CN102180491B - 一种从煤矸石中提取氧化铝的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种从煤矸石中提取氧化铝的方法。该方法采用将破碎后的煤矸石与碳酸钠按一定比例混合研磨后，然后通过焙烧、循环浸取、沉淀过滤、碳分、二氧化碳及助剂回收、洗涤和煅烧等步骤，从粉煤灰中提取到高纯氧化铝。该方法与其它从粉煤灰中提取氢氧化铝的方法相比，具有氢氧化铝的提取率高、残渣少、能耗低、工艺过程简捷、成本低以及产生的CO2和所使用的助剂原料均可回收并实现循环利用等一系列优点，突破了以往粉煤灰提取氢氧化铝工艺技术繁杂、成本高的瓶颈，为煤矸石的高附加值开发利用开辟了新途径。
Description
技术领域：
本发明属于发电、冶金、能源、化工综合生产过程中所排放的固体废弃物的综合利用技术领域，特别涉及一种从煤矸石中提取氧化铝的方法。
背景技术：
煤矸石是煤炭开采和洗选加工过程中产生的固体废弃物。我国是产煤大国，煤矸石占原煤总产量的15％～20％，且利用率不足15％。因而煤矸石成为我国累积堆存量最大、占地面积最多的工业固体废弃物，且煤矸石对土地与环境的影响面积远远超过了其堆放面积。
由于煤矸石中氧化铝与二氧化硅是其主要成分，尤其是高铝煤矸石可形成煤系高岭土，可以说煤矸石也是一种铝资源矿藏。因此加强煤矸石等工业废渣中氧化铝的提取利用，对解决铝资源短缺，改善人类生存环境有重要意义。
目前，利用煤矸石提取氢氧化铝的工艺技术很少，方法主要包括石灰石烧结法、碱石灰烧结法、酸浸法、微波助溶法、联合法等，并不断有新的专利产生。上述现有各类方法中，均存在严重缺陷：要么能耗过高，难以获取效益(碱石灰烧结法、石灰烧结法和微波助溶法等工艺)；要么氧化铝浸取率过低，同样难以获取效益；要么排渣量过大，导致过多固体废弃物的排放，严重污染环境，从根本上，仍然难以获取效益；要么工艺流程长而复杂、设备繁多、很多作业过程互相牵制，同时存在高能耗高成本等问题(联合法等)；要么所用助剂对设备腐蚀性太强、且助剂酸回收困难和其对环境易造成污染等一系列致命缺点，严重影响了其产业化的推广(酸浸法等)。
综上所述，目前需要解决的关键问题是如何降低能耗及生产成本、减少废弃物的排放问题。本发明目的就是寻求到一种既能适用于石灰石又能够降低能耗及生产成本、减小废弃物的排放的提取氧化铝的方法。
发明内容：
本发明和以往成果相比，其特点在于通过选择合适的煅烧温度和煅烧时间，使得破碎后的煤矸石与碳酸钠混合物在烧结规程中不再产生铝硅酸钠(Na2O·Al2O3·2SiO2)，从而实现了只将煤矸石中的铝活化为可溶于水和碱溶液的铝酸钠，而其中的硅质成分仍然为不溶于水和碱溶液的物质，从而避免了早先专利中在烧结阶段将煤矸石中铝和硅同时被活化的缺点，因而在浸取阶段就可以直实现硅和铝的有效分离。这样，既解决了以前的纯碱烧结法中烧结温度高、Al2O3提取率低、硅和铝无法直接分离，以及氢氧化铝品质差等关键问题，又克服了拜耳法对铝硅比(A/S)和矿石矿物类型的苛刻要求，同时还实现了烧结温度低、烧结时间短、能有效控制铝和硅的活化比。最终使得利用煤矸石提取氧化铝过程中，能耗和生产成本得到了有效降低，从而为本发明的技术推广和实现产业化坚定了坚实的经济技术基础。预计本方法的推广使得煤矸石提取氧化铝实现产业化取得实质性突破。
本发明提供的一种从煤矸石中提取氢氧化铝的方法，目的在于克服已有的煤矸石提取氧化铝生产技术方法中，存在工艺过程繁杂、设备要求高、生产成本高等缺点。本发明的基本技术途径是：将破碎后的煤矸石与碳酸钠按一定比例混合研磨后，在经过焙烧、循环浸取、沉淀过滤、碳分、助剂回收、洗涤和煅烧等步骤，从煤矸石中提取到高纯氧化铝。
