CN102180492A - 利用粉煤灰生产氧化铝的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用粉煤灰生产氧化铝的方法。该方法主要工艺过程为，将粉煤灰与NaOH按一定比例混合研磨后，然后通过、焙烧活化、循环浸取、沉淀过滤、助剂回收、洗涤与煅烧等步骤，提取到高纯氧化铝。该方法与其它粉煤灰生产氧化铝的方法相比，具有氧化铝的提取率高、残渣少、能耗低、工艺过程简捷、成本低以及所用助剂均可回收并实现循环利用等一系列优点，突破了以往粉煤灰生产氧化铝工艺技术繁杂、成本高的瓶颈，为粉煤灰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、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，特别涉及一种利用粉煤灰生产氧化铝的方法。
背景技术：
近些年来，我国的煤电工业的迅速发展，带来了固体废物粉煤灰排放量的急剧增加，燃煤电厂每年所排放的粉煤灰总量逐年增加，1995年粉煤灰排放量达1.25亿吨，2000年约为1.5亿吨，到2009年，中国粉煤灰产量达到3.75亿吨，相当于当年中国城市生活垃圾总量的两倍多。由于粉煤灰以多种形式污染环境，因此其大量排放给我国的国民经济建设及生态环境造成巨大压力。权威部门统计表明，目前粉煤灰的实际利用率尚不足30％，由于我国电力供应以煤电为主，该局面短期内无法改变。
为了减少粉煤灰的堆放，目前被主要用于回填、筑路、建筑等方面，尽管用灰量较大，但其消化量仍然远远赶不上排放量的不断增长，且这种利用方式的经济效益也不明显。因此，开辟粉煤灰更好的利用途径，提高其利用价值，始终成为人们关注的焦点。由于粉煤灰中氧化铝的含量仅次于二氧化硅，部分地区的粉煤灰中氧化铝含量达到35％以上甚至更高。因此，这些高铝粉煤灰中的氧化铝如能被提取出来加以利用，对实现粉煤灰堆排放的减量化、无害化和资源化意义重大。
目前，利用粉煤灰生产氧化铝的方法主要包括石灰石烧结法、硫酸铵烧结法、碱石灰烧结法、酸浸法、氟化铵助溶法、微波助溶法、联合法、拜耳法及所谓的非高温法等，并不断有新的专利产生。上述现有各类方法中，除了拜耳法之外，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(非高温法)；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、氟化铵助溶法、硫酸铵烧结法等)。
与已有的其他方法相比，拜尔法虽然流程相对简单、投资和能耗相对最低，目前有90％以上的氧化铝是用拜耳法生产的，但该方法的严重缺点是只适用于高铝硅比的三水铝石型铝土矿的处理。而粉煤灰中的氧化铝存在形式既非三水铝石型矿物，铝硅比(A/S)又低，因此该方法根本无法应用于对粉煤灰中氧化铝的提取。
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粉煤灰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：
本发明目和以往成果相比，其特点在于通过选择合适的煅烧温度和煅烧时间，使得粉煤灰与NaOH混合物在烧结规程中不再产生铝硅酸钠(Na2O·Al2O3·2SiO2)，从而实现了只将粉煤灰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粉煤灰中铝和硅同时被活化的缺点，因而在煅烧之后的浸取阶段就可以直接实现硅和铝的有效分离。这样，既解决了以前的纯烧碱结法中烧结温度高、Al2O3提取率低、硅和铝无法直接分离，以及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。最终使得利用粉煤灰提取氢氧化铝过程中，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粉煤灰提取氧化铝实现产业化取得实质性突破。
本发明提供的一种利用粉煤灰生产氢氧化铝的方法，目的在于克服已有的粉煤灰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：将粉煤灰与烧碱(NaOH)按一定比例混合研磨后，再经过焙烧、循环浸取、沉淀过滤、助剂回收、洗涤与煅烧等步骤，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，将粉煤灰与NaOH固体按照质量百分比按1∶0.5-1∶3.0的比例混合并研磨成100目-250目的混合物料；
(2)焙烧活化：将步骤(1)获得的混合物料在520℃-1000℃温度条件下焙烧5分钟60分钟，得到焙烧熟料；
(3)循环浸取：向步骤(2)获取的焙烧熟料中按一定的固液比条件加入水进行浸取。浸取条件为：固液质量比1∶10-1∶120、浸取温度10℃-100℃、浸取时间5分钟60分钟。浸取后过滤，分别得到滤渣和滤液。该滤液可被循环用于对步骤(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(Al(OH)3)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分钟后进行过滤，分别得到氢氧化铝和循环滤液。所得循环滤液继续被用于步骤(3)的循环浸取，浸取条件不变。
(5)NaOH及水回收：当步骤(4)循环滤液中NaOH过饱和，并有白色半透明结晶析出时，对滤液负压蒸发结晶并烘干，即可回收NaOH，并可直接用于步骤(1)。蒸发设备接冷凝装置和储罐回收蒸馏水，并可用于氢氧化铝洗涤或步骤(3)的浸取。
(6)洗涤与煅烧。用步骤(5)回收的蒸馏水洗涤步骤(4)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产品。
本发明既可以使得固体废弃物粉煤灰得到高附加值利用，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是一种利用粉煤灰生产氧化铝的方法的工艺流程图。
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，即一种利用粉煤灰生产氧化铝的方法的工艺流程图。具体包括下列步骤。
(1)按照质量百分比，将粉煤灰与NaOH固体按质量百分比1∶0.5-1∶3.0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520℃-1000℃温度条件下焙烧5分钟-60分钟，得到焙烧熟料；
