CN103803613A - 一种高温活化-高压水化学法处理粉煤灰生产氧化铝的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种高温活化-高压水化学法处理粉煤灰生产氧化铝的方法，将粉煤灰研磨、高温活化后的粉煤灰与循环碱液并添加石灰进行配料；配置好的料浆进行高压溶出；溶出后的浆液过滤、洗涤、分离后，滤液经脱硅后进行蒸发，浓缩析出水合铝酸钠晶体，脱硅渣用于下一次脱硅反应的晶种，母液返回到高压溶出工段；得到的水合铝酸钠晶体进一步溶解成溶液，经种分分解后得到氢氧化铝，种分母液返回到蒸发工序；得到的氢氧化铝一部分作为晶种返回到流程中，一部分经煅烧后得到冶金级氧化铝；本发明易于大规模生产，对环境无污染，可得到冶金级氧化铝、建材及水泥生产材料，可实现粉煤灰高值化利用。
Description
技术领域
本发明涉及一种冶金级氧化铝的生产方法，尤其是一种高温活化-高压水化学法处理粉煤灰生产氧化铝的方法。
背景技术
近年来，我国的煤电工业迅速发展的同时带来了固体废弃物粉煤灰排放量的急剧增加，到2007年，我国粉煤灰的年排放量已超过2亿吨，且仍在逐年增加，累计堆存量超过25亿吨，占地面积5万hm2以上。大量排放的粉煤灰既占用大量土地，又对土壤，水资源和空气造成严重污染。因此，粉煤灰的综合利用已成为我国多年来研究解决的重要课题。
目前，粉煤灰已在建工，建筑等多个领域得到应用，尽管用量较大，但其消化量远远赶不上排放量的增长，且属于低附加值，低技术含量的粗放式利用。另一方面，粉煤灰中含有丰富的氧化铝资源，含量一般在17―35%，有的高达40%以上，相当于我国中低品位铝土矿中氧化铝的含量，如能从这些粉煤灰中经济的提取氧化铝，不但对减轻粉煤灰环境污染，扩展我国氧化铝工业原料来源具有积极意义，而且符合国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020年）重点领域的优先主题要求。随着国家环保政策日益严格及高品位铝土矿资源危机加剧，从粉煤灰中提取氧化铝的技术方法近年来成为关注和研究的热点。
国内外处理粉煤灰大致可分为碱法和酸法。上世纪六十年代，波兰就利用碱石灰烧结法从粉煤灰中提取氧化铝，建成了年产5000吨氧化铝及35万吨水泥的实验工厂。我国安徽省冶金研究所和安徽水泥研究院在八十年代联合申报了由石灰石烧结，碳酸钠溶出从粉煤灰中提取氧化铝，残渣用于生产水泥的成果，并通过了专家鉴定。虽然碱法处理粉煤灰报道很多，但目前未见工业化的报道。其原因是碱法工艺冗长，设备投资大，能耗高，成本高，而且产生的残渣量是粉煤灰的数倍，残渣制成的大量水泥就地销售困难，综合效益差，因而阻碍了碱法在粉煤灰综合利用方面的应用。
与碱法相比，酸法处理粉煤灰有明显的优势。酸法在有效提取氧化铝的同时，可以得到硅产品，进一步处理后可制成白炭黑而出售。酸法工艺设备投资小，能耗低，成本亦低，残渣量小，但是使用的反应设备制造有一定困难。再者，粉煤灰是经过高温燃烧后形成的细小微粒，其中玻璃相与刚玉占到了80%以上，严重影响了粉煤灰与酸反应的活性。因此，需要改善粉煤灰与酸的反应活性以提高氧化铝等的溶出率。文献报道的较多的是在酸浸取反应中添加助溶剂（如NH4F和CaF2），但溶出率仍比较低，只有35―45%，资源利用率低，而且添加了对环境有污染的氟元素，引起了二次污染。总之，当前还没有一种经济有效的方法能从粉煤灰中提取氧化铝。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种从粉煤灰中提取氧化铝，残渣用于生产水泥或建筑材料的技术方法，以解决当前还没有一种经济有效的方法能从粉煤灰中提取氧化铝的现状。
本发明技术方案：一种高温活化-高压水化学法处理粉煤灰生产氧化铝的方法，包括以下步骤：
（1）将粉煤灰研磨至200-400目，在600-900℃下高温活化20-60分钟，活化后的粉煤灰与循环碱液并添加石灰进行配料；
（2）配置好的料浆在2-6MPa，240-300℃进行高压溶出；
