CN101591020A - 一种利用高铝粉煤灰生产白炭黑的方法及其系统 - Google Patents

一种利用高铝粉煤灰生产白炭黑的方法及其系统 Download PDF

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张战军
曹慧芳
张晓云
王彦武
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Abstract

一种利用高铝粉煤灰生产白炭黑的方法及其系统,涉及材料、化工技术领域。本发明包括粉煤灰浆液调配系统、粉煤灰预脱硅系统、白炭黑制备系统和苛化系统。其结构特点是,所述套管加热器分为两段。保温停留罐下部的出口管道分两路。管式降膜蒸发器的溶液出口通过蒸发溶液泵连接至循环母液制备槽的一路入口,循环母液制备槽的另两路入口一路为碱补充管道,另一路经苛化液泵与苛化槽的出口相连。循环母液制备槽的出口管道经循环母液泵连接至粉煤灰浆液制备槽的入口,使整个系统形成闭式循环。本发明不仅工艺简单、生产成本低、能耗低,而且产品质量性能稳定,同时提取白炭黑后的粉煤灰还可以作为一种重要的铝资源用于制备氧化铝。

Description

一种利用高铝粉煤灰生产白炭黑的方法及其系统 技术领域
本发明涉及材料、化工技术领域,特别是利用高铝粉煤灰生产白 炭黑的方法及其系统。 背景技术
白炭黑,即水合二氧化硅, 一种白色粉末状无定形水合二氧化硅,
其化学式为mSi02*nH20,是目前最好的具有优异补强性能的白色、 透明补强填充剂。作为一种重要的精细无机化工产品,在橡胶、塑料、 农药、油漆、制药、造纸、日用化学品等各个领域有着广泛用途。
现有技术文献中关于粉煤灰制备白炭黑的工艺方法有酸法和碱 法,酸法是先用盐酸溶粉煤灰除铝,然后残渣用碱热解制备水玻璃, 再加盐酸制取白炭黑。其缺点是:工艺步骤多,反应过程条件难控制, 而且盐酸易对环境造成污染。碱法是先将粉煤灰加碱高温焙烧、酸浸 过滤,得到含H2Si03的滤液、再加NaCl沉析制取白炭黑。其缺点是: 过程复杂、条件控制要求高,能耗大。现有技术中的中国专利,申请 号为93111642.2的发明专利"利用煤灰制取炭黑和白炭黑的方法", 公开的技术方案是,先对粉煤灰进行多次浮选,得到的硅灰再经脱水、 干燥、分级、磨细、均化处理得到白炭黑。该方法生产步骤多,较繁 琐,而且获得的白炭黑性能无法保证。另外,申请号为200610012780. 7 的发明专利"粉煤灰中提取氧化铝同时联产白炭黑的方法",公开的技术方案是利用活化后粉煤灰和硫酸氨反应过滤后的残渣,再加氢氧 化钠溶液反应制取水玻璃,然后加硫酸来制备白炭黑,该方法工艺复 杂,采用酸法制备白炭黑,反应过程的条件必须严格控制,否则会导 致产品的性能差异较大。 发明内容
针对上述现有技术中存在的缺点,本发明的目的是提供一种利用 高铝粉煤灰生产白炭黑的方法及其系统。它不仅工艺简单、生产成本 低、能耗低,而且产品质量性能稳定,同时提取白炭黑后的粉煤灰还 可以作为一种重要的铝资源用于制备氧化铝。
为了实现上述发明目的,本发明的技术方案以如下方式实现: 一种利用高铝粉煤灰生产白炭黑的方法,其步骤为:
① 将原料高铝粉煤灰和氢氧化钠溶液加入粉煤灰浆液制备槽 中进行碱溶脱硅反应;
② 对碱溶脱硅反应生成的硅酸钠溶液进行过滤、洗涤和分离, 脱硅灰滤饼储存用于氧化铝生产配料;
③ 向分离得到的硅酸钠溶液中通入C02进行碳化反应,生成 Si(V沉淀后进行过滤、洗涤和分离,分离得到的Si(V沉淀进
行干燥制得白炭黑产品; ©过滤分离后得到的Na2C03溶液中加入石灰乳苛化,苛化液直
接或经蒸发浓縮后制备氢氧化钠溶液,向氢氧化钠溶液中补 充苛性碱返回步骤①循环使用。 在上述生产白炭黑的方法中,所述高铝粉煤灰中Al203的含量》40%, Si02的含量》35X,高铝粉煤灰非晶态玻璃相中的Si02/Al203 质量比>4,氢氧化钠溶液的浓度为15〜20%,氢氧化钠与粉煤灰的质 量比为0. 4〜0. 6 : 1。