本方法包括下列步骤：
(1)混合研磨：按照质量百分比，将破碎后的煤矸石与Na2CO3固体按1∶0.6-1∶2.5的比例混合并研磨成100目-250目的混合物料；
(2)焙烧：将步骤(1)获得的混合物料在620℃-990℃温度条件下焙烧10分钟-60分钟，得到焙烧熟料。焙烧时焙烧设备接气体输出管并与碳分池连接，输出气体可直接用于碳分；
(3)循环浸取：向步骤(2)获取的焙烧熟料中加入水进行浸取。浸取条件为：固液比1∶6.0-1∶120、浸取温度10℃-85℃、浸取时间5分钟-50分钟。浸取后过滤，分别得到滤渣和滤液；所得滤液被循环用于对步骤(2)所得焙烧熟料的浸取，浸取条件不变。循环浸取后过滤得到滤渣和循环滤液；
(4)沉淀过滤：当步骤(3)中循环滤液中见白色沉淀析出后停止循环浸取，并将循环滤液加热至温度60℃-100℃、保温30分钟-120分钟后过滤，分别得到氢氧化铝和循环滤液。循环滤液再继续被用于步骤(3)的循环浸取，浸取条件不变。
(5)碳分：当步骤(4)中循环滤液有白色半透明结晶析出时终止浸取，并将该循环滤液置入碳分池进行碳分。条碳分件为：碳分温度20℃-100℃，滤液pH值7-9作为碳分终点。碳分后过滤，分别得到Na2CO3溶液和氢氧化铝。
(6)助剂及水回收：将步骤(5)所得Na2CO3溶液负压蒸发结晶并烘干，即可回收碳酸钠助剂，并可直接用于步骤(1)。Na2CO3溶液加热负压蒸发过程中，蒸发设备接冷凝装置和储罐回收蒸馏水；蒸馏水可用于氢氧化铝洗涤或步骤(3)的浸取。
(7)洗涤与煅烧。用步骤(6)回收的蒸馏水洗涤步骤(4)与步骤(5)得到的氢氧化铝，获得高纯氢氧化铝，进一步煅烧得到氧化铝产品。
本发明既可以使得固体废弃物煤矸石得到高附加值利用，同时可缓减铝土矿资源的不足的问题。此外，生产过程中氧化铝损失率低、能耗低、工艺过程简捷，对设备无特殊要求，且整个工艺过程中产生的CO2以及提取氧化铝过程中所使用的碱和水均可回收并实现循环利用，同时减少了废弃物的排放量，因此容易实现工业化。
附图说明：
图1是一种从煤矸石中提取氧化铝的方法工艺流程图。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
图1是本发明的一个实施例，即一种从煤矸石中提取氧化铝的方法工艺流程图。具体包括下列步骤。
(1)按照质量百分比，将破碎后的煤矸石与Na2CO3固体按1∶0.6-1∶2.5的比例混合并研磨成100目-250目的混合物料；
(2)将步骤(1)获得的混合物料在620℃-990℃温度条件下焙烧10分钟60分钟，得到焙烧熟料；焙烧时焙烧设备接气体输出管并与碳分池连接，回收二氧化碳气体直接用于碳分；
烧结过程中发生的主要化学反应如下：
Al2O3+Na2CO3＝2NaAlO2+CO2↑
(3)向步骤(2)获取的焙烧熟料中加入水进行浸取。浸取条件为：固液质量比1∶6.0-1∶120、浸取温度10℃-85℃、浸取时间5分钟-50分钟。浸取后过滤，分别得到滤渣和滤液；所得滤液被循环用于对步骤(2)所得焙烧熟料的浸取，浸取条件不变。循环浸取后过滤得到滤渣和循环滤液；
按照如下公式计算铝土矿中Al2O3的浸取率G
G＝(滤液中Al2O3量/铝土矿中所含Al2O3总量)×100％；其中G是Al2O3浸取率。
