高铝粉煤灰(High-aluminaflyash)是一种独特的粉煤灰类型，尽管在美国煤灰协会(ACAA)“煤燃烧产物管理与应用术语表”(www.acaa-usa.org)和欧洲标准EN450(www.ecoba.com)以及我国有关粉煤灰利用标准(GB1596—91，GBJ146—90，JGJ28—86)中尚没有这一定义，但这一术语早已见诸于某些研究文献(Mattias等，1989;张徵，2001)。顾名思义，高铝粉煤灰指粉煤灰中Al
含量较高的粉煤灰，但Al
含量的划分界限尚未得到统一认识，有人主张以Al
≥30%进行划分(张徵，1986)，也有人主张以Al
≥35%进行划分(陈江峰，2005)。
据统计，普通粉煤灰中Al
的含量在16.5%～35.1%之间，平均27.1%(刘巽伯等，1995)，Al
的质量比在0.5左右(邵龙义等，2004)。而高铝粉煤灰中Al
含量可达50%左右，Al
的质量比可高达1.5，是普通粉煤灰的3倍左右(Chen等，2006)。按照1986年的统计资料，若以Al
≥30%划分高铝粉煤灰，其所占比例为18.3%，约有800×10
t(张徵，2001)。
我国2004年粉煤灰的年排放量已达2×10
t，照此比例计算，我国高铝粉煤灰的数量将达3660×10
t，按照最低Al
含量30%计算，其中的Al
总量可达1098×10
t，这是一个巨大的潜在氧化铝资源。内蒙古南部电厂，包括大唐、神华、国华等，是我国特殊高铝粉煤灰的重要生产地，其中粉煤灰中Al
含量高达50%左右，且杂质含量较低，是生产莫来石和堇青石的理想原料。
与普通粉煤灰(包括高钙粉煤灰)形成鲜明对照的是，对高铝粉煤灰的研究则少之又少。一方面是因为这类粉煤灰所占比例较低(从已有的资料看，仅中国、美国、法国3国有高铝粉煤灰)，另一方面是在粉煤灰分类中一直没有给出其独立的地位，致使这一具有重要资源意义的特殊粉煤灰没有受到普遍的重视。这几年随着铝土矿资源的短缺(2006年我国进口氧化铝691.1×10
t，价值30.2亿美元，虽然数量比2005年下降1.5%，但价格却增长16.5%)，对高铝粉煤灰的认识才逐渐引起人们的关注。
表1.6是我国部分火力发电厂燃煤产生的高铝粉煤灰中的Al
含量，从中可以看出Al
最高可达52.72%，它们是合成莫来石和堇青石的理想原料。
内蒙古自治区是我国高铝粉煤灰的重要生产地，2006年，全区火电企业运行的大型燃煤锅炉年耗煤8097.86×10
t，总装机容量为2885.95×10
kW，粉煤灰排放量为2308.76×10
t。按内蒙古自治区电力工业“十一五”规划目标，到2010年，全区火电机组总装机容量将达到5500×10
kW，届时粉煤灰排放量也将达到4400×10
t。2006年全区粉煤灰利用量达到1000.15×10
t，利用率为43.3%，其中包头市112%，鄂尔多斯市55%，巴也彦淖尔市48.3%，呼伦贝尔市44%，呼和浩特市41.3%，乌兰察布市36.7%，赤峰市25%，乌海市20%，通辽市16%。粉煤灰的利用途径主要以建材工业为主，其他如土地平整、筑路(坝)、回填、农业等所占份额较少。在建材工业领域，由于生产规模、技术水平等原因，对粉煤灰的利用程度不够。特别是能够大量利用粉煤灰的砖瓦行业，多数在生产过程中不掺入或仅掺入少量粉煤灰，粉煤灰综合利用的问题远远没有得到解决。因此，内蒙古自治区对粉煤灰的利用仍然是“以储为主”，呈现“存储量高，利用量低”的特点。“十一五”国家资源综合利用规划目标中，到2010年，粉煤灰综合利用率目标为75%。以内蒙古目前的利用水平来看，与上述目标存在较大差距。因此，推进内蒙古高铝粉煤灰综合利用工作势在必行。