在上述生产白炭黑的方法中,所述的氢氧化钠溶液溶解粉煤灰所 需要的反应温度为U0〜13(TC,反应时间为1.0〜2.5小时。
在上述生产白炭黑的方法中,所述的硅酸钠溶液中通入C02碳化 的温度为75〜95。C,直至溶液的pH值达到9〜10,停止通气。
在上述生产白炭黑的方法中,所述Si02沉淀中Na含量高时,加 入12~15%的稀盐酸去除其中的Na2C03。
在上述生产白炭黑的方法中,所述的过滤、洗涤和分离温度为 75〜95°C,洗涤热水来自蒸发冷凝水。
实现上述高铝粉煤灰生产白炭黑方法的系统,它包括由粉煤灰 仓、定量给料机、粉煤灰浆液制备槽、脱硅喂液泵、循环母液制备槽 和循环母液泵组成的粉煤灰浆液调配系统;由套管加热器、保温停留
罐、脱硅循环泵、脱硅浆液储槽、过滤机喂料泵、平盘式过滤机、脱 硅灰滤饼槽和脱硅灰滤饼泵组成的粉煤灰预脱硅系统;由碳化槽、压 滤机喂料泵、板框式压滤机、白炭黑滤饼槽、白炭黑滤饼泵和干燥机 组成的白炭黑制备系统;以及由石灰乳槽、石灰乳泵、苛化槽、苛化 液泵、管式降膜蒸发器和蒸发溶液泵组成的苛化系统。其结构特点是, 所述套管加热器分为两段,为套管加热器一和套管加热器二。粉煤灰 浆液制备槽底部管道通过脱硅喂液泵出口分别与套管加热器一和套 管加热器二的内管入口连接,套管加热器一的内管出口与套管加热器二的内管入口相连,套管加热器二的内管出口与保温停留罐顶部的进 口连接。保温停留罐下部的出口管道分两路, 一路连接至脱硅浆液储 槽的入口 ,另一路通过脱硅循环泵连接至套管加热器一的外管入口 , 套管加热器一的外管出口连接至脱硅浆液储槽的入口 ,套管加热器二 的外管与蒸汽管道连接。管式降膜蒸发器的溶液出口通过蒸发溶液泵 连接至循环母液制备槽的一路入口,循环母液制备槽的另两路入口一 路为碱补充管道,另一路经苛化液泵与苛化槽的出口相连,循环母液 制备槽的出口管道经循环母液泵连接至粉煤灰浆液制备槽的入口 ,使 整个系统形成闭式循环。
在上述系统中,所述保温停留罐内设电加热管束,保持罐内温度 不变。
在上述系统中,所述管式降膜蒸发器产生的蒸发冷凝热水分别连 接到脱硅灰滤饼槽、白炭黑滤饼槽和石灰乳槽的入口。 本发明与现有技术比较,优点在于:
(1) 原料高铝粉煤灰是在煤粉炉中高温熔融后的产物,煤中粘 土矿物高温熔融急速冷却产生大量的玻璃体即非晶态的二氧化硅,反 应活性强于经过天然硅石粉碎后的粉末状微粒;
(2) 采用高铝粉煤灰作原料,为细粉状,无需破碎,减少破碎
工序;
(3) 采用C02气体碳化硅酸钠溶液,工艺简单,易操作,而且可 利用其它工艺段的窑气,生产成本低;
(4) 碳化制备的白炭黑产品性能稳定,比表面积大,DBP值高;(5) 所用原料氢氧化钠可循环使用,大大降低白炭黑的生产成
本;
(6) 液固分离洗水采用蒸发器冷凝水,实现了水的循环使用, 节约生产成本;
(7) 碱溶后的粉煤灰铝硅比大大提高,可作为生产氧化铝原料, 实现废物资源化利用。同时我国铝硅比较高的铝土矿缺乏,此种含铝 原料可有效缓解我国铝土矿缺乏的现状,对发展我国循环经济与缓解 我国铝资源短缺,具有战略意义。
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。 附图说明
图1为本发明的生产工艺流程图;
图2为本发明系统的结构原理图。 具体实施方式
参看图2,本发明系统包括由粉煤灰仓1、定量给料机2、粉煤 灰浆液制备槽3、脱硅喂液泵4、循环母液制备槽25和循环母液泵 26组成的粉煤灰浆液调配系统;由套管加热器5、保温停留罐6、脱 硅循环泵7、脱硅浆液储槽8、过滤机喂料泵9、平盘式过滤机10、 脱硅灰滤饼槽11和脱硅灰滤饼泵12组成的粉煤灰预脱硅系统;由碳 化槽13、压滤机喂料泵14、板框式压滤机15、白炭黑滤饼槽16、白 炭黑滤饼泵17和干燥机18组成的白炭黑制备系统;以及由石灰乳槽 21、石灰乳泵22、苛化槽19、苛化液泵20、管式降膜蒸发器23和 蒸发溶液泵24组成的苛化系统。套管加热器5分为两段,为套管加热器一 5-1为矿桨预热,套管加热器二 5-2为蒸汽加热。粉煤灰浆液