(4)当步骤(3)中循环滤液中见白色(Al(OH)3)析出后，循环滤液加热至温度60℃-100℃并保温30分钟-120分钟后进行过滤，其中所含的铝酸钠有60-90％转化分解形成Al(OH)3沉淀析出。过滤后，分别得到氢氧化铝和循环滤液。循环滤液可继续被用于步骤(3)的循环浸取，浸取条件不变。
(5)当步骤(4)中循环滤液NaOH过饱和时终止浸取，并将该循环滤液置入碳分池进行碳分。碳分温度20℃-100℃，滤液pH值7-9作为碳分终点。至此，循环滤液中剩余的铝酸钠也转化为Al(OH)3被沉淀析出。过滤分别得到Na2CO3溶液和氢氧化铝。
(6)将步骤(5)所得Na2CO3溶液负压蒸发结晶并烘干，即可回收碳酸钠。回收的碳酸钠可直接用于步骤(1)；Na2CO3溶液加热负压蒸发过程中，蒸发设备接冷凝装置和储罐回收蒸馏水。蒸馏水可用于氢氧化铝洗涤或步骤(3)的浸取。
(7)洗涤与煅烧。用步骤(6)回收的蒸馏水洗涤步骤(4)与步骤(5)得到的氢氧化铝，获得高纯氢氧化铝产品，进一步煅烧得到氧化铝。
以下是发明人给出的实施例，需要说明的是，这些实施例是一些较优的实例，本发明不限于这些实施例。
以下是发明人给出的实施例，需要说明的是，这些实施例是一些较优的实例，本发明不限于这些实施例。
实施例1
(1)将破碎后的煤矸石与碳酸钠固体按1∶0.6的比例混合并研磨成100目的混合物料。
(2)将步骤(1)获得的混合物料在620℃温度条件下焙烧60分钟，得到焙烧熟料。焙烧熟料分为质量相同的若干等份备用；焙烧时焙烧设备接气体输出管并与碳分池连接，回收二氧化碳气体直接用于碳分。
(3)在第一份焙烧熟料中加入适量的水，并使固液质量比为1∶6，在10℃温度条件下浸取50分钟。浸取后过滤，分别得到滤渣和滤液。经测定，滤液中氧化铝浸取率70％，二氧化硅、氧化铁等其他成分浸取率均为零。
将第2份焙烧熟料置入所得滤液中继续进行浸取，浸取条件不变。浸取后过滤，分别得到滤渣和循环滤液；经测定，滤液中氧化铝浸取率72％，二氧化硅、氧化铁等其他成分浸取率均为零。
利用浸取后形成的循环滤液继续逐份对焙烧熟料进行浸取，浸取条件不变。经测定，氧化铝浸取率保持在75％-80％，二氧化硅、氧化铁等其他成分浸取率均为零。
(4)循环浸取至第7份焙烧熟料之后，循环滤液见Al(OH)3析出，加热该滤液至温度60℃保持120分钟，过滤后分别得到氢氧化铝和循环滤液。经分析计算，至此，物料中75％的氧化铝被提取出来。
(5)循环浸取至第10份焙烧熟料后，循环滤液中氢氧化钠过饱和，将该滤液置入碳分池，利用步骤(2)输出的CO2进行碳分。碳分温度20℃，滤液pH值达到7后停止碳分并过滤。滤液为Na2CO3溶液，滤渣为氢氧化铝。经分析计算，循环滤液中剩余的铝离子也转化为氢氧化铝被提取出来。
(6)将步骤(5)所得的过饱和Na2CO3循环滤液负压蒸发结晶并烘干，回收到碳酸钠。Na2CO3溶液加热负压蒸发过程中，蒸发设备接冷凝装置和储罐回收到蒸馏水。
(7)洗涤与煅烧。用步骤(6)回收的蒸馏水洗涤步骤(4)与步骤(5)得到的氢氧化铝，获得高纯氧化铝产品。
实施例2：
(1)将破碎后的煤矸石与碳酸钠固体按1∶2.5的比例混合并研磨成250目的混合物料。
(2)将步骤(1)获得的混合物料在990℃温度条件下焙烧10分钟，得到焙烧熟料。焙烧熟料分为质量相同的若干等份备用；焙烧时焙烧设备接气体输出管并与碳分池连接，回收二氧化碳气体直接用于碳分。
(3)在第一份焙烧熟料中加入适量的水，并使固液质量比为1∶120，在85℃温度条件下浸取5分钟。浸取后过滤，分别得到滤渣和滤液。经测定，滤液中氧化铝浸取率75％，二氧化硅、氧化铁等其他成分浸取率均为零。