（3）溶出后的浆液过滤、洗涤、分离后得到滤液与滤渣，滤液经脱硅后进行蒸发，浓缩析出水合铝酸钠晶体，脱硅渣用于下一次脱硅反应的晶种，母液返回到高压溶出工段；滤渣在水或稀碱溶液中水解回收碱液，用于水合铝酸钠的溶解，赤泥可进一步资源化利用；
（4）得到的水合铝酸钠晶体进一步溶解成溶液，经种分分解后得到氢氧化铝，种分母液返回到蒸发工序；
（5）得到的氢氧化铝一部分作为晶种返回到流程中，一部分经煅烧后得到冶金级氧化铝。
所述的步骤（1）中，石灰的添加量为粉煤灰中二氧化硅摩尔数的1-3倍，料浆中Na2O的浓度350-500g/L，粉煤灰的添加量为200-400g/L。
所述的步骤（2）中配好的料浆用高压釜或管道化进行溶出，溶出时间为10-60分钟，粉煤灰中氧化铝的溶出率为80%以上。
所述的步骤（3）中的滤液在150～170℃下脱硅4～10h，晶种为10～40 g/L赤泥或钠硅渣；或在90～120℃下加入赤泥或钠硅渣脱硅4～8 h，该温度下加入5～20 g/L的氧化钙再脱硅0.5～4 h。
所述的步骤（3）中的脱硅液蒸发到Na2O浓度500-520g/L，降温到20-50℃析出水合铝酸钠。
所述的步骤（3）中的滤渣在50-90℃，用水或稀碱溶液进行处理20-100分钟，可使滤渣中85-90%的Na2O被回收，得到的赤泥可用于制造水泥和建材的原材料。
所述的步骤（4）中得到的水合铝酸钠用稀碱液溶解得到氧化铝含量140-190g/L，苛性比为1.4-1.7的铝酸钠溶液，经种分得到氢氧化铝；种分条件为：分解初温60～75℃，分解终温40～50℃，分解时间为40～70 h，种子比即添加晶种氧化铝含量与溶液中氧化铝含量的比值为1.5-3。
所述的步骤（5）中得到的氢氧化铝在900-1100℃煅烧20-120分钟即可得到冶金级氧化铝。
本发明的有益效果：
本发明方法是基于高压水化学法的原理，即在高温高压下，用高浓度高分子比铝酸钠溶液处理含铝硅酸盐，使二氧化硅转化为水合硅酸钠钙（NaCa(HSiO4)），它在浓的高苛性比铝酸钠溶液中是稳定固相，从溶液中分离后，通过它的水解回收其中的氧化钠，二氧化硅最终以CaO·SiO2·H2O形态排出。高苛性比铝酸钠溶液蒸发到500g/L Na2O，结晶析出水合铝酸钠，将其溶解便可得到低苛性比铝酸钠溶液，经种分制得氢氧化铝，煅烧后得到氧化铝。涉及到的主要化学发应为：
高压水化学溶出：3Al2O3·2SiO2+2Ca(OH)2+8NaOH+7H2O= 2NaCa(HSiO4)+6NaAl(OH)4
水解：2NaCa(HSiO4)+2H2O=2NaOH+2(CaO·SiO2·H2O)
由于粉煤灰，特别是煤粉炉粉煤灰物相主要以莫来石和石英为主，铝和硅活性低，为了提高其在碱液中的溶出率，必须先通过活化来提高活性，之后再进入高压水化学法溶出工段。
与其他处理粉煤灰生产氧化铝的方法相比，本发明方法的优势在于：
（1）本发明采用活化焙烧技术，可提高粉煤灰中铝的浸出率，使之在80%以上。
（2）本发明由于可回收碱，从理论上讲可不消耗碱，因此碱耗低，赤泥中的碱的含量在1%以下，可直接进行堆存或精细化利用。
（3）本发明方法可得到冶金级氧化铝和制备水泥或建筑材料的原料，而且工艺易于大规模生产，对环境无污染，是一个比较有前途的从粉煤灰中提取氧化铝技术方法。
附图说明
图1为本发明方法的工艺流程图。
具体实施方式
实施例1
（1）将循环流化床高铝粉煤灰（化学组成见表1）研磨至300目，在800℃下焙烧活化30分钟。取焙烧后的粉煤灰300克与含Na2O浓度400g/L的碱液1L加入到2L的耐碱高压釜中，并加入氧化钙161克（氧化钙加入量是粉煤灰中氧化硅摩尔数的1.5倍）。
（2）将上述配好的料浆在280℃下反应40分钟后过滤、分离、洗涤，经分析知粉煤灰中氧化铝的浸取率为88%。
（3）将步骤（2）得到的滤液添加20g/L的钠硅渣，在170℃下反应8小时后过滤分离。将滤液蒸发到500g/L，并降温到30℃时析出析出水合铝酸钠晶体。步骤（2）得到的滤渣加入水在90℃下进行浸取60分钟，可将滤渣中91%氧化钠进行回收，所得赤泥中氧化钠的含量为0.75%.
