CN102689915A

CN102689915A - 一种从粉煤灰生产高纯氧化铝并联产硅酸盐的工艺方法

Info

Publication number: CN102689915A
Application number: CN2012101855949A
Authority: CN
Inventors: 王毅; 梁振凯; 徐辉; 孟京美
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2012-06-06
Filing date: 2012-06-06
Publication date: 2012-09-26

Abstract

本发明公开了属于粉煤灰资源化利用技术领域的一种从粉煤灰生产高纯氧化铝并联产硅酸盐的工艺方法。本发明所指粉煤灰，包含高放射性粉煤灰。本发明回收粉煤灰中的氧化铝、大部分氧化硅、以及高放射性粉煤灰中的铀、钍等元素，从而实现工业废物的大幅减量化、无害化与资源化。本发明产生的尾渣量不到原粉煤灰重量的25%，且所生产的氧化铝和硅酸盐纯度高。本发明的使用范围涵盖所有类型的粉煤灰，包括高放射性粉煤灰。本发明的工艺流程很容易工业化。

Description

一种从粉煤灰生产高纯氧化铝并联产硅酸盐的工艺方法

技术领域

本发明公开了属于粉煤灰资源化利用技术领域的一种从粉煤灰生产高纯氧化铝并联产硅酸盐的工艺方法。

背景技术

粉煤灰是粉煤燃烧后在烟气中收集下来的细灰，主要成分为硅铝酸盐，其中三氧化二铝和二氧化硅的含量占其重量的75%~90%，因此是较大的硅和铝的来源。2010年我国全年粉煤灰产生量约5亿吨，按30%的含量计算，该年我国所产生的粉煤灰中氧化铝含量约为1.5亿吨。而2010年我国氧化铝的总产量才2994万吨，全世界（包括我国）总产量才8628万吨。此外，某些来源的粉煤灰含有较高浓度的氧化铁以及镓、锗等稀散、稀缺金属元素，我国西南地区的坑口电厂以及浙江的某些石煤电厂产生的粉煤灰中还含有较高浓度的铀或钍。虽然我国很多地区将粉煤灰用于建材，但目前粉煤灰的总堆积存量已达到数十亿吨，放射性超标的粉煤灰目前还没有消耗的途径。存留的粉煤灰污染空气、水体与土壤，是对环境的巨大威胁；此外，放射性粉煤灰中的放射性元素，也是居民健康的隐患。

总的说来，一方面，由于产生量大，粉煤灰成为我国大宗工业废物的最大单一来源；另一方面，粉煤灰中资源丰富，目前处置粉煤灰的方式是一种严重的资源浪费，因为根据粉煤灰的组成不同，可以用来制取白炭黑、氧化铝、铁矿粉、镓、锗等产品，形成新的循环经济产业链，其中最重要的产品是氧化铝。但粉煤灰中的氧化铝以莫来石及刚玉等矿相存在，难以回收。放射性粉煤灰所含的铀等是重要的能源和国防战略资源。我国能源需求日益旺盛，铀的缺乏对核能高速发展的制约，已经开始显现出来，因此回收放射性粉煤灰中的铀等战略元素，对我国核能发展具有重要的战略意义。

目前公开的粉煤灰资源化利用技术，基本上可以总结为以下几类：(1). 石灰石烧结法：即用石灰石为添加剂，和粉煤灰一起焙烧，然后用水或者氢氧化钠溶液将氧化铝浸出，例如中国专利CN201110287177.0（公开日期2012-02-15）；(2). 碱石灰烧结法：即同时用石灰石和碳酸钠为添加剂，和粉煤灰一起焙烧，然后用水或者氢氧化钠溶液将氧化铝浸出，例如中国专利CN201010573688.4（公开日期2011-03-30）；(3) 两步碱溶法：即先在较低温度下用氢氧化钠溶液脱去一部分硅，然后在高温下用浓氢氧化钠溶液溶出氧化铝，如中国专利CN101966999A（公开日期2011-02-09）；(4) 预脱硅-碱石灰烧结法，即先用氢氧化钠溶液于100～140oC预脱硅，然后用碳酸钠-石灰石烧结，用水溶出氧化铝，如中国专利CN101284668（公开日期2008-10-15）；(5) 硫酸铵法，即用硫酸铵为焙烧添加剂，然后用水溶出铝；(6). 酸浸法：将粉煤灰用机械法等作一定的处理，用硫酸或者盐酸在高温高压等条件下直接浸出三氧化二铝，例如中国专利CN102101689A（公开日期2011-06-22）、中国专利CN102101686A（公开日期2011-06-22）。

