范艷青,蔣訓(xùn)雄,汪勝東,馮林永,蔣 偉

(北京礦冶研究總院,北京 100044)

粉煤灰硫酸化焙燒提取氧化鋁的研究＊

范艷青,蔣訓(xùn)雄,汪勝東,馮林永,蔣 偉

(北京礦冶研究總院,北京 100044)

研究了粉煤灰硫酸化焙燒提取氧化鋁的工藝。對(duì)焙燒溫度、時(shí)間、酸礦比、粒度等影響因素進(jìn)行了研究,確定最佳工藝條件:粉煤灰粒度為 -400目占 95%以上,焙燒溫度 320℃,時(shí)間 2h,酸礦比 1.6,在此條件下粉煤灰中氧化鋁浸出率可達(dá) 87%,且硫酸試劑通過再生實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用。通過 XRD和掃描電鏡對(duì)酸焙燒過程中粉煤灰的物相變化進(jìn)行了研究。

粉煤灰;硫酸;浸出;鋁

粉煤灰是燃煤鍋爐隨煙氣排出的固體廢棄物,它是煤在高溫燃燒時(shí)其中雜質(zhì)熔融,經(jīng)過驟冷而形成的玻璃態(tài)固體微粒,其主要化學(xué)成分為 Al2O3, SiO2,Fe2O3以及 CaO,Ti O2,C和其他多種微量元素。粉煤灰主要以 SiO2-Al2O3鍵結(jié)合,Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)可達(dá) 15%～50%,是一種十分重要的潛在鋁土礦接替資源[1]。合理利用粉煤灰制備氧化鋁,既可減少環(huán)境污染,又可彌補(bǔ)氧化鋁消費(fèi)的巨大缺口,經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益顯著。

從粉煤灰中提取氧化鋁的技術(shù)研究始于 20世紀(jì) 80年代。要從粉煤灰中以較高的提取率得到氧化鋁,需對(duì)粉煤灰進(jìn)行預(yù)處理,設(shè)法破壞 SiO2-Al2O3鍵,提高 Al2O3的活性。國內(nèi)外針對(duì)粉煤灰中鋁的資源化利用研究開展了大量工作,主要工藝分為酸浸[2-3]、硫酸銨燒結(jié)法[4]、微波微波輻射法[5]、堿法燒結(jié)[6]等。

1 試驗(yàn)用粉煤灰化學(xué)成分及粒度分布

試驗(yàn)采用北京某熱電廠的粉煤灰,主要成分如下表 1所示。粉煤灰的粒度分布見表 2所示,球磨2h的粒度分布見表 3,由表 3知粉煤灰球磨 2h后 -400目占 95%以上。

表 1 石景山熱電廠粉煤灰的化學(xué)組成Table 1 The chemical composition of fly ash from Shijingshan power plant

表 2 粉煤灰的粒度分布Table 2 Grain size distribution of fly ash

表 3 粉煤灰球磨 2h后粒度分布Table 3 Grain size distribution of fly ash grinding for two hours

2 粉煤灰酸焙燒試驗(yàn)研究

把一定量粉煤灰和硫酸按不同配比混合后裝入罐中,在管式電爐中進(jìn)行動(dòng)態(tài)酸焙燒試驗(yàn)。對(duì)粉煤灰酸焙燒試驗(yàn)中不同影響因素進(jìn)行了考察研究。

2.1 焙燒溫度的影響

固定條件:球磨 2h后粉煤灰 (95%為 -400目)50g,酸礦比為 1.6,焙燒時(shí)間 2h,對(duì)酸化焙燒樣在浸出溫度 95℃,液固比10∶1,時(shí)間 1h條件進(jìn)行浸出,然后送樣分析。研究上述條件下不同焙燒溫度對(duì)鋁提取效果的影響。

焙燒溫度對(duì)鋁浸出結(jié)果的影響見圖 1。由圖 1知,隨著溫度升高,鋁的浸出率增加,同時(shí)渣率降低。溫度低時(shí)不利于硫酸強(qiáng)氧化性對(duì)鋁 -硅鍵的破壞,達(dá)不到活化效果;而溫度高容易出現(xiàn)“過燒”現(xiàn)象,接近硫酸的分解溫度,硫酸分解成三氧化硫和水,使鋁不能形成可溶性的硫酸鋁形式存在。綜合考慮認(rèn)為在焙燒溫度 320℃時(shí)可滿足試驗(yàn)的要求。