将第2份焙烧熟料置入所得滤液中继续进行浸取，浸取条件不变。浸取后过滤，分别得到滤渣和循环滤液；经测定，滤液中氧化铝浸取率77％，二氧化硅、氧化铁等其他成分浸取率均为零。
利用浸取后形成的循环滤液继续逐份对焙烧熟料进行浸取，浸取条件不变。经测定，氧化铝浸取率保持在77％-80％，二氧化硅、氧化铁等其他成分浸取率均为零。
(4)循环浸取至第21份焙烧熟料之后，循环滤液见Al(OH)3析出，加热该滤液至温度100℃保持30分钟，过滤后分别得到氢氧化铝和循环滤液。经分析计算，至此，物料中76％的氧化铝被提取出来。
(5)循环浸取至第23份焙烧熟料后，循环滤液中氢氧化钠过饱和，将该滤液置入碳分池，利用步骤(2)输出的CO2进行碳分。碳分温度100℃，滤液pH值达到9后停止碳分并过滤。滤液为Na2CO3溶液，滤渣为氢氧化铝。经分析计算，循环滤液中剩余的铝离子也转化为氢氧化铝被提取出来。
(6)将步骤(5)所得的过饱和Na2CO3循环滤液负压蒸发结晶并烘干，回收到碳酸钠。Na2CO3溶液加热负压蒸发过程中，蒸发设备接冷凝装置和储罐回收到蒸馏水。
(7)洗涤与煅烧。用步骤(6)回收的蒸馏水洗涤步骤(4)与步骤(5)得到的氢氧化铝，获得高纯氧化铝产品。
实施例3：
(1)将破碎后的煤矸石与碳酸钠固体按1∶2.3的比例混合并研磨成150目的混合物料。
(2)将步骤(1)获得的混合物料在720℃温度条件下焙烧50分钟，得到焙烧熟料。焙烧熟料分为质量相同的若干等份备用；焙烧时焙烧设备接气体输出管并与碳分池连接，回收二氧化碳气体直接用于碳分。
(3)在第一份焙烧熟料中加入适量的水，并使固液质量比为1∶15，在20℃温度条件下浸取40分钟。浸取后过滤，分别得到滤渣和滤液。经测定，滤液中氧化铝浸取率79％，二氧化硅、氧化铁等其他成分浸取率均为零。
将第2份焙烧熟料置入所得滤液中继续进行浸取，浸取条件不变。浸取后过滤，分别得到滤渣和循环滤液；经测定，滤液中氧化铝浸取率80％，二氧化硅、氧化铁等其他成分浸取率均为零。
利用浸取后形成的循环滤液继续逐份对焙烧熟料进行浸取，浸取条件不变。经测定，氧化铝浸取率保持在81％-84％，二氧化硅、氧化铁等其他成分浸取率均为零。
(4)循环浸取至第15份焙烧熟料之后，循环滤液见Al(OH)3析出，加热该滤液至温度70℃保持40分钟，过滤后分别得到氢氧化铝和循环滤液。经分析计算，至此，物料中82％的氧化铝被提取出来。
(5)循环浸取至第18份焙烧熟料后，循环滤液中氢氧化钠过饱和，将该滤液置入碳分池，利用步骤(2)输出的CO2进行碳分。碳分温度25℃，滤液pH值达到8.8后停止碳分并过滤。滤液为Na2CO3溶液，滤渣为氢氧化铝。经分析计算，循环滤液中剩余的铝离子也转化为氢氧化铝被提取出来。
(6)将步骤(5)所得的过饱和Na2CO3循环滤液负压蒸发结晶并烘干，回收到碳酸钠。Na2CO3溶液加热负压蒸发过程中，蒸发设备接冷凝装置和储罐回收到蒸馏水。
(7)洗涤与煅烧。用步骤(6)回收的蒸馏水洗涤步骤(4)与步骤(5)得到的氢氧化铝，获得高纯氧化铝产品。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。
Claims (7)
1.一种从煤矸石中提取氧化铝的方法，其特征在于，包括下列步骤：
(1)混合研磨：按照质量百分比，将破碎后的煤矸石与碳酸钠固体按1:0.6-1:2.5的比例混合并研磨成50目-250目的混合物料；
