粉煤灰硫酸化焙燒提取氧化鋁的研究＊

范艷青,蔣訓雄,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。對焙燒溫度、時間、酸礦比、粒度等影響因素進行了研究,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℃,時間 2h,酸礦比 1.6,在此條件下粉煤灰中氧化鋁浸出率可達 87%,且硫酸試劑通過再生實現循環利用。通過 XRD和掃描電鏡對酸焙燒過程中粉煤灰的物相變化進行了研究。

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其中雜質熔融,經過驟冷而形成的玻璃態固體微粒,其主要化學成分為 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鍵結合,Al2O3質量分數可達 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,既可減少環境污染,又可彌補氧化鋁消費的巨大缺口,經濟、社會效益顯著。

從粉煤灰中提取氧化鋁的技術研究始于 20世紀 80年代。要從粉煤灰中以較高的提取率得到氧化鋁,需對粉煤灰進行預處理,設法破壞 SiO2-Al2O3鍵,提高 Al2O3的活性。國內外針對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]、硫酸銨燒結法[4]、微波微波輻射法[5]、堿法燒結[6]等。

1 試驗用粉煤灰化學成分及粒度分布

試驗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,在管式電爐中進行動態酸焙燒試驗。對粉煤灰酸焙燒試驗中不同影響因素進行了考察研究。

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,焙燒時間 2h,對酸化焙燒樣在浸出溫度 95℃,液固比10∶1,時間 1h條件進行浸出,然后送樣分析。研究上述條件下不同焙燒溫度對鋁提取效果的影響。

焙燒溫度對鋁浸出結果的影響見圖 1。由圖 1知,隨著溫度升高,鋁的浸出率增加,同時渣率降低。溫度低時不利于硫酸強氧化性對鋁 -硅鍵的破壞,達不到活化效果;而溫度高容易出現“過燒”現象,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。綜合考慮認為在焙燒溫度 320℃時可滿足試驗的要求。

圖 1 焙燒溫度對浸出結果的影響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℃,焙燒時間 2h,對焙燒樣在浸出溫度 95℃,液固比10∶1,時間 1h條件下進行浸出,然后送樣分析。研究上述條件下不同酸礦比對鋁提取效果的影響。

硫酸用量對鋁浸出結果的影響見圖 2。由圖 2知,隨著酸礦比的增加,焙燒后質量呈上升趨勢,說明和硫酸反應生成的硫酸鹽類物質增多,同時鋁的浸出率增加,渣率降低。酸礦比低,粉煤灰中的鋁礦物難以全部轉變成可溶性礦物,導致后續鋁浸出率下降;而酸礦比高,焙燒酸霧大,煙氣處理困難。從經濟及操作上綜合考慮,選定酸礦比 1.6。

圖 2 硫酸用量對浸出結果的影響Fig.2 Effect of sulfuric acid amount on leachingAl

2.3 焙燒時間的影響

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℃,對焙燒樣在浸出溫度 95℃,液固比10∶1,時間 1 h條件下進行浸出,然后送樣分析。研究上述條件下不同焙燒時間對鋁提取效果的影響。

焙燒時間對浸出結果的影響見圖 3。由圖 3知,焙燒活化時間影響較小。從經濟上考慮,選定焙燒時間為2h。

圖 3 焙燒時間對浸出結果的影響Fig.3 Effect of roasting time on leachingAl

2.4 粒徑的影響

在上述的條件試驗中,所用的原料均為球磨 2h的粉煤灰,其粒徑篩分測定為 -400目占到了 95%以上,為了確定粒徑對鋁浸出結果的影響,將未磨粉煤灰的浸出結果與之進行了對比。

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

粒徑對鋁浸出結果的影響見圖 4。由圖 4知,粒徑對鋁浸出率的影響較大。通過將粉煤灰磨細至一定粒度,增大粉煤灰的比表面積,即增大與酸反應的接觸面積,達到提高鋁浸出率的目的。綜合考慮,選定對粉煤灰進行球磨 2h磨細處理。

圖 4 粒徑對浸出結果的影響Fig.4 Effect of grain size on leachingAl

2.5 粉煤灰預焙燒研究

在一定溫度下焙燒磨細后的粉煤灰,消除粉煤灰在快速冷卻時形成的淬火狀亞穩態及表面吸水,達到提高 Al2O3活性的目的。球磨 2h后粉煤灰(95%為 -400目)預先在不同的溫度下進行焙燒試驗,然后預焙燒樣按不同酸礦比進行酸化焙燒。

固定條件:酸礦比 1.6,在 320℃保溫時間 2h。對酸化焙燒樣在浸出溫度 95℃,液固比10∶1,時間 1 h條件下進行浸出,然后送樣分析。

預焙燒溫度對浸出結果的影響見圖 5。由圖 5可知,對粉煤灰進行預焙燒活化處理對鋁浸出率影響不大,活化焙燒后鋁的浸出率略有提高。

圖 5 預焙燒對浸出結果的影響Fig.5 Effect of pre-roasting on leachingAl

2.6 粉煤灰酸化焙燒優化條件

優化條件:粉煤灰球磨 2h,粒度為 -400目占95%,磨細粉煤灰不用進行預焙燒處理,焙燒溫度320℃,焙燒時間 2h,硫酸用量為酸礦比 1.6。

對酸化焙燒樣在浸出溫度 95℃,液固比10∶1,時間 1 h條件下進行浸出,在上述條件下,鋁的浸出率可達到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

對粉煤灰原灰、酸化焙燒樣以及浸出后渣樣分別進行了 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),在與硫酸的反應過程中,粉煤灰表面形成大量的放射針狀和片狀結晶(見圖 9b),使微珠之間大范圍的相互粘連。水浸時結晶物質可溶于水相。洗脫后的微珠(見圖9c)呈現不規則外形,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即硫酸化焙燒工藝實現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、焙燒時間等參數對粉煤灰中氧化鋁浸出率的影響,確定了相關的最佳工藝參數:粉煤灰球磨 2h,粒度為 -400目占 95%,磨細粉煤灰不用進行預焙燒處理,焙燒溫度 320℃,焙燒時間 2h,酸礦比 1.6,此時氧化鋁浸出率可達 87%,同時硫酸可通過再生實現試劑的循環利用。通過XRD和掃描電鏡對粉煤灰酸焙燒及浸出過程中的物相變化進行了研究。

REFERENCES

[1] 劉云穎.粉煤灰提取氧化鋁研究現狀 [J].無機鹽工業, 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].無機鹽工業,2003,35(4):40-41.

[3] 李來時,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.

[4] 李來時,翟玉春.以粉煤灰為原料制備高純氧化鋁[J].化工學報,2006,(9):2189-2193.

[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 ].無機鹽工業,2005,37(2):47-49.

[6] 馬雙忱.從粉煤灰中回收鋁的實驗研究[J].電力情報, 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計劃(2007AA06Z128)

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