圖 1 焙燒溫度對(duì)浸出結(jié)果的影響Fig.1 Effect of roasting temperature on leachingAl

2.2 硫酸用量的影響

固定條件:球磨 2h后粉煤灰 (95%為 -400目)50g,焙燒溫度 320℃,焙燒時(shí)間 2h,對(duì)焙燒樣在浸出溫度 95℃,液固比10∶1,時(shí)間 1h條件下進(jìn)行浸出,然后送樣分析。研究上述條件下不同酸礦比對(duì)鋁提取效果的影響。

硫酸用量對(duì)鋁浸出結(jié)果的影響見圖 2。由圖 2知,隨著酸礦比的增加,焙燒后質(zhì)量呈上升趨勢(shì),說明和硫酸反應(yīng)生成的硫酸鹽類物質(zhì)增多,同時(shí)鋁的浸出率增加,渣率降低。酸礦比低,粉煤灰中的鋁礦物難以全部轉(zhuǎn)變成可溶性礦物,導(dǎo)致后續(xù)鋁浸出率下降;而酸礦比高,焙燒酸霧大,煙氣處理困難。從經(jīng)濟(jì)及操作上綜合考慮,選定酸礦比 1.6。

圖 2 硫酸用量對(duì)浸出結(jié)果的影響Fig.2 Effect of sulfuric acid amount on leachingAl

2.3 焙燒時(shí)間的影響

固定條件:球磨 2h后粉煤灰 (95%為 -400目)50g,酸礦比為 1.6,焙燒溫度 320℃,對(duì)焙燒樣在浸出溫度 95℃,液固比10∶1,時(shí)間 1 h條件下進(jìn)行浸出,然后送樣分析。研究上述條件下不同焙燒時(shí)間對(duì)鋁提取效果的影響。

焙燒時(shí)間對(duì)浸出結(jié)果的影響見圖 3。由圖 3知,焙燒活化時(shí)間影響較小。從經(jīng)濟(jì)上考慮,選定焙燒時(shí)間為2h。

圖 3 焙燒時(shí)間對(duì)浸出結(jié)果的影響Fig.3 Effect of roasting time on leachingAl

2.4 粒徑的影響

在上述的條件試驗(yàn)中,所用的原料均為球磨 2h的粉煤灰,其粒徑篩分測(cè)定為 -400目占到了 95%以上,為了確定粒徑對(duì)鋁浸出結(jié)果的影響,將未磨粉煤灰的浸出結(jié)果與之進(jìn)行了對(duì)比。

固定條件:粉煤灰和球磨 2h后粉煤灰,在焙燒溫度 320℃,時(shí)間 2h,不同硫酸用量條件下進(jìn)行焙燒試驗(yàn)。對(duì)焙燒樣在浸出溫度 95℃,液固比10∶1,時(shí)間 1 h條件下進(jìn)行浸出,然后送樣分析。

粒徑對(duì)鋁浸出結(jié)果的影響見圖 4。由圖 4知,粒徑對(duì)鋁浸出率的影響較大。通過將粉煤灰磨細(xì)至一定粒度,增大粉煤灰的比表面積,即增大與酸反應(yīng)的接觸面積,達(dá)到提高鋁浸出率的目的。綜合考慮,選定對(duì)粉煤灰進(jìn)行球磨 2h磨細(xì)處理。

圖 4 粒徑對(duì)浸出結(jié)果的影響Fig.4 Effect of grain size on leachingAl

2.5 粉煤灰預(yù)焙燒研究

在一定溫度下焙燒磨細(xì)后的粉煤灰,消除粉煤灰在快速冷卻時(shí)形成的淬火狀亞穩(wěn)態(tài)及表面吸水,達(dá)到提高 Al2O3活性的目的。球磨 2h后粉煤灰(95%為 -400目)預(yù)先在不同的溫度下進(jìn)行焙燒試驗(yàn),然后預(yù)焙燒樣按不同酸礦比進(jìn)行酸化焙燒。

固定條件:酸礦比 1.6,在 320℃保溫時(shí)間 2h。對(duì)酸化焙燒樣在浸出溫度 95℃,液固比10∶1,時(shí)間 1 h條件下進(jìn)行浸出,然后送樣分析。

預(yù)焙燒溫度對(duì)浸出結(jié)果的影響見圖 5。由圖 5可知,對(duì)粉煤灰進(jìn)行預(yù)焙燒活化處理對(duì)鋁浸出率影響不大,活化焙燒后鋁的浸出率略有提高。

圖 5 預(yù)焙燒對(duì)浸出結(jié)果的影響Fig.5 Effect of pre-roasting on leachingAl

2.6 粉煤灰酸化焙燒優(yōu)化條件

優(yōu)化條件:粉煤灰球磨 2h,粒度為 -400目占95%,磨細(xì)粉煤灰不用進(jìn)行預(yù)焙燒處理,焙燒溫度320℃,焙燒時(shí)間 2h,硫酸用量為酸礦比 1.6。