制备槽3底部管道通过脱硅喂液泵4出口分别与套管加热器一 5-1和 套管加热器二 5-2的内管入口连接,套管加热器一 5-1的内管出口与 套管加热器二 5-2的内管入口相连,套管加热器二 5-2的内管出口与 保温停留罐6顶部的进口连接。保温停留罐6下部的出口管道分两路, 一路连接至脱硅浆液储槽8的入口 ,另一路通过脱硅循环泵7连接至 套管加热器一 5-1的外管入口。套管加热器一 5-1的外管出口连接至 脱硅浆液储槽8的入口 ,套管加热器二 5-2的外管与蒸汽管道连接。 管式降膜蒸发器23的溶液出口通过蒸发溶液泵24连接至循环母液制 备槽25的一路入口,循环母液制备槽25的另两路入口一路为碱补充 管道,另一路经苛化液泵20与苛化槽19的出口相连。循环母液制备 槽25的出口管道经循环母液泵26连接至粉煤灰浆液制备槽3的入 口,整个系统形成闭式循环。保温停留罐6内设电加热管束,保持罐 内温度不变。管式降膜蒸发器23产生的蒸发冷凝热水分别连接到脱 硅灰滤饼槽11、白炭黑滤饼槽16和石灰乳槽21的入口。 参看图l,利用高铝粉煤灰生产白炭黑的步骤如下: (1)高铝粉煤灰从粉煤灰仓1经定量给料机2计量进入粉煤灰桨 液制备槽3,与循环母液制备槽25来的循环母液,即氢氧化钠溶液 按照配比混合进行碱溶脱硅反应。然后由脱硅喂液泵4输送至套管加 热器5。采用的高铝粉煤灰其中A1A含量为48.5X、Si02含量为37.8 %,氢氧化钠溶液浓度为20%,氢氧化钠与粉煤灰的质量比为0.5(2) 粉煤灰浆液分两路进入套管加热器一 5-1和套管加热器二
5-2的内管,套管加热器一5-l内管内的浆液加热后出来进入套管加 热器二5-2的内管,套管加热器二5-2内管内的浆液加热至12(TC送 入到保温停留罐6内进行预脱硅反应,罐内温度维持在12CTC,反应 2. 0小时后保温停留罐6内的脱硅浆液一部分通过脱硅循环泵7返回 到套管加热器一 5-1外管对内管的浆液进行加热,加热后套管加热器 一 5-1外管的浆液和保温停留罐6内的另一部分脱硅浆液送入脱硅浆 液储槽8准备进行固液分离和洗涤处理。套管加热器二 5-2的外管接 入新蒸汽对内管的浆液进行加热。脱硅后的粉煤灰浆液用过滤机喂料 泵9从脱硅浆液储槽8中输送至平盘式过滤机10,在85士1(TC下进 行过滤分离与洗涤,分离后的粉煤灰渣进入脱硅灰滤饼槽11,然后 与热水混合,再通过脱硅灰滤饼泵12返回至平盘式过滤机10过滤, 过滤后的脱硅粉煤灰储存作为氧化铝生产的原料,洗液与脱硅溶液送 至碳分槽13。
(3) 洗液与脱硅溶液的混合液输送至碳分槽13后,在85。C下通 入C02进行碳化反应,析出沉淀Si02,当料浆体系的PH值降低至10 时,停止通气,然后将沉淀Si02和碳酸钠的混合溶液通过压滤机喂料 泵14送入到板框式压滤机15。
(4) 板框式压滤机15中的碳分混合液在85。C下进行过滤分离与 洗涤,分离后的白炭黑进入白炭黑滤饼槽16,然后与热水混合,再 通过白炭黑滤饼泵17返回至板框式压滤机15过滤,过滤后的白炭黑 输送至干燥机,在12(TC下烘干,制得白炭黑成品,洗液与碳酸钠溶液送至苛化槽19。
(5) 石灰乳从石灰乳槽21通过石灰乳泵22输送到苛化槽19, 和碳酸钠溶液进行苛化反应。
(6) 苛化后产生的苛化液分两个分支,通过苛化液泵20—部分 苛化液直接输送至循环母液制备槽25, 一部分苛化液送入管式降膜 蒸发器23,蒸发浓縮后经蒸发溶液泵24输送至循环母液制备槽25, 根据配比再补充少许苛性碱制备循环母液,然后通过循环母液泵26 返回步骤(1)配料。

