正交試驗(yàn)優(yōu)選循環(huán)流化床粉煤灰中氧化鋁溶出工藝

李世春,池君洲

(國家能源集團(tuán)煤炭伴生資源綜合利用研究中心,內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010300)

鋁是人們現(xiàn)代生活中重要的金屬材料。但國內(nèi)的鋁土礦資源一直處于較為匱乏的水平,并且隨著國內(nèi)鋁工業(yè)的持續(xù)發(fā)展,鋁土礦資源的消耗量在逐年增加,國內(nèi)鋁土礦資源相對(duì)匱乏的現(xiàn)狀日趨嚴(yán)峻,因此尋求新的鋁土礦替代資源已刻不容緩[1-4]。

粉煤灰一直是我國排放量最大的工業(yè)固體廢棄物之一。據(jù)統(tǒng)計(jì),在國內(nèi)每燃燒1 t煤炭就會(huì)產(chǎn)生0.25～0.30 t的粉煤灰。粉煤灰的大量堆積必然會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境問題。大量研究表明,粉煤灰中含有大量的硅、鋁等元素,是一種綜合利用價(jià)值較高的非鋁土礦資源[5]。使用粉煤灰提取氧化鋁,既可以解決粉煤灰嚴(yán)重污染環(huán)境的問題,又可以緩解我國鋁土礦資源匱乏的現(xiàn)狀[6]。

目前從粉煤灰中提取氧化鋁主要有堿法、酸法和酸堿聯(lián)合法三種方法,其中酸法主要有硫酸法和鹽酸法等[7-11]。鹽酸法提取氧化鋁具有工藝流程短、減量化、能耗低的優(yōu)點(diǎn)[11]。

循環(huán)硫化床(CFB)粉煤灰是低熱值煤在循環(huán)流化床鍋爐中以850～950℃燃燒生成的灰渣。與傳統(tǒng)的煤粉爐(PC)粉煤灰相比,循環(huán)流化床粉煤灰屬于中溫燃燒粉煤灰,灰中氧化鋁主要以偏高嶺石和活性氧化鋁單體存在,這更有利于灰中鋁的酸溶[12]。本文以循環(huán)流化床粉煤灰為研究對(duì)象,采用鹽酸溶出氧化鋁,研究了固液質(zhì)量比、溶出時(shí)間、溶出溫度、攪拌速率對(duì)氧化鋁溶出率的影響,并采用正交試驗(yàn)方法,優(yōu)選出了氧化鋁溶出的最佳工藝條件,為粉煤灰的資源化綜合利用提供技術(shù)參考。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原料及設(shè)備

原料為粉煤灰、鹽酸。鹽酸為分析純,質(zhì)量濃度為23%;粉煤灰采用內(nèi)蒙古準(zhǔn)格爾礦區(qū)循環(huán)流化床粉煤灰,主要化學(xué)成分見表1,XRD圖譜見圖1。由圖1可以看出,粉煤灰中主要物相組成為無定形偏高嶺石,含有少量的莫來石、銳鈦礦和石英。

表1 粉煤灰的化學(xué)組成 wt.%

圖1 粉煤灰的 XRD 圖譜

主要試驗(yàn)設(shè)備:MS205電子天平,鋯反應(yīng)釜,SHZ-DIII循環(huán)水式多用真空泵,101A-2鼓風(fēng)干燥箱。

1.2 方法

1.2.1 試驗(yàn)過程

按比例將鹽酸和粉煤灰加入鋯反應(yīng)釜中,電加熱升溫,采用機(jī)械攪拌,達(dá)到溶出溫度后保溫一定時(shí)間(即溶出時(shí)間)。反應(yīng)結(jié)束后,鋯反應(yīng)釜自然冷卻至室溫,形成溶出礦漿。采用重力沉降的方式對(duì)溶出礦漿進(jìn)行固液分離,液體為酸溶液,固體為酸溶提鋁渣。用去離子水反復(fù)清洗酸溶提鋁渣至不存在氯離子,將洗滌液與酸溶液混合形成溶出液。

1.2.2 分析方法

采用X射線衍射儀(德國布魯克D8 Advance)分析粉煤灰及酸溶提鋁渣物相組成;采用X熒光光譜儀(荷蘭帕納科AXIOS max)分析粉煤灰及酸溶提鋁渣化學(xué)成分;采用EDTA置換滴定法分析溶出液中氧化鋁的濃度。氧化鋁溶出率按式(1)計(jì)算:

(1)