目前已公开的方法有各自的优势，但也存在各自不同的问题。如石灰石烧结法和碱石灰烧结法都存在大幅度增加固体废物量的缺陷，石灰石烧结法和碱石灰烧结法每生产1吨氧化铝（约消耗2.5高铝粉煤灰），产生约9吨废渣，预脱硅-碱石灰烧结法产生约4吨的废渣；此外，都存在焙烧温度高，能耗高等缺点。

粉煤灰中氧化铝的主要存在矿相是莫来石和刚玉。两者都是在酸或者碱性条件下比较稳定的物质。单纯的机械活化的方法很难改变其矿相，因此公开的酸法对氧化铝的浸出率都比较低。此外，公开的酸法方法大多使用高温高压，在此类条件下操作浓酸或者浓碱会有很大的危险性，对容器的要求也很高。

其它方法，虽然有固体废渣相对较少的优点，但都只针对粉煤灰中的铝，而把其它有用资源都弃之不顾，形成了严重的资源浪费，也抬高了综合运行成本。

综上所述，现在已经公开的、资源化利用粉煤灰的专利技术，都存在各自的缺点，如能耗高、操作条件苛刻，流程复杂，综合成本高等问题，而且都存在尾渣的处理和二次污染等问题，此外，皆不适用于含铀、钍的高放射性粉煤灰。

发明内容

本发明的目的在于提供一种从粉煤灰生产高纯氧化铝并联产硅酸盐的工艺方法

一种从粉煤灰生产高纯氧化铝并联产硅酸盐的工艺方法，包括步骤如下：

（1）焙烧：将粉煤灰和硫酸铵球磨至100目以下，混合均匀，用混合物质量的0～20%水调制成浆；浆料于200～500°C焙烧1～6小时，冷却至室温；

（2）浸取：用水或者稀硫酸浸取焙烧后的熟料，搅拌下浸出氧化铝，浸出时间为30分钟～2小时，浸出温度为50～100°C；过滤，余渣用50～100°C的水洗涤1~2次，洗涤后的水过滤后和浸出滤液合并，合并后为浸出母液；

（3）浓缩和结晶：浸出母液在加热条件下浓缩，然后将温度降低至0～20°C结晶，得到硫酸铝铵晶体，所得硫酸铝铵晶体经过1～2次重结晶，进一步纯化；得到的硫酸铝铵晶体在10～60°C下空气干燥；浸出母液浓缩后，回用于焙烧浆料配制或者熟料浸出；

（4）生产氧化铝：硫酸铝铵晶体在200～900oC区间分段加热，经过脱水、脱氨和脱硫，最后得到氧化铝；反应过程中生成的氨气和三氧化硫，用水吸收后又生成硫酸铵，用于焙烧浆料配制；

（5）萃取分离：用含1～5% 叔胺-煤油溶液萃取分离步骤（3）中浸出母液的铀、钍、铁或钛金属离子；分步反萃，即得到铀、钍、铁或钛的化合物；当浸出母液中铁的浓度超过1克/升时，先脱铁，然后再回用或者进一步萃取分离铀、钍或钛等金属离子；

（6）回收硅：将步骤（2）中的余渣，用质量浓度为10～35%的氢氧化钠溶液，于120～180oC下碱溶非晶态氧化硅；浸取时间1～5小时；脱硅液经碳分以后，得到的硅酸用于白炭黑制备。

步骤（1）中硫酸铵的添加量为：硫酸铵与粉煤灰中Al₂O₃的摩尔比大于或等于6。

步骤（2）中按熟料中的粉煤灰与水的质量比为1:5～80配料。

步骤（6）中余渣与氢氧化钠溶液的质量比为1：2～10。

步骤（5）只在原料为放射性粉煤灰时进行，为非放射性粉煤灰时省去。

本发明的有益效果为：(1)焙烧温度较低，在300～500°C范围内，节约能源；(2)加入焙烧添加剂时，仅从粉煤灰中氧化铝的含量就可以计算出，不需要复杂的配料调整过程；(3)熟料中的铝可以直接进入水溶液，不需要酸碱溶液，既节约了成本，又减少了危险；(4)溶出液中杂质种类和含量少；(5)氧化铝产品纯度高，容易达到冶金级水平；(6)多种产品联产，对粉煤灰中氧化铝的含量无特别要求；(7)可用于含铀、钍的放射性粉煤灰资源化；(8)尾渣量少，不到原灰的25%，达到固体废物大幅度减量的目的。

