CN102344148B - 一种利用煤矸石酸浸渣生产高模数水玻璃的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种利用煤矸石酸浸渣生产高模数水玻璃的方法，属于煤系固体废弃物资源化利用技术领域。选用含Al2O3≤8%，SiO2≥75%的煤矸石酸浸渣为原料，按酸渣中SiO2的摩尔量配烧碱，加水调整反应液固比，在90～95℃温度和常压下，进行碱溶反应，反应结束，趁热过滤，得低模数水玻璃，在低模数水玻璃中再加入煤矸石酸浸渣，在相同操作条件下，进行提模反应，反应终了，趁热过滤，得高模数水玻璃。该方法碱溶时生产的水玻璃模数低，保证了碱溶时硅的高溶出率和滤饼良好的过滤、洗涤性能，碱溶水玻璃模数的提高用继续添加酸渣来实现，提模后的酸渣过滤后直接返回碱溶，不需洗涤。本发明反应条件温和、工艺简单、操作方便，不涉及高温、高压设备，同时解决了煤矸石制备水玻璃模数低的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用煤矸石酸浸渣生产高模数水玻璃的方法，属于煤系固体废弃物资源化利用技术领域。
背景技术
我国是一个以煤炭为主要能源的发展中国家，在一次能源消耗中，煤炭占70%以上，煤矸石是采煤过程和洗煤过程中排放的固体废物，是一种在成煤过程中与煤层伴生的一种含碳量较低、比煤坚硬的黑灰色岩石。其主要成分是Al2O3、SiO2，另外还含有数量不等的Fe2O3、CaO、MgO、Na2O、K2O、P2O5、SO3和微量稀有元素。其排放量相当于当年煤炭产量的10％左右，目前已累计堆存45亿吨，占地约12万公顷，是目前我国排放量最大的工矿业固体废弃物之一。以堆存为主的煤矸石给周边环境造成了严重的污染和埋下更大的安全隐患，高效、综合利用煤矸石已成为各级政府和企业的共识，虽然煤矸石的应用途径很多，但由于煤矸石产地都在偏远的山区，其利用深受到运输半径的制约，目前为止，最为有效的利用途径采用适当的燃烧温度，回收热量发电同时对烧渣中的有效成份进行综合利用。
水玻璃是硅酸钠的水溶液，呈粘稠状，也称泡花碱，是一种无机粘合剂，水玻璃的用途非常广泛，几乎遍及国民经济的各个部门，广泛用于制造硅胶、白炭黑、沸石分子筛及各种硅酸盐类产品，是硅化合物的基本原料，也是纺织、机械、建筑、农业等的基础工业原料。在经济发达国家，其深加工系列产品已发展到50余种，部分已应用于高、精、尖科技领域。其生产方法分干法（固相法）和湿法（液相法）两种。 干法生产是将石英砂和纯碱按一定比例混合后在反射炉中加热到1400 ℃左右，生成熔融状硅酸钠； 湿法生产是将烧碱水溶液和石英粉在高压釜内共热直接生成水玻璃，经过滤浓缩得成品水玻璃。上述两种方法一是能耗高，二是需高温高压设备，且湿法难以生产高模数水玻璃。寻求工艺简单、能耗低、操作方便的水玻璃生产技术路线是未来的发展方向。
煤矸石酸浸渣是煤矸石经煅烧回收热量、残渣酸处理提铝后的固体废弃物，是原料中Al2O3、SiO2的矿物组成结构，酸浸渣中Al2O3含量<8%，SiO2在75～85%之间。残余铝主要以长石类矿物存在，硅则以长石、α型SiO2和无定型的活性SiO2三种方式存在，无定型SiO2含量的多少，主要取决于原料煤矸石中高岭土中硅所占比例。