烧结过程中发生的主要化学反应如下：
Al2O3+2NaOH＝2NaAlO2+H2O
(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∶10-1∶120、浸取温度10℃-100℃、浸取时间5分钟-60分钟。浸取后过滤，分别得到滤渣和滤液；所得滤液可被循环用于对步骤(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Al2O3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沉淀(Al(OH)3)析出后停止循环浸取，然后将该滤液加热至温度60℃-100℃、保温30分钟-120分钟后进行过滤，分别得到氢氧化铝和循环滤液。循环滤液继续被用于步骤(3)的循环浸取，浸取条件不变。
(5)当步骤(4)循环滤液中NaOH过饱和后，有白色半透明NaOH结晶析出时，对滤液负压蒸发结晶并烘干，即可回收NaOH，蒸发设备接冷凝装置和储罐回收蒸馏水。回收的NaOH可直接用于步骤(1)。
(6)用步骤(5)回收的蒸馏水洗涤步骤(4)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。
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)将煤粉炉粉煤灰与NaOH固体按1∶0.5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550℃温度条件下焙烧60分钟，得到焙烧熟料。焙烧熟料等分为质量相同的若干等份备用；
(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∶10，在10℃温度条件下浸取60分钟。浸取后过滤，分别得到滤渣和滤液。经测定，氧化铝浸取率74％，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，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。
(4)循环浸取至第8份焙烧熟料之后，循环滤液见Al(OH)3析出，停止循环浸取并加热该滤液至温度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，物料中80％的氧化铝已被提取出来。
(5)将步骤(4)所得的过饱和NaOH循环滤液负压蒸发结晶并烘干，回收到NaOH。NaOH循环滤液蒸发回收过程中，蒸发设备接冷凝装置和储罐回收蒸馏水。
(6)用步骤(5)回收的蒸馏水洗涤步骤(4)得到的氢氧化铝，获得高纯氢氧化铝，进一步煅烧后得到氧化铝产品。
实施例2：
(1)、将煤粉炉粉煤灰与NaOH固体按1∶3.0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1000℃温度条件下焙烧10分钟，得到焙烧熟料。焙烧熟料等分为质量相同的若干等份备用；
(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100℃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，氧化铝浸取率76％，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，氧化铝浸取率78％，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20份焙烧熟料之后，循环滤液见Al(OH)3析出后停止循环浸取，并将循环滤液加热至温度100℃保持30分钟，过滤后分别得到氢氧化铝和循环滤液。所得循环滤液继续被用于步骤(3)的循环浸取，浸取条件不变。经分析计算，物料中约83％的氧化铝已被提取出来。
(5)、将步骤(4)所得的过饱和NaOH循环滤液负压蒸发结晶并烘干，回收到NaOH。NaOH循环滤液蒸发回收过程中，蒸发设备接冷凝装置和储罐回收蒸馏水。
(6)用步骤(5)回收的蒸馏水洗涤步骤(4)得到的氢氧化铝，获得高纯氢氧化铝，进一步煅烧后得到氧化铝产品。
实施例3：
(1)、将煤粉炉粉煤灰与NaOH固体按1∶2.8的比例混合并研磨成200目的混合物料。
(2)、将步骤(1)获得的混合物料在550℃温度条件下焙烧40分钟，得到焙烧熟料。焙烧熟料等分为质量相同的若干等份备用；
(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∶60，在65℃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，氧化铝浸取率76％，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，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。
(4)循环浸取至第18份焙烧熟料之后，循环滤液见Al(OH)3析出后停止循环浸取，并将该滤液加热至温度60℃保持70分钟，过滤后分别得到氢氧化铝和循环滤液。经分析计算，物料中约82％的氧化铝已被提取出来。
(5)、将步骤(4)所得的过饱和NaOH循环滤液负压蒸发结晶并烘干，回收到NaOH。NaOH循环滤液蒸发回收过程中，蒸发设备接冷凝装置和储罐回收蒸馏水。
(6)用步骤(5)回收的蒸馏水洗涤步骤(4)得到的氢氧化铝，获得高纯氢氧化铝，进一步煅烧后得到氧化铝产品。
实施例4：
(1)将流化床粉煤灰与NaOH固体按1∶0.5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550℃温度条件下焙烧60分钟，得到焙烧熟料。焙烧熟料等分为质量相同的若干等份备用；
(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∶10，在10℃温度条件下浸取60分钟。浸取后过滤，分别得到滤渣和滤液。经测定，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，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。