Claims (9)

1、一种利用高铝粉煤灰生产白炭黑的方法,其步骤为: ①将原料高铝粉煤灰和氢氧化钠溶液加入粉煤灰浆液制备槽中进行碱溶脱硅反应; ②对碱溶脱硅反应生成的硅酸钠溶液进行过滤、洗涤和分离,脱硅灰滤饼储存用于氧化铝生产配料; ③向分离得到的硅酸钠溶液中通入CO2进行碳化反应,生成SiO2沉淀后进行过滤、洗涤和分离,分离得到的SiO2沉淀进行干燥制得白炭黑产品; ④过滤分离后得到的Na2CO3溶液中加入石灰乳苛化,苛化液直接或经蒸发浓缩后制备氢氧化钠溶液,向氢氧化钠溶液中补充苛性碱返回步骤①循环使用。
2、 按照权利要求1所述的利用高铝粉煤灰生产白炭黑的方法, 其特征在于,所述高铝粉煤灰中A1A的含量^40X, Si02的含量》 35%,高铝粉煤灰非晶态玻璃相中的Si02/AU)3质量比^4,氢氧化钠 溶液的浓度为15〜20%,氢氧化钠与粉煤灰的质量比为0.4〜0.6 : 1。
3、 按照权利要求1或2所述的利用高铝粉煤灰生产白炭黑的方 法,其特征在于,所述的氢氧化钠溶液溶解粉煤灰所需要的反应温度 为110〜13(TC,反应时间为1. 0〜2. 5小时。
4、 按照权利要求3所述的利用高铝粉煤灰生产白炭黑的方法, 其特征在于,所述的硅酸钠溶液中通入C02碳化的温度为75〜95°C,直至溶液的pH值达到9〜10,停止通气。
5、 按照权利要求4所述的利用高铝粉煤灰生产白炭黑的方法, 其特征在于,所述Si(V沉淀中Na含量高时,加入12~15%的稀盐酸去 除其中的Na2C03。
6、 按照权利要求5所述的利用高铝粉煤灰生产白炭黑的方法, 其特征在于,所述的过滤、洗涤和分离温度为75〜95°C,洗涤热水 来自蒸发冷凝水。
7、 实现如权利要求1所述的高铝粉煤灰生产白炭黑方法的系统, 它包括由粉煤灰仓(1)、定量给料机(2)、粉煤灰浆液制备槽(3)、 脱硅喂液泵(4)、循环母液制备槽(25)和循环母液泵(26)组成的 粉煤灰浆液调配系统,由套管加热器(5)、保温停留罐(6)、脱硅循 环泵(7)、脱硅桨液储槽(8)、过滤机喂料泵(9)、平盘式过滤机(10)、 脱硅灰滤饼槽(11)和脱硅灰滤饼泵(12)组成的粉煤灰预脱硅系统, 由碳化槽(13)、压滤机喂料泵(14)、板框式压滤机(15)、白炭黑 滤饼槽(16)、白炭黑滤饼泵(17)和干燥机(18)组成的白炭黑制 备系统,以及由石灰乳槽(21)、石灰乳泵(22)、苛化槽(19)、苛 化液泵(20)、管式降膜蒸发器(23)和蒸发溶液泵(24)组成的苛 化系统,其特征在于,所述套管加热器(5)分为两段,为套管加热 器一 (5-1)和套管加热器二 (5-2),粉煤灰浆液制备槽(3)底部管 道通过脱硅喂液泵(4)出口分别与套管加热器一 (5-1)和套管加热 器二 (5-2)的内管入口连接,套管加热器一 (5-1)的内管出口与套 管加热器二 (5-2)的内管入口相连,套管加热器二 (5-2)的内管出口与保温停留罐(6)顶部的进口连接,保温停留罐(6)下部的出口管道分两路, 一路连接至脱硅桨液储槽(8)的入口,另一路通过脱 硅循环泵(7)连接至套管加热器一 (5-1)的外管入口,套管加热器一 (5-1)的外管出口连接至脱硅浆液储槽(8)的入口,套管加热器二 (5-2)的外管与蒸汽管道连接,所述管式降膜蒸发器(23)的溶 液出口通过蒸发溶液泵(24)连接至循环母液制备槽(25)的一路入 口,循环母液制备槽(25)的另两路入口一路为碱补充管道,另一路 经苛化液泵(20)与苛化槽(19)的出口相连,循环母液制备槽(25) 的出口管道经循环母液泵(26)连接至粉煤灰浆液制备槽(3)的入 口,使整个系统形成闭式循环。
8、 按照权利要求7所述的系统,其特征在于,所述保温停留罐 (6)内设电加热管束,保持罐内温度不变。
9、 按照权利要求7或8所述的系统,其特征在于,所述管式降 膜蒸发器(23)产生的蒸发冷凝水分别连接到脱硅灰滤饼槽(11)、 白炭黑滤饼槽(16)和石灰乳槽(21)的入口。
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