對(duì)酸化焙燒樣在浸出溫度 95℃,液固比10∶1,時(shí)間 1 h條件下進(jìn)行浸出,在上述條件下,鋁的浸出率可達(dá)到87%。

3 粉煤灰酸化焙燒過程中物相研究

3.1 X-射線衍射分析研究

對(duì)粉煤灰原灰、酸化焙燒樣以及浸出后渣樣分別進(jìn)行了 XRD分析,見圖 6、圖 7和圖 8。由圖可知,三者的 XRD圖形差異很大,原灰主要成分為3Al2O3·2 Si O2和 SiO2,酸化焙燒后主要成分為Al2(SO4)3、Fe2(SO4)3和 SiO2,而浸出渣樣主要成分為 SiO2以及少量未反應(yīng)的 3 Al2O3·2SiO2等。

圖6 粉煤灰的XRD圖Fig.6 XRD pattern of fly ash

3.2 掃描電鏡分析研究

粉煤灰與硫酸反應(yīng)前后以及浸出渣的形貌見圖9。由圖9可以看出,粉煤灰本身多為球狀微珠(見圖 9a),在與硫酸的反應(yīng)過程中,粉煤灰表面形成大量的放射針狀和片狀結(jié)晶(見圖 9b),使微珠之間大范圍的相互粘連。水浸時(shí)結(jié)晶物質(zhì)可溶于水相。洗脫后的微珠(見圖9c)呈現(xiàn)不規(guī)則外形,顆粒表面較粉煤灰顆粒存在更多溝壑和凹陷,顆粒粒徑也明顯較粉煤灰更小。

4 結(jié)論

利用電廠廢棄污染物——粉煤灰為原料,采用新的粉煤灰活化技術(shù)即硫酸化焙燒工藝實(shí)現(xiàn)氧化鋁的高效清潔提取。通過研究酸礦比、粉煤灰粒度、焙燒溫度、焙燒時(shí)間等參數(shù)對(duì)粉煤灰中氧化鋁浸出率的影響,確定了相關(guān)的最佳工藝參數(shù):粉煤灰球磨 2h,粒度為 -400目占 95%,磨細(xì)粉煤灰不用進(jìn)行預(yù)焙燒處理,焙燒溫度 320℃,焙燒時(shí)間 2h,酸礦比 1.6,此時(shí)氧化鋁浸出率可達(dá) 87%,同時(shí)硫酸可通過再生實(shí)現(xiàn)試劑的循環(huán)利用。通過XRD和掃描電鏡對(duì)粉煤灰酸焙燒及浸出過程中的物相變化進(jìn)行了研究。

REFERENCES

[1] 劉云穎.粉煤灰提取氧化鋁研究現(xiàn)狀 [J].無機(jī)鹽工業(yè), 2007,39(10):16-18.

[2] 趙劍宇,田凱.氟銨助溶法從粉煤灰提取氧化鋁新工藝的研究[J].無機(jī)鹽工業(yè),2003,35(4):40-41.

[3] 李來時(shí),翟玉春.硫酸浸取法提取粉煤灰中氧化鋁[J].輕金屬,2006(12):9-12.

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[5] 趙劍宇,田凱.微波助溶從粉煤灰提取氧化鋁新工藝研究[J ].無機(jī)鹽工業(yè),2005,37(2):47-49.

[6] 馬雙忱.從粉煤灰中回收鋁的實(shí)驗(yàn)研究[J].電力情報(bào), 1997(2):46-49.

Study on Recovering Al from Flyash by Sulphatation Calcin ing

FAN Yan-qing,J IANG Xun-xiong,WANG Sheng-dong,FENGLin-yong,J IANGWei
(Beijing General Research Institute OfMiningAndMetallurgy,Beijing,China 100044)

〗The extraction alumina process is studied from fly-ash by sulphatation calcining.The factors are studied such as temperature,time,acid-to-mine ratio,and size etc,and the optimum conditions are obtained:particle size-400 mesh(more than 95%),calcination temperature 320℃,time 2h,acid-to-mine ratio 1.6.Under the condition,the leached alumina in flyash is up to 87%,and sulfuric acid is reused by regeneration technology.Characterizing by XRD and scanning electron microscopy,the change of phase is studied in roasting process.

Fly-ash;sulfuric acid;leaching;Al

book=34,ebook=55

TF821

A

1009-3842(2010)02-0034-05

2010-04-16

863計(jì)劃(2007AA06Z128)

范艷青(1975-),女,河南洛陽人,高級(jí)工程師,主要從事有色金屬冶煉、廢棄固體資源開發(fā)及海底礦產(chǎn)資源開發(fā)利用等。E-mail:fyq2000@sohu.com