采用酸渣制备水玻璃，由于酸浸渣中SiO2主要以无定型物存在，反应活性好，故其工艺简单，操作条件温和，无需高温高压设备，但所制备的水玻璃模数低，使其在推广应用上受到了很大限制，如专利CN101259965 一种煤矸石制取水玻璃的方法，经沸腾炉煅烧的煤矸石，用盐酸进行酸浸，过滤分离后的酸浸渣用液体烧碱生产水玻璃，该专利的问题是所生产的水玻璃模数低。为了提高水玻璃模数，通常采用高温高压的办法，如专利 CN101993087A 一种粉煤灰制取水玻璃的方法是用酸处理粉煤灰，除去酸可溶性物质获得残渣，所得的残渣加入烧碱溶液，在一定压力和温度下反应，得硅酸钠溶液(水玻璃)，该专利的问题是需用压力设备、工艺复杂；还有的方法是用硅凝胶来提高水玻璃模数，如专利CN1030216湿法制高模数水玻璃的方法是将湿法制备的低模数水玻璃与稀硫酸反应经处理后得到一种硅酸胶冻，再将此硅酸胶冻与低模数水玻璃进行调配得到高模数水玻璃，该专利的问题是生产工艺复杂、成本高，存在二次污染。
由于煤矸石酸浸渣制备水玻璃存在着产品模数低的问题，与之相关的专利较少，主要专利集中于制备白炭黑，水玻璃仅作为中间产品，均未涉及如何提高模数的问题。
经文献检索，未见采用煤矸石酸浸渣直接生产高模数水玻璃的公开报道。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，而提供一种利用煤矸石酸渣常压下直接生产高模数水玻璃的方法，为高模数水玻璃的生产开辟新的原料资源，同时也为煤矸石综合利用提供技术保障。
本发明的技术方案是：利用煤矸石酸浸渣生产高模数水玻璃的方法总体上分两步进行，首先利用烧碱溶出煤矸石酸浸渣中的硅，此时碱过量，以保证硅的溶出率；然后把酸渣加入碱溶过滤液用以提高模数，提模后的酸渣返回碱溶；正常生产时，酸渣流向按先提模后碱溶的路线进行。具体的工艺步骤包括：
（1）选用含Al2O3≤8%，SiO2≥75%的煤矸石酸浸渣为原料，破碎粒度要求为过0.083方孔筛筛余量小于10%目；
（2）碱溶反应后水玻璃的模数，即SiO2和Na2O的摩尔比设定为2，按所需模数及酸渣中SiO2的摩尔含量称取烧碱，直接加入煤矸石酸浸渣并混合均匀，再加水调整液固重量比为3～4：1，然后在90～95℃温度和常压条件下，反应1～2h，趁热过滤，并用一洗水置换滤饼，并入滤液中；
（3）根据步骤（2）所得低模数水玻璃的总量和模数，及最终生产的高模数水玻璃的模数，配制所需的新鲜煤矸石酸浸渣量，低模数水玻璃与酸浸渣混合后，在90～95℃温度和常压条件下，进行提模反应0.5～1h，趁热过滤，即得高模数水玻璃产品。
所述步骤（2）中，低模数水玻璃的模数设为2，烧碱的用量,则根据煤矸石酸浸渣中SiO2的含量和设定低模数水玻璃模数确定。
所述步骤（2）的滤饼采用逆流洗涤，一洗液作置换液并入滤液中，二洗液变为一洗液，三洗液变为二洗液，依此类推，最后用酸浸渣干基等重量的清水洗涤。
所述步骤（3）所产生的滤渣，可作为（2）的反应原料，补加新的酸浸渣后，继续重复碱溶步骤（2），制备低模数水玻璃。
本发明中，煤矸石烧渣经酸浸后，无定型氧化铝转化为硫酸盐，硅则以长石、α型SiO2和无定型的活性SiO2三种方式存在。无定型SiO2含量的多少，取决于原料煤矸石中高岭土所占比例、组成和酸浸反应铝的浸出率。所得的无定型的氧化硅，具有良好的反应活性，与烧碱反应后以硅酸的钠盐形式溶出。碱溶过程中，由于所得水玻璃模数选择低，即碱过量，保证了硅的高溶出率。提模时，则根据所得低模数水玻璃的模数和最终水玻璃模数来确定酸渣添加量。
本发明相关反应式如下：
碱溶反应：nSiO2+2NaOH = Na2O．nSiO2+H2O；
提模反应：NaO．nSiO2＋xSiO2=NaO．ySiO2；
本发明所用的设备均为现有的公知设备。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和积极效果：
1、碱溶反应时水玻璃模数设定为2，保证了酸渣中硅的溶出率和良好的过滤性能。
2、碱溶反应滤饼采用逆流洗涤，保证了洗涤效果和硅收率。
3、提模时可根据水玻璃模数和含量确定提模用酸渣量和液固比。
4、提模反应物只需过滤，不用洗涤，生产效率高。
5、提模后的水玻璃可用作产品销售或作原料用于后继加工。