式中:M——氧化鋁溶出率,%;

c1——粉煤灰中氧化鋁的質(zhì)量分?jǐn)?shù),%;

m1——粉煤灰的質(zhì)量,g;

c2——溶出液中氧化鋁的濃度,g/mL;

V2——溶出液的體積,mL。

1.2.3 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)以氧化鋁溶出率M為考察指標(biāo),采用正交表L16(45) 進(jìn)行正交試驗(yàn),考察固液質(zhì)量比、溶出時(shí)間、溶出溫度、攪拌速率4個(gè)因素的不同水平(見表2)對(duì)氧化鋁溶出率M的影響,篩選較優(yōu)溶出工藝條件。本試驗(yàn)不考察交互作用,將固液質(zhì)量比(A)、溶出時(shí)間(B)、溶出溫度(C)和攪拌速率(D)依次安排在L16(45) 的第1、2、3、4列上,第5列為空列,用作試驗(yàn)誤差分析。

表2 正交試驗(yàn)因素水平表

2 結(jié)果與討論

2.1 單因素試驗(yàn)確定因素

2.1.1 固液質(zhì)量比對(duì)氧化鋁溶出率的影響

粉煤灰與鹽酸混合,灰中的氧化鋁、氧化鐵等可溶性物質(zhì)與鹽酸反應(yīng)生成氯化物。因此固液質(zhì)量比(粉煤灰質(zhì)量與鹽酸質(zhì)量的比)是影響氧化鋁溶出率的重要因素。假設(shè)粉煤灰中各可溶物質(zhì)與鹽酸完全發(fā)生化學(xué)反應(yīng),經(jīng)計(jì)算(見表3),100 g粉煤灰可以消耗23%的鹽酸500.28 g。因此,理論上當(dāng)固液質(zhì)量比為1∶5時(shí),粉煤灰中的可溶性物質(zhì)被完全溶出。

表3 溶出反應(yīng)中鹽酸理論值的計(jì)算

試驗(yàn)研究了固液質(zhì)量比對(duì)氧化鋁溶出率的影響,所有試驗(yàn)均是在160℃下溶出150 min,攪拌速率為0.5轉(zhuǎn)/分,試驗(yàn)結(jié)果見圖2所示。由圖2可見,隨著鹽酸量的增加,氧化鋁溶出率顯著提高,固液質(zhì)量比超過1∶4時(shí),氧化鋁溶出率提高速率明顯下降并趨于穩(wěn)定。當(dāng)固液質(zhì)量比為1∶4.5時(shí),氧化鋁溶出率達(dá)到最大值(87.21%),繼續(xù)加大鹽酸量,氧化鋁溶出率不再增加。試驗(yàn)表明:在固液質(zhì)量比為1∶4.5時(shí),可溶的鋁已經(jīng)被完全溶出,剩余的鋁卻很難再被溶出。

圖2 固液質(zhì)量比對(duì)氧化鋁溶出率的影響

對(duì)酸溶提鋁渣進(jìn)行XRD分析和成分分析。酸溶提鋁渣的XRD圖譜見圖3,主要化學(xué)成分見表4。由圖3可以看出,酸溶提鋁渣中的鋁主要以莫來石相存在,因此剩余的鋁很難被溶出。由表4可見,酸溶提鋁渣中含有13.51%的氧化鋁,這與上述氧化鋁溶出率的數(shù)值基本上是相吻合的。

表4 酸溶提鋁渣的化學(xué)組成 wt.%

圖3 酸溶提鋁渣的XRD圖譜

2.1.2 溶出時(shí)間對(duì)氧化鋁溶出率的影響

溶出時(shí)間是影響氧化鋁溶出率的關(guān)鍵因素。若溶出時(shí)間太短,反應(yīng)不夠充分,鋁溶出不完全;若溶出時(shí)間過長(zhǎng),會(huì)造成能耗升高。試驗(yàn)研究了溶出時(shí)間對(duì)氧化鋁溶出率的影響,所有試驗(yàn)的固液質(zhì)量比均為1∶4.5,在160℃下溶出,攪拌速率為0.5轉(zhuǎn)/分,試驗(yàn)結(jié)果見圖4所示。

由圖4可見,隨著溶出時(shí)間的增長(zhǎng),氧化鋁溶出率顯著提高,溶出時(shí)間超過120 min時(shí),氧化鋁溶出率提高速率明顯下降并逐漸趨于穩(wěn)定。當(dāng)溶出時(shí)間為150 min時(shí),氧化鋁溶出率達(dá)到87.21%,再延長(zhǎng)溶出時(shí)間,氧化鋁溶出率幾乎不再變化。試驗(yàn)表明,在150 min內(nèi)溶出反應(yīng)基本完成。

