準(zhǔn)格爾煤田6號煤浸取鋁的焙燒活化實驗研究

朱士飛

(江蘇地質(zhì)礦產(chǎn)設(shè)計研究院，江蘇 徐州　221006)

準(zhǔn)格爾煤田煤層及夾矸中賦存大量水軟鋁石和高嶺石等富鋁礦物，這些煤種在火力發(fā)電廠燃燒后形成的粉煤灰中氧化鋁含量高達(dá)50%，相當(dāng)于我國中級品位鋁土礦中氧化鋁的含量，是非常寶貴的再生含鋁礦資源。雖然國內(nèi)外許多學(xué)者和專家進(jìn)行了煤灰提鋁技術(shù)的研究，主要有堿法[1-2]、酸法[2-3]、酸堿聯(lián)合法[4-10]和燒結(jié)淋濾法[7-8,10-13]，但是提取氧化鋁的大部分工藝還處于實驗室研究階段，工業(yè)化應(yīng)用的較少。本文從實驗角度出發(fā)，通過正交試驗確定提高煤灰中浸出氧化鋁的焙燒活化試驗條件，開展煤灰中提取氧化鋁研究，對實現(xiàn)這類寶貴資源的高附加值利用有重要意義。

1　試驗樣品

樣品采自準(zhǔn)格爾煤田黑岱溝6號煤層，煤樣品經(jīng)破碎、混合、縮分和空氣干燥等程序，燃燒后得到樣品試驗用煤灰。煤灰化學(xué)成分組成分析結(jié)果見表 1。

煤灰中的主要成分是Al2O3和SiO2，除此之外，還含有少量其它成分，如Fe2O3、K2O、CaO、MgO、Na2O、SO3等。按美國(ASTMC618-80)的劃分標(biāo)準(zhǔn)，燃用煙煤和煙煤的煤灰劃為F類，屬于低鈣煤灰[14]。

黑岱溝高鋁煤灰主要由晶體和玻璃體兩大類組成，主要礦物有石英、莫來石、勃姆石、赤鐵礦、磁鐵礦及無水石膏等，其中莫來石所占的比例最大，勃姆石和莫來石來源于煤中的高嶺石[15-20]。

2　焙燒活化試驗原理

常溫下，只有非晶態(tài)Al(OH)3、3Al2O3·SiO2和Al2O3·H2O可溶于堿，而所有的鋁礦物均可用酸溶出,但難易程度不同。這主要是由于鋁礦物的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)不同[2,21]。Al2O3存在于莫來石和鋁硅酸鹽玻璃中。鋁硅酸鹽玻璃相中的 Al2O3可以通過酸溶或者堿溶的辦法將其提取出來，但是，莫來石是一種鏈狀結(jié)構(gòu)硅酸鹽，常溫下，既不溶于酸、也不溶于堿，且在室溫～1 200℃溫度內(nèi)性質(zhì)比較穩(wěn)定，受熱也不會發(fā)生分解反應(yīng)。

表1　試驗用原煤灰化學(xué)組成

為了提高煤灰中氧化鋁的溶解率，必須打開其中的Si-Al鍵，因此加入助溶劑KF。在酸性條件下，F(xiàn)-與硅鋁玻璃體中的硅反應(yīng)可生成氟硅化合物，破壞玻璃體，增加氧化鋁的反應(yīng)活性。反應(yīng)機(jī)理如下[11,21-22]：

KF+HCl=HF+KCl

(1)

4HF+SiO2?SiF4+2H2O

(2)

SiF4+2HF?H2SiF6

(3)

H2SiF6?2H++[SiF6]2-

(4)

在加熱并有助溶劑的條件下，煤灰中的氧化鋁和鹽酸能發(fā)生如下反應(yīng)：

9H2O+Al2O3+6HCl=2[Al(OH2)6]Cl3

(5)

在酸性溶液中，氧化鋁(Al2O3)能被溶解成鋁鹽：

6HCl+Al2O3=2AlCl3+3H2O

(6)