6、生产的水玻璃模数最高可达4.6，通过调整酸浸渣用量，可任意生产不同模数的工业水玻璃，满足不同行业的需要，为高模数水玻璃的生产开辟新的原料资源，同时也为煤矸石综合利用提供了技术保障。
附图说明
图1为本发明的工艺流程示意图。
具体实施方法
以下结合附图和实施例对本发明作进一步阐述，但本发明的内容不限于所述范围。
取含Al2O3≤8%，SiO2≥75%的酸渣，预先设定碱溶反应水玻璃模数，按酸渣中的SiO2含量配烧碱，加水调整液固比，然后进行碱溶反应生产低模数水玻璃，趁热过滤，过滤液再加新鲜酸浸渣进行提模反应，滤液作为产品或作原料进行后继加工，提模滤渣返回碱溶继续制备低模数水玻璃。
实施例1：取Al2O3、SiO2质量含量分别为3.67%和81.32%的酸渣作为原料。
1、第一次碱溶
设定碱溶反应为水玻璃模数为2，取酸渣2000g于10000ml的三口烧瓶中，加碱2168g，水3832g，配成液固比为3：1的溶液，将三口烧瓶放入水浴锅内，控制三口烧瓶内温度为95℃，常压下反应1h，趁热过滤，用1000ml水进行置换，并入滤液中，用9000ml水分三次洗涤滤饼。一洗液用于下次配碱，不足部分用二洗液，其余洗涤用于下次碱溶洗涤。得滤液5210ml，重量为6148g，经分析滤液水玻璃模数为2.41，SiO2含量为1351g，硅的溶出率为83.07%。
2、第一次提模
在上述1的滤液中加2500g酸渣，反应温度为90℃，反应40min后趁热过滤，得滤液4636ml，重量为5720g，滤渣折干基重2105g ，SiO2含量67.55%，经分析滤液水玻璃模数为3.53。
3、第二次碱溶
以2的滤渣为原料，设定碱溶水玻璃模数为1.8，加碱2106g，加1的洗涤液配成液固比为3：1的溶液，按在上述按1的方法操作，得滤液5345ml，重量为5880g，经分析滤液水玻璃模数为2.07，SiO2含量为1475g，硅的溶出率为83.12%。
4、第二次提模
在上述3的滤液中加2500g酸渣，反应温度为90℃，反应55min后趁热过滤，得滤5295ml，重量为6236g，滤渣折干基重2035g ，SiO2含量69.30%，经分析滤液水玻璃模数为3.36。
按上述方法依次循环，通过分析提模后煤矸石渣中SiO2含量，调整碱溶用碱量，以维持碱溶反应硅的高溶出率和提模后水玻璃模数达到所需要求。
实施例2：取Al2O3、SiO2质量含量分别为6.0%和83.7%的酸渣作为原料。
1、第一次碱溶
设定碱溶反应为水玻璃模数为2，取酸渣2000g于10000ml的三口烧瓶中，加碱2232g，水4768g，配成液固比为3.5：1的溶液，将三口烧瓶放入水浴锅内，控制三口烧瓶内温度为92℃，反应1.5h，趁热过滤，用1000ml水进行置换，并入滤液中，用9000ml水分三次洗涤。一洗液用于下次配碱，不足部分用二洗液，其余洗涤用于下次碱溶洗涤。得滤液6310ml，重量为7005g，经分析滤液水玻璃模数为2.12，SiO2含量为1410g，硅的溶出率为84.2%。
2、第一次提模
在上述1的滤液中加2500g酸渣，反应温度为95℃，反应30min后趁热过滤，得滤液5672ml，重量为6330g，滤渣折干基重2020g ，SiO2含量68.42%，经分析滤液水玻璃模数为3.52。
3、第二次碱溶
以2的滤渣为原料，设定碱溶水玻璃模数为1.8，加碱1842g，加1的洗涤液配成液固比为3.5：1的溶液，按在上述按1的方法操作，得滤液6560ml，重量为6210g，经分析滤液水玻璃模数为1.92，SiO2含量为1161g，硅的溶出率为84.0%。
4、第二次提模
在上述3的滤液中加2500g酸渣，反应温度为95℃，反应40min后趁热过滤，得滤6631ml，重量为7228g，滤渣折干基重2008g ，SiO2含量69.66%，经分析滤液水玻璃模数为3.48。
