

19.4.1基础玻璃配方优化528

19.4.2热处理条件优化528

19.4.3微晶玻璃制品表征529

19.4.4工艺条件对制品性能的影响531

第20章高铝粉煤灰制备莫来石微晶玻璃技术535

20.1研究现状概述535

20.1.1粉煤灰制备微晶玻璃535

20.1.2粉煤灰制备莫来石微晶玻璃536

20.2制备工艺和原理538

20.2.1实验原料538

20.2.2制备工艺539

20.3制品性能表征539

20.3.1宏观性能539

20.3.2微观性能540

20.4结果分析与讨论540

20.4.1显微结构540

20.4.2主要理化性能541

20.4.3莫来石晶化反应542

20.4.4与同类研究对比542

第21章高铝粉煤灰制备堇青石微晶玻璃技术543

21.1研究现状概述543

21.1.1制备方法544

21.1.2主要性能与用途546

21.1.3研究现状548

21.2微晶玻璃技术发展549

21.3基础玻璃熔制550

21.3.1实验方法550

21.3.2结果分析551

21.4玻璃晶化处理551

21.4.1差热分析551

21.4.2烧结法工艺551

21.5制品性能表征552

第22章高铝粉煤灰制备莫来石陶瓷技术554

22.1研究现状概述554

22.2制备工艺与制品性能555

22.2.1实验原料与制备工艺555

22.2.2工艺条件对制品性能的影响556

22.2.3制品性能指标561

22.3相组成、结构及莫来石含量对力学性能的影响563

22.3.1显微结构及物相组成563

22.3.2莫来石含量及影响因素568

22.3.3力学性能的影响因素570

22.4莫来石晶体化学572

22.4.1晶体化学与晶体结构572

22.4.2Ti4 固溶与晶体结构573

22.4.3Fe3 固溶与晶体结构573

22.5烧结反应机理574

22.5.1烧结类型574

22.5.2烧结过程575

22.5.3晶粒长大576

22.6晶化反应热力学580

22.6.1莫来石晶化反应580

22.6.2晶化反应热力学分析581

22.7晶化反应动力学582

22.7.1烧结过程的物相转变582

22.7.2晶化反应动力学584

第23章高铝粉煤灰合成13X型分子筛技术587

23.1实验原料分析587

23.2前驱物制备588

23.2.1实验流程588

23.2.2烧结条件588

23.2.3物相组成589

23.3水热晶化反应589

23.3.1体系组成589

23.3.2实验方法590

23.3.3合成条件590

23.4合成产物性能表征592

23.4.1晶体结构593

23.4.2晶体化学596

23.4.3显微形貌596

23.4.4物理性能597

23.4.5体系组成对产物的影响599

第24章粉煤灰制备矿物聚合材料技术600

24.1矿物聚合材料概述600

24.1.1性能和用途600

24.1.2研究进展601

24.2实验原料603

24.2.1粉煤灰原料及预处理603

24.2.2偏高岭石605

24.2.3水玻璃608

24.2.4氢氧化钠608

24.2.5标准砂608

24.3矿物聚合材料制备609

24.3.1实验流程609

24.3.2正交实验609

24.3.3单因素实验611

24.4材料制品性能表征613

24.4.1微观结构613

24.4.2基体相化学成分616

24.4.3理化性能617

24.5铝硅酸盐聚合反应机理619

24.5.1偏高岭石结构变化619

24.5.2粉煤灰相结构变化628

24.5.3聚合反应机理633

24.5.4与硅酸盐水泥对比634

24.6技术可行性与环境影响评价635

24.6.1技术可行性分析635

24.6.2环境影响分析635

第25章粉煤灰制备轻质墙体材料技术638

25.1研究现状概述638

25.2轻质墙材制备过程640

25.2.1实验原料640

25.2.2制备过程643

25.3制品结构与性能647

25.3.1物相组成647

25.3.2显微结构647

25.3.3物理性能650

25.4材料固化反应机理652

25.4.1矿聚材料形成过程652

25.4.2X射线物相分析654

25.4.3扫描电镜分析655

25.4.4红外光谱分析656

25.5技术可行性分析657

25.5.1工艺流程评价657

25.5.2制品性能评价658

第26章煤炭固体废物资源化利用技术659

26.1研究现状概述659

26.1.1煤炭固废排放量659

26.1.2煤炭固废污染660

26.1.3煤炭固废资源化利用660

26.2高岭石相变及硅铝活性661

26.2.1研究背景661

26.2.2样品制备与测定条件662

26.2.3高岭石相变特征662

26.2.4煅烧高岭石的活性669

26.3矿聚材料制备及性能表征671

26.3.1研究现状概述671

26.3.2制备工艺及实验结果671

26.3.3制品性能及影响因素675

26.4材料固化过程及反应机理678

26.4.1材料固化过程678

26.4.2聚合反应机理680

下篇参考文献690

附录著者团队有关学位论文、发明专利和研究论文目录700

后记705 2100433B

本书是马鸿文教授研究团队，10余年来从事利用高铝粉煤灰等非传统铝资源提取氧化铝技术的研究成果的系统总结。

1.提供了利用非传统铝土矿型铝资源提取氧化铝的工艺路线，建立了相应的技术体系。

2.按照发展循环经济的理念，充分利用铝、硅两种主要组分，资源利用率高，加工过程符合清洁生产要求。

3.重点研究提铝过程的关键科学问题——铝硅酸盐体系的化学平衡，如对反应原理、工艺能耗、物料平衡及硅铝分离效率等。

本书系统总结了生活垃圾焚烧飞灰的组成特征与污染特性，梳理了国内外飞灰管理相关法律、法规与政策，以技术理论研究与实践案例相结合的方法，详细阐述飞灰中重金属、二英和氯盐解毒预处理技术体系以及飞灰在水泥原料、微晶玻璃和陶粒等领域的资源利用技术；构建了飞灰在安全处理处置中的风险评估模型，以此对国内典型地区飞灰原灰以及预处理解毒飞灰资源化过程和资源化产品应用过程可能涉及的环境风险进行了评估，期望研究成果对我国垃圾焚烧飞灰安全处理处置过程的风险管控提供决策支持。

该书以可持续能源发展和环境保护为主题，重点介绍了生物质能资源及其清洁转化利用技术。内容包括生物质能的定义与分类，生物质能资源的生产与再生产，沼气技术，生物质燃烧技术，生物质固体成型燃料技术，生物质生化法转化技术，生物质热化学转化技术，生物燃料、工程微藻、城市固体废物能源利用技术以及生物质能开发利用技术展望等内容。特别是突出了近年来生物质能领域的最新研究内容和进展，如能源作物、第二代生物燃料、工程微藻等。该书内容全面实用，结构清晰，技术前沿，富有生命力。

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