据专家预测，到2010年，我国将有60%～70%的铝土矿资源依赖进口。而据内蒙古大唐托电工业园建设规则，预计五期工程全部建成投产后，每年将产高铝粉煤灰约(900～1000)×10
t，几乎相当于目前我国铝土矿的年产量。大唐托克托电厂拥有8台600MW机组，每年耗煤约为1400×10
t，产生粉煤灰超过200×10
t。该电厂主要使用准格尔煤，其粉煤灰中50%左右是氧化铝。
内蒙古准格尔电厂现产高铝粉煤灰38×10
t/a，国华电厂年产高铝粉煤灰120×10
t/a。因此，大力开展高铝粉煤灰资源化利用，替代天然铝土矿进行铝基材料的研制和生产，对缓解我国铝土矿资源短缺具有重要战略意义。利用高铝粉煤灰中的主组分氧化铝和二氧化硅，生产铝硅酸盐耐火材料或陶瓷原料，是高铝粉煤灰高附加值利用的一条重要途径。它比单一提取某一组分，工艺上更加简单，经济上更加可行。
准格尔电厂粉煤灰中的Al
含量达到52.72%，根据高铝矾土原料中Al
含量为45%～80%、煅烧后波动于48%～90%之间，Ⅲ等高铝质耐火材料要求Al
含量达48%～65%，可以看出，准格尔电厂粉煤灰即使不做任何处理，其Al
含量也已经达到高铝质耐火材料的要求，显然属于高铝粉煤灰。因此，利用准格尔电厂高铝粉煤灰合成莫来石可以大大降低合成成本。以高铝粉煤灰与我国丰富的滑石(或滑石粉)混合配料，替代常规原料(滑石+铝土矿或氧化铝)合成堇青石，同样可以达到降低生产成本、节约天然资源的目的。
表1.6我国部分火力发电厂产生的高铝粉煤灰中的Al2O3含量
(1)粉煤灰的除杂质效果
高铝粉煤灰经800℃×2h除碳，粉煤灰的烧失量由原来的2.10%降至1.02%，除碳效果明显。除碳前、后粉煤灰粒度变化不大(图6.5)，说明粉煤灰中的炭粒与无机颗粒大小相近，分布一致。若原始粉煤灰中残炭含量较低，高温除碳是比较理想的方法;若原始粉煤灰中残炭含量较高，可采用浮选方法(如重介旋流器、微泡浮选机等分选装置)去除，去除的残炭可用作气体或液体废物的吸附剂或加工制备成过滤材料加以充分利用。
图6.5除碳前、后高铝粉煤灰的粒度分布
酸法除钙使粉煤灰中的氧化钙含量从4.22%降至0.95%，尽管合成堇青石实验中CaO固溶体的含量可达4.7%(Sundar等，1993)，但在天然堇青石中CaO含量一般在0.1%以下。粉煤灰经20%盐酸酸洗后，其他氧化物含量也略有降低(表6.4)。铁的去除方法通常采用磁选机(高梯度强磁场107Gs/cm数量级)去除，加大磁通量方法不仅可以从粉煤灰中分选出强磁性矿物，而且还可以分选出弱磁性矿物。如果在除碳加热过程中将炉膛中的气氛营造成还原性气氛，也可以将部分非磁性矿物，如赤铁矿(Fe
)，转化为磁性矿物，如磁铁矿(Fe
)，然后再用磁选机分选去除。除去的含铁矿物可以用作炼铁的原料加以利用。若粉煤灰中TiO
含量较高，还可以采用氟化铝法除去其中的钛(林和成等，1999)。
表6.4高铝粉煤灰除杂质前、后化学成分之对比(%)
(2)合成堇青石配料的粒度
将除碳后的高铝粉煤灰，用郑州东方机器制造厂生产的ZJM-20型周期式搅拌球磨机，以球∶灰∶水=5∶1∶1配比研磨5h后，粉煤灰的粒度从原来的<100μm降至30μm以下，且10μm以下的颗粒达95%以上，说明研磨效果相当理想(图6.6(a));研磨5h并经20%盐酸清洗后的粉煤灰粒度有所下降，从<30μm变为20μm以下，而且主峰位置明显转向细颗粒方向一侧，从4.89μm转至1.27μm(图6.6(b))，说明粉煤灰经酸洗后粒度减小，这是因为盐酸会侵蚀粉煤灰颗粒的外表面。