（4）将步骤（3）得到的水合铝酸钠晶体重新溶解成溶液，溶液中氧化铝浓度为168g/L，溶液的苛性比为1.55，按种子比为3添加氢氧化铝晶种，在65℃下反应60小时，得到氢氧化铝，分解率为48%。
（5）将步骤（4）得到的氢氧化铝在1050℃下煅烧煅烧30分钟得到冶金级氧化铝。
实施例2
（1）将煤粉炉高铝粉煤灰（化学组成见表2）研磨至400目，在700℃下焙烧活化30分钟。取焙烧后的粉煤灰300克与含Na2O浓度450g/L的碱液1L加入到2L的耐碱高压釜中，并加入氧化钙196克（氧化钙加入量是粉煤灰中氧化硅摩尔数的2倍）。
（2）将上述配好的料浆在280℃下反应60分钟后过滤、分离、洗涤，经分析知粉煤灰中氧化铝的浸取率为86%。
（3）将步骤（2）得到的滤液添加20g/L的钠硅渣，在170℃下反应8小时后过滤分离。将滤液蒸发到500g/L，并降温到40℃时析出析出水合铝酸钠晶体。步骤（2）得到的滤渣加入水在70℃下进行浸取60分钟，可将滤渣中87%氧化钠进行回收，所得赤泥中氧化钠的含量为0.82%.
（4）将步骤（3）得到的水合铝酸钠晶体重新溶解成溶液，溶液中氧化铝浓度为156g/L，溶液的苛性比为1.6，按晶种系数为2添加氢氧化铝晶种，在70℃下反应60小时，得到氢氧化铝，分解率为46%。
（5）将步骤（4）得到的氢氧化铝在1000℃下煅烧30分钟得到冶金级氧化铝。
实施例3
（1）将流化床粉煤灰（化学组成见表3）研磨至400目，在800℃下焙烧活化50分钟。取焙烧后的粉煤灰200克与含Na2O浓度500g/L的碱液1L加入到2L的耐碱高压釜中，并加入氧化钙234克（氧化钙加入量是粉煤灰中氧化硅摩尔数的3倍）。
（2）将上述配好的料浆在300℃下反应60分钟后过滤、分离、洗涤，经分析知粉煤灰中氧化铝的浸取率为92%。
（3）将步骤（2）得到的滤液添加30g/L的钠硅渣，在170℃下反应10小时后过滤分离。将滤液蒸发到520g/L，并降温到20℃时析出析出水合铝酸钠晶体。步骤（2）得到的滤渣加入水在90℃下进行浸取60分钟，可将滤渣中90%氧化钠进行回收，所得赤泥中氧化钠的含量为0.63%.
（4）将步骤（3）得到的水合铝酸钠晶体重新溶解成溶液，溶液中氧化铝浓度为162g/L，溶液的苛性比为1.53，按种子比为3添加氢氧化铝晶种，在70℃下反应70小时，得到氢氧化铝，分解率为48%。
（5）将步骤（4）得到的氢氧化铝在1100℃下煅烧60分钟得到冶金级氧化铝。
实施例4
（1）将煤粉炉粉煤灰（化学组成见表4）研磨至200目，在600℃下焙烧活化50分钟。取焙烧后的粉煤灰400克与含Na2O浓度350g/L的碱液1L加入到2L的耐碱高压釜中，并加入氧化钙197克（氧化钙加入量是粉煤灰中氧化硅摩尔数的1倍）。
（2）将上述配好的料浆在240℃下反应60分钟后过滤、分离、洗涤，经分析知粉煤灰中氧化铝的浸取率为81%。
（3）将步骤（2）得到的滤液添加30g/L的钠硅渣，在170℃下反应10小时后过滤分离。将滤液蒸发到510g/L，并降温到50℃时析出析出水合铝酸钠晶体。步骤（2）得到的滤渣加入水在70℃下进行浸取60分钟，可将滤渣中84%氧化钠进行回收，所得赤泥中氧化钠的含量为0.88%.