按上述方法依次循环，通过分析提模后煤矸石渣中SiO2含量，调整碱溶用碱量，以维持碱溶反应硅的高溶出率和提模后水玻璃模数达到所需要求。
实施例3：取Al2O3、SiO2质量含量分别为7.8%和75%的酸渣作为原料。
1、第一次碱溶
设定碱溶反应为水玻璃模数为2，取酸渣2000g于10000ml的三口烧瓶中，加碱2000g，水6000g，配成液固比为4：1的溶液，将三口烧瓶放入水浴锅内，控制三口烧瓶内温度为90℃，反应2.0h，趁热过滤，用1000ml水进行置换，并入滤液中，用9000ml水分三次洗涤。一洗液用于下次配碱，不足部分用二洗液，其余洗涤液用于下次碱溶洗涤。得滤液7750ml，重量为8835g，经分析滤液水玻璃模数为2.20，SiO2含量为1278g，硅的溶出率为85.2%。
2、第一次提模
在上述1的滤液中加2500g酸渣，反应温度为90℃，反应30min后趁热过滤，得滤液7008ml，重量为7330g，滤渣折干基重2020g ，SiO2含量63.45%，经分析滤液水
玻璃模数为3.46。
3、第二次碱溶
以上述2的滤渣为原料，设定碱溶水玻璃模数为1.8，加碱1733g，加上述1的全部一洗及部分二洗涤液配成液固比为4：1的溶液， 按上述1的方法操作，得滤液8460ml，重量为8510g，经分析滤液水玻璃模数为1.95，SiO2含量为1070g，硅的溶出率为83.3%。
4、第二次提模
在上述3的滤液中加2500g酸渣，反应温度为90℃，反应50min后趁热过滤，得滤8131ml，重量为8228g，滤渣折干基重2115g ，SiO2含量71.66%，经分析滤液水玻璃模数为3.48。
按上述方法依次循环，通过分析提模后煤矸石渣中SiO2含量，调整碱溶用碱量，以维持碱溶反应硅的高溶出率和提模后水玻璃模数达到所需要求。
Claims (5)
1.一种利用煤矸石酸浸渣生产高模数水玻璃的方法，其特征在于具体的工艺步骤为：
（1）选用含Al2O3和SiO2的煤矸石酸浸渣为原料，破碎粒度要求为过0.083方孔筛筛余量小于10%目；煤矸石酸浸渣中含Al2O3≤8%，SiO2≥75%；
（2）碱溶反应后水玻璃的模数，即SiO2和Na2O的摩尔比设定2，按所需模数及酸渣中SiO2的摩尔含量称取烧碱，直接加入煤矸石酸浸渣并混合均匀，再加水调整液固重量比为3～4：1，然后在90～95℃温度和常压条件下，反应1～2h，趁热过滤，并用一洗水置换滤饼，并入滤液中；
（3）在步骤（2）所得滤液中添加适量的煤矸石酸浸渣，在90～95℃温度下，进行提模反应0.5～1h，趁热过滤，得高模数水玻璃溶液产品。
2.根据权利要求1所述利用煤矸石酸浸渣生产高模数水玻璃的方法，其特征在于：所述步骤（2）中，烧碱用量是根据煤矸石酸浸渣中SiO2的摩尔含量和设定的水玻璃模数共同确定，设定值偏小，以确保碱溶反应后氧化硅的收率≥80%。
3.根据权利要求1所述利用煤矸石酸浸渣生产高模数水玻璃的方法，其特征在于：所述步骤（3）中，煤矸石酸浸渣的添加量根据步骤（2）所得水玻璃模数和量及提模后需要达到的水玻璃模数来确定。
4.根据权利要求1所述的利用煤矸石酸浸渣生产高模数水玻璃的方法，其特征在于：所述步骤（3）所产生的滤渣，可作为生产低模数水玻璃酸浸渣原料，再重复碱溶步骤（2）和提模步骤（3），继续制备高模数水玻璃。
5.根据权利要求1所述的利用煤矸石酸浸渣生产高模数水玻璃的方法，其特征在于：对所述步骤（2）的滤渣洗涤，采用逆流洗涤，一洗液作置换液并入滤液中，二洗液变为一洗液，三洗液变为二洗液，依此类推，最后用酸浸渣干基等重量的清水洗涤。
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