3　實驗步驟和方案

試驗主要步驟(圖1)：將一定配比的煤灰與KF(A)，在一定溫度下(B)煅燒一定時間(C)，把煅燒后的煤灰燒結(jié)物過篩，稱取篩下物，選擇液固比2∶1加入體質(zhì)分?jǐn)?shù)20%的鹽酸，用恒溫攪拌器在100℃溫度下攪拌2h，生成反應(yīng)混合物，過濾得到濾液，對得到的濾液進(jìn)行滴定，測定溶液中的氧化鋁的含量確定鋁的浸取率。

圖1　實驗流程圖Figure 1　Experiment flow chart

在酸浸反應(yīng)實驗過程中，采用磁力攪拌裝置進(jìn)行攪拌，同時裝配冷凝回流裝置[22]。冷凝回流裝置的作用是使因反應(yīng)放熱而揮發(fā)的鹽酸重新回到反應(yīng)溶液中，以確保反應(yīng)過程中鹽酸不致?lián)]發(fā)流失，保證實驗結(jié)果的準(zhǔn)確性。

4　焙燒活化試驗結(jié)果分析

根據(jù)步驟所確定的3個影響因素(煤灰與KF質(zhì)量比A，焙燒時間B和焙燒溫度C(℃)，每個影響因素設(shè)定四個水平(表2)，設(shè)計出一個3因素4水平的正交試驗[23]，其測定結(jié)果及分析見表3。

由表3可知，RA=8.27，RB=0.50，RC=3.21，由于極差反映了相應(yīng)因素作用的大小，極差大的因素，意味著其水平給指標(biāo)造成的影響較大，且通常是主要因素。由此看來，三因素主次關(guān)系依次是A，C，B，即：m煤灰：mKF、焙燒溫度、焙燒時間。

表2　正交試驗因子水平表

表3　焙燒活化的正交試驗結(jié)果表

進(jìn)一步考慮各因素的影響浸取率變化態(tài)勢(圖4-9)，隨著m煤灰/mKF的增大，提取率降低(圖2)，質(zhì)量比為1:1時提取率最高(圖3)；焙燒時間的長短對浸取率的影響趨勢呈拋物線狀，先升高后降低(圖4)，推斷介于中間值2.5h時浸取率最佳(圖5)；焙燒溫度對浸取率的影響趨勢是隨溫度的升高浸取率先呈線狀緩慢上升最后趨于平直(圖6)，焙燒溫度為850℃為最佳條件(圖7)。

圖2　煤灰與KF質(zhì)量比因素影響趨勢Figure 2　Impacting trend of coal ash and KF mass ratios

圖3　煤灰與KF質(zhì)量不同配比下浸取率態(tài)勢Figure 3　Leaching yield situation under differentcoal ash and KF mass ratios

圖4　焙燒時間因素影響趨勢Figure 4　Impacting trend of roasting times

圖5　不同焙燒時間下浸取率態(tài)勢Figure 5　Leaching yield situation under different roasting times

圖6　焙燒溫度因素影響趨勢Figure 6　Impacting trend of roasting temperatures

圖7　不同焙燒溫度下浸取率態(tài)勢Figure 7　Leaching yield situation under differentroasting temperatures

即選擇煤灰與KF質(zhì)量比1∶1，700℃高溫焙燒1h， KF對煤灰焙燒具有較好的活化作用，可以打開煤灰中的 Si-Al 鍵，將其中的莫來石轉(zhuǎn)變成一種易溶于酸或堿的物質(zhì)或者能夠受熱分解的物質(zhì)，使其中的Al很好地得到釋放。在該條件浸取率可達(dá)到95.60%。

5　結(jié)論

1)煤灰中的主要成分是Al2O3和SiO2，除此之外，還含有少量其它成分，如Fe2O3、K2O、CaO、MgO、Na2O、SO3及未燃燼的物質(zhì)即燒失量等。按美國(ASTMC618-80)的劃分標(biāo)準(zhǔn)，燃用煙煤和煙煤的煤灰劃為F類，屬于低鈣煤灰。

2)正交試驗表明三因素m煤灰/mKF質(zhì)量比、焙燒溫度和焙燒時間對浸取率的影響程度依次降低。

3)選擇煤灰與KF質(zhì)量比1∶1，700℃高溫焙燒1h焙燒物在液固比、鹽酸濃度，恒溫攪拌相同時間下的浸取率達(dá)到95.60%。

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