(4)循环浸取至第8份焙烧熟料之后，循环滤液见Al(OH)3析出，停止循环浸取并加热该滤液至温度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，物料中78％的氧化铝已被提取出来。
(5)将步骤(4)所得的过饱和NaOH循环滤液负压蒸发结晶并烘干，回收到NaOH。NaOH循环滤液蒸发回收过程中，蒸发设备接冷凝装置和储罐回收蒸馏水。
(6)用步骤(5)回收的蒸馏水洗涤步骤(4)得到的氢氧化铝，获得高纯氢氧化铝，进一步煅烧后得到氧化铝产品。
实施例2：
(1)、将流化床煤粉炉粉煤灰与NaOH固体按1∶3.0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1000℃温度条件下焙烧10分钟，得到焙烧熟料。焙烧熟料等分为质量相同的若干等份备用；
(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100℃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，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。
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，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。
(4)循环浸取至第20份焙烧熟料之后，循环滤液见Al(OH)3析出后停止循环浸取，并将循环滤液加热至温度100℃保持30分钟，过滤后分别得到氢氧化铝和循环滤液。所得循环滤液继续被用于步骤(3)的循环浸取，浸取条件不变。经分析计算，物料中约85％的氧化铝已被提取出来。
(5)、将步骤(4)所得的过饱和NaOH循环滤液负压蒸发结晶并烘干，回收到NaOH。NaOH循环滤液蒸发回收过程中，蒸发设备接冷凝装置和储罐回收蒸馏水。
(6)用步骤(5)回收的蒸馏水洗涤步骤(4)得到的氢氧化铝，获得高纯氢氧化铝，进一步煅烧后得到氧化铝产品。
实施例3：
(1)、将流化床粉煤灰与NaOH固体按1∶2.8的比例混合并研磨成200目的混合物料。
(2)、将步骤(1)获得的混合物料在550℃温度条件下焙烧40分钟，得到焙烧熟料。焙烧熟料等分为质量相同的若干等份备用；
(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∶60，在65℃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，氧化铝浸取率73％，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，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。
(4)循环浸取至第18份焙烧熟料之后，循环滤液见Al(OH)3析出后停止循环浸取，并将该滤液加热至温度60℃保持70分钟，过滤后分别得到氢氧化铝和循环滤液。经分析计算，物料中约79％的氧化铝已被提取出来。
(5)、将步骤(4)所得的过饱和NaOH循环滤液负压蒸发结晶并烘干，回收到NaOH。NaOH循环滤液蒸发回收过程中，蒸发设备接冷凝装置和储罐回收蒸馏水。
(6)用步骤(5)回收的蒸馏水洗涤步骤(4)得到的氢氧化铝，获得高纯氢氧化铝，进一步煅烧后得到氧化铝产品。
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)
1.一种利用粉煤灰生产氧化铝的方法，其特征在于，包括下列步骤：
(1)混合研磨：按照质量百分比，将粉煤灰与烧碱NaOH固体按照质量百分比1∶0.5-1∶3.0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520℃-1000℃温度条件下焙烧10分钟-60分钟，得到焙烧熟料；
(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：固液质量比1∶10-1∶120、浸取温度10℃-100℃、浸取时间5分钟-60分钟；浸取后过滤，分别得到滤渣和滤液；所得滤液可被循环用于对步骤(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分钟后进行过滤，分别得到氢氧化铝和循环滤液；所得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)NaOH及水回收：当步骤(4)循环滤液中NaOH过饱和后，对滤液负压蒸发结晶并烘干，回收NaOH，并直接用于步骤(1)；蒸发设备接冷凝装置和储罐回收蒸馏水，并可用于氢氧化铝洗涤或步骤(3)的浸取；
(6)洗涤与煅烧：用步骤(5)回收的蒸馏水洗涤步骤(4)得到的氢氧化铝，获得高纯氢氧化铝，进一步煅烧得到高纯氧化铝产品。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(1)的混合研磨条件：将粉煤灰与NaOH按1∶0.5-1∶4的比例混合并研磨至150目-250目。
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)获得的混合物料，在520℃-1000℃温度条件下焙烧10分钟-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：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∶10-1∶120、浸取温度10℃-100℃、浸取时间5分钟-60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：所述步骤(4)沉淀过滤获取氧化铝的方法与条件：当步骤(3)中循环滤液中见白色沉淀析出后，循环滤液加热至温度60℃-100℃、保温30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，所述步骤(5)的NaOH及水回收方法：循环滤液中NaOH过饱和后，对滤液负压蒸发结晶并烘干，即可回收NaOH，蒸发设备接冷凝装置和储罐回收蒸馏水。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述粉煤灰包括煤粉炉粉煤灰、流化床粉煤灰和其他各种类型的粉煤灰。
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