圖4 溶出時(shí)間對(duì)氧化鋁溶出率的影響

2.1.3 溶出溫度對(duì)氧化鋁溶出率的影響

溫度也是影響氧化鋁溶出的重要因素。提高溫度有利于反應(yīng)速率的提高,降低反應(yīng)體系的黏度[13]。試驗(yàn)研究了溶出溫度對(duì)氧化鋁溶出率的影響,所有試驗(yàn)的固液質(zhì)量比均為1∶4.5,溶出時(shí)間均為150 min,攪拌速率為0.5轉(zhuǎn)/分,試驗(yàn)結(jié)果見圖5所示。

由圖5可見,隨著溶出溫度的升高,氧化鋁溶出率逐漸提高,溶出溫度超過150℃時(shí),氧化鋁溶出率提高速率明顯下降并逐漸趨于穩(wěn)定。當(dāng)溶出溫度為160℃時(shí),氧化鋁溶出率達(dá)到87.21%,再增加溶出溫度,氧化鋁溶出率增加并不明顯。由于設(shè)備的耐鹽酸性能隨著溫度的升高而下降,考慮到經(jīng)濟(jì)性問題,溶出溫度需要在一個(gè)合適的范圍內(nèi)。

圖5 溶出溫度對(duì)氧化鋁溶出率的影響

2.1.4 攪拌速率對(duì)氧化鋁溶出率的影響

在反應(yīng)過程中,物料之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)是依靠礦漿的流動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的。礦漿流速越大,湍流程度越強(qiáng),傳質(zhì)效果越好,越有利于反應(yīng)[14]。試驗(yàn)研究了攪拌速率對(duì)氧化鋁溶出率的影響,所有試驗(yàn)均在160℃下溶出150 min,結(jié)果見圖6所示。

由圖6可見,完全靜止?fàn)顟B(tài)下的氧化鋁溶出率只有50%～60%,而攪拌的情況下的溶出反應(yīng)效果要遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于前者。但攪拌速率對(duì)氧化鋁溶出率的影響并不明顯。

圖6 攪拌速率對(duì)氧化鋁溶出率的影響

2.2 正交試驗(yàn)結(jié)果

正交試驗(yàn)結(jié)果及其極差分析和方差分析見表5和表6。

表5 試驗(yàn)方案及結(jié)果分析表

從表6的方差分析結(jié)果可以看出,因素主次順序?yàn)锳>B>C>D,其中因素A(固液質(zhì)量比)、B(溶出時(shí)間)高度顯著,因素C(溶出溫度)顯著,因素D(攪拌速率)不顯著。

表6 方差分析表

根據(jù)表5的極差分析,通過比較因素A各水平K值,可確定其優(yōu)水平為A4;同理B取B4,C取C3;由于因素D不顯著,則可根據(jù)實(shí)際情況確定優(yōu)水平,這里取D1即可。因此氧化鋁溶出的最優(yōu)工藝條件為A4B4C3D1,即在固液質(zhì)量比為1∶4.5、溶出時(shí)間為150 min、溶出溫度為160℃、攪拌速率為0.5轉(zhuǎn)/分的條件下,氧化鋁溶出效果最佳。在此條件下,測(cè)得氧化鋁溶出率M≥87.21%。

3 結(jié) 論

循環(huán)流化床粉煤灰中主要物相組成為無定形偏高嶺石,含有少量的莫來石、銳鈦礦和石英。本文研究了固液質(zhì)量比、溶出時(shí)間、溶出溫度、攪拌速率對(duì)氧化鋁溶出率的影響,并首次采用正交試驗(yàn)方法,優(yōu)選出了氧化鋁溶出的最佳工藝條件。結(jié)果表明:當(dāng)固液質(zhì)量比為1∶4.5、溶出時(shí)間為150 min、溶出溫度為160℃、攪拌速率為0.5轉(zhuǎn)/分時(shí),氧化鋁溶出率M≥87.21%。

由于攪拌速率對(duì)氧化鋁溶出率的影響不顯著,因此在實(shí)際生產(chǎn)中采用了蒸汽直接加熱,蒸汽從釜底通入,既達(dá)到了攪拌的目的,又解決了攪拌槳口的密封腐蝕問題。氧化鋁的溶出率穩(wěn)定為86%～88%之間。