(2)焙烧：将步骤(1)获得的混合物料在620℃-990℃温度条件下焙烧10-60分钟，得到焙烧熟料；焙烧时焙烧设备接气体输出管并与碳分池连接，回收二氧化碳气体直接用于碳分；
(3)循环浸取：向步骤(2)获取的焙烧熟料中加入水进行浸取；浸取条件为：固液比1:6.0-1:120、浸取温度10℃-85℃、浸取时间5分钟-50分钟；浸取后过滤，分别得到滤渣和滤液；所得滤液被循环用于对步骤(2)所得焙烧熟料的浸取，浸取条件不变；循环浸取后过滤得到滤渣和循环滤液；
(4)沉淀过滤：当步骤(3)中循环滤液中见白色沉淀析出后停止循环浸取，并将循环滤液加热至温度60℃-100℃、保温30分钟-120分钟后过滤，分别得到氢氧化铝和循环滤液；循环滤液再继续被用于步骤(3)的循环浸取，浸取条件不变；
(5)碳分：当步骤(4)中循环滤液有白色半透明结晶析出时终止浸取，并将该循环滤液置入碳分池进行碳分；碳分条件为：碳分温度20℃-100℃，滤液pH值7-9作为碳分终点；碳分后过滤，分别得到Na2CO3溶液和氢氧化铝；
(6)助剂及水回收：将步骤(5)所得Na2CO3溶液负压蒸发结晶并烘干，即可回收碳酸钠助剂，并直接用于步骤(1)；Na2CO3溶液加热负压蒸发过程中，蒸发设备接冷凝装置和储罐回收蒸馏水；蒸馏水可用于氢氧化铝洗涤或步骤(3)的浸取；
(7)洗涤与煅烧：用步骤(6)回收的蒸馏水洗涤步骤(4)与步骤(5)得到的氢氧化铝，获得高纯氢氧化铝，进一步煅烧得到氧化铝产品。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(1)中的混合研磨条件：按照质量百分比，将煤矸石与碳酸钠按1:0.6-1:2.3的比例混合并研磨成150目-250目的混合物料。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(2)所述的焙烧条件：将步骤(1)中得的混合物料，在720℃-990℃温度条件下焙烧10-60分钟。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(3)所述的循环浸取方法及其浸取条件：浸取条件为固液比1:15-1:120、浸取温度20℃-85℃、浸取时间40分钟-50分钟；浸取后过滤，分别得到滤渣和滤液；所得滤液被循环用于对步骤(2)所得焙烧熟料的浸取，浸取条件不变。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的步骤(4)通过沉淀过滤获取氧化铝的方法：当步骤(3)中循环滤液中见白色沉淀析出后，将循环滤液加热至温度70℃-100℃并保温40分钟-120分钟后进行过滤，分别得到氢氧化铝和循环滤液。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，当步骤(4)中见白色沉淀析出时终止浸取，并将该循环滤液置入碳分池进行碳分；碳分条件为：碳分温度25℃-100℃，滤液pH值7-8.8作为碳分终点；碳分后过滤，分别得到Na2CO3溶液和氢氧化铝。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述煤矸石包括煤矿在井巷掘进时排出来的矸石、露天煤矿开采时剥离的矸石和洗选加工过程中排出的矸石等各种类型的煤矸石。
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