（4）将步骤（3）得到的水合铝酸钠晶体重新溶解成溶液，溶液中氧化铝浓度为148g/L，溶液的苛性比为1.65，按种子比为2添加氢氧化铝晶种，在60℃下反应50小时，得到氢氧化铝，分解率为42%。
（5）将步骤（4）得到的氢氧化铝在1000℃下煅烧60分钟得到冶金级氧化铝。
以上所述则是本发明的具体实施例及所运用的技术手段，根据本文的揭示或指导可衍生推导出许多的变更与修正，若依本发明的构想所作出的等效改变，其所产生的作用仍未超出说明书及图示所涵盖的实质性精神，均应视为在本发明的技术范畴之内。
Claims (8)
1.一种高温活化-高压水化学法处理粉煤灰生产氧化铝的方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）将粉煤灰研磨至200-400目，在600-900℃下高温活化20-60分钟，活化后的粉煤灰与循环碱液并添加石灰进行配料；
（2）配置好的料浆在2-6MPa，240-300℃进行高压溶出；
（3）溶出后的浆液过滤、洗涤、分离后得到滤液与滤渣，滤液经脱硅后进行蒸发，浓缩析出水合铝酸钠晶体，脱硅渣用于下一次脱硅反应的晶种，母液返回到高压溶出工段；滤渣在水或稀碱溶液中水解回收碱液，用于水合铝酸钠的溶解，赤泥可进一步资源化利用；
（4）得到的水合铝酸钠晶体进一步溶解成溶液，经种分分解后得到氢氧化铝，种分母液返回到蒸发工序；
（5）得到的氢氧化铝一部分作为晶种返回到流程中，一部分经煅烧后得到冶金级氧化铝。
2.根据权利要求1所述的一种高温活化-高压水化学法处理粉煤灰生产氧化铝的方法，其特征在于：步骤（1）中，石灰的添加量为粉煤灰中二氧化硅摩尔数的1-3倍，料浆中Na2O的浓度350-500g/L，粉煤灰的添加量为200-400g/L。
3.根据权利要求1所述的一种高温活化-高压水化学法处理粉煤灰生产氧化铝的方法，其特征在于：步骤（2）中配好的料浆用高压釜或管道化进行溶出，溶出时间为10-60分钟，粉煤灰中氧化铝的溶出率为80%以上。
4.根据权利要求1所述的一种高温活化-高压水化学法处理粉煤灰生产氧化铝的方法，其特征在于：步骤（3）中的滤液在150～170℃下脱硅4～10h，晶种为10～40 g/L赤泥或钠硅渣；或在90～120℃下加入赤泥或钠硅渣脱硅4～8 h，该温度下加入5～20 g/L的氧化钙再脱硅0.5～4 h。
5.根据权利要求1所述的一种高温活化-高压水化学法处理粉煤灰生产氧化铝的方法，其特征在于：步骤（3）中的脱硅液蒸发到Na2O浓度500-520g/L，降温到20-50℃析出水合铝酸钠。
6.根据权利要求1所述的一种高温活化-高压水化学法处理粉煤灰生产氧化铝的方法，其特征在于：步骤（3）中的滤渣在50-90℃，用水或稀碱溶液进行处理20-100分钟，可使滤渣中85-90%的Na2O被回收，得到的赤泥可用于制造水泥和建材的原材料。
7.根据权利要求1所述的一种高温活化-高压水化学法处理粉煤灰生产氧化铝的方法，其特征在于：步骤（4）中得到的水合铝酸钠用稀碱液溶解得到氧化铝含量140-190g/L，苛性比为1.4-1.7的铝酸钠溶液，经种分得到氢氧化铝；种分条件为：分解初温60～75℃，分解终温40～50℃，分解时间为40～70 h，种子比即添加晶种氧化铝含量与溶液中氧化铝含量的比值为1.5-3。
8.根据权利要求1所述的一种高温活化-高压水化学法处理粉煤灰生产氧化铝的方法，其特征在于：步骤（5）中得到的氢氧化铝在900-1100℃煅烧20-120分钟即可得到冶金级氧化铝。
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