图6.6细磨5h后粉煤灰粒度与进一步酸洗后粉煤灰粒度分布
实验用的滑石粉直接采用市售辽宁大石桥国利微粉厂生产的1250目(10μm)滑石粉做配料，以增加合成堇青石原料中缺乏的MgO和含量不足的SiO
数量。工业化生产堇青石时可将滑石原料直接与除碳后的粉煤灰，按堇青石化学计量配比混合后一起细磨，以减少工艺程序，降低生产成本。实验用滑石粉和合成原料配料后的激光粒度分析结果见图6.7。可以看出，滑石粉的粒度85%处于10μm之下，粒度呈正态分布，满足合成堇青石对原料粒度的要求。滑石粉的颗粒形貌在SEM下观察呈现叶片状(图6.8)。
图6.7滑石粉的粒度分布
图6.8滑石粉的形貌特征
A、B、C3个系列样品配方比例分别为:
A系列:酸洗前粉煤灰+滑石粉;滑石∶粉煤灰=1∶1.6288;
B系列:酸洗后粉煤灰+滑石粉;滑石∶粉煤灰=1∶1.6288;
C系列:酸洗后粉煤灰+滑石粉;滑石∶粉煤灰=1∶1.5150。
激光粒度分析结果表明，A系列配方粒度相对较粗;B、C系列配方粒度相对较细。这一结果与粉煤灰酸洗前后粒度变化特征相一致，即酸洗后粉煤灰粒度变小，使得B、C系列配方粒度减小。B、C系列二者之间差异不大(图6.9)。各配料激光粒度分析测定参数特征见表6.5，A系列10μm以下颗粒占79.18%，B系列10μm以下颗粒占99.30%，C系列10μm以下颗粒占98.54%，均可满足合成堇青石对原料粒度的要求。
图6.9配料的粒度分布
表6.5配料的激光粒度测定参数
A、B、C配料的颗粒形貌特征如图6.10所示。
图6.10配料的颗粒形貌
(3)合成堇青石配料的化学成分
A、B和C系列配方的化学成分见表6.6。其中A和C系列最接近化学计量堇青石配方，B系列稍有差异。由于粉煤灰中存在杂质氧化物，所以合成堇青石的化学计量配比主要考虑MgO、SiO
3种氧化物之间的比例，即3种氧化物归一化后的百分比最接近堇青石的化学计量比。Acme公司生产的陶瓷窑具是世界名牌产品，各种造型的组合支架纤细、质轻，具有极高的节能效果，制品强度高，抗热震性好，其中两种产品的化学成分见表6.7。
表6.6合成堇青石配料的化学成分(%)
表6.7Acme公司生产的堇青石产品的化学成分(%)
根据Camerucci等(2003)的研究成果(图6.11)，合成堇青石原料在1350℃时，固熔体的范围较大，也就是说合成原料的配比范围较宽，有利于工业化生产;在1400℃时，固熔体的范围变小，对合成原料配比要求严格。所以本次实验温度分别选择在1350℃和1370℃，恒温时间选择了2h和3h，这一范围也与MgO-Al
系相图中堇青石形成范围基本一致(图6.12)。恒温时间的选择取决于成型试样的密度和体积，以使其充分发生固相反应为宜。
图6.11合成堇青石原料在MgO-Al
三元系统中的位置
图6.12MgO-Al
系相图(据陈美凤，1992)
通常而言，利用矿物原料直接制备堇青石产品时，对产品规格的控制难度较大，多数情况下都是首先制备出堇青石原料，再按需要的产品性能将堇青石原料与其他原料(如莫来石)进行配比，取其各种原料的优点，获得优质的堇青石或堇青石复合材料制品。例如，工业上使用的莫来石-堇青石棚板，即可用预合成堇青石作骨料。