附图说明

图1 为粉煤灰资源化利用工艺流程图。

具体实施方式

实施例一：从高铝粉煤灰中回收氧化铝和氧化硅

来自内蒙一处火电厂的高铝粉煤灰，其化学组成如表1所示。

表1 高铝粉煤灰化学组成

成分	Al₂O₃	SiO₂	总氧化铁	TiO₂	CaO	烧失重
							含量 (%)	48.45	40.55	1.92	1.54	3.64	1.31

根据工艺流程图1所示，取碾磨至-100目的高铝粉煤灰12.00克，加入碾磨至-100目的硫酸铵46.00克（(NH₄)₂SO₄与粉煤灰中Al₂O₃的摩尔比为6.1），混合均匀后，加入8mL水调成浆状，然后转移至一100 mL刚玉坩埚中，于450oC焙烧1小时。取出，冷却至室温后，用300 mL水于90°C浸取1小时。过滤，滤饼用200mL 90°C热水洗涤一次，洗涤液过滤后和滤液合并。在加热的条件下将浸出溶液浓缩至约200mL，然后放在4℃下冷却结晶。晶体经两次重结晶后，得到纯度很高的硫酸铝铵晶体。将其在室温用空气流干燥至恒重，称重得硫酸铝铵晶体（NH₄Al(SO₄)₂·12H₂O）45.03克。两次重结晶纯化后，粉煤灰中氧化铝回收率87.1%。通过重量法分析其中硫酸根的含量，推算出硫酸铝铵晶体的纯度为99.95%。

浸取后的余渣于100℃干燥后称重为5.94g，放置于一个100mL高压反应釜中，加入40mL 20%氢氧化钠溶液，然后在140oC搅拌1小时。冷却后取出反应混合物，过滤，滤渣用100 mL水洗涤一次，并与滤液合并，定容至250 mL。用硅钼蓝分光光度法测定其中氧化硅的浓度并推算氧化硅的浸出率为77%。

实施例二：从高铝粉煤灰中回收氧化铝和氧化硅

根据工艺流程图1所示，取球磨至-200目的实施例一中高铝粉煤灰50.00克，加入球磨至-100目的硫酸铵320.00克（(NH₄)₂SO₄与粉煤灰中Al₂O₃的摩尔比为10.2），混合均匀后，均匀地铺在一个1000mL的方形刚玉坩埚中，于420oC焙烧1.5小时。取出，冷却至室温后，用1000mL 水于煮沸状态下浸取30min。过滤。滤饼用300mL热水洗涤。洗涤液过滤后和滤液合并。在加热的条件下将浸出溶液浓缩至500mL，然后放在室温～20oC让硫酸铝铵结晶析出，而后于4oC进一步结晶。收集硫酸铝铵晶体，经两次重结晶后，得硫酸铝铵产品。将产品用40oC热风烘干至恒重，得硫酸铝铵晶体（NH₄Al(SO₄)₂·12H₂O）195.60克。计算得出粉煤灰中氧化铝回收率90.8%。通过重量法分析其中硫酸根的含量，推算出硫酸铝铵晶体的纯度为99.98%。

浸取后的余渣于100度烘干后，称重为25.17克。将干燥后的滤渣转移至一个500mL高压反应釜中，加入120mL 30%氢氧化钠溶液，然后在130oC搅拌1.5小时。冷却后取出反应混合物，过滤，滤渣用80oC热水洗涤两次（100 mL ×2）。洗涤液过滤后与溶出滤液合并，定容至500 mL。用硅钼蓝分光光度法测定其中氧化硅的浓度并推算氧化硅的浸出率为83%。

实施例三：从高铝粉煤灰中回收氧化铝和氧化硅

根据工艺流程图1所示，取100.0克碾磨至-100目的高铝粉煤灰及500.0克-100目(NH₄)₂SO₄粉末，混合均匀后，加水80 mL调成浆状，然后转移至一1000mL的方形刚玉坩埚中，均匀铺在坩埚底部，放入箱式马弗炉进行程序焙烧。焙烧程序如下：

焙烧完成后，取出并冷却至室温，用1500 mL 水于煮沸状态下浸取30min。过滤。滤饼用热水洗涤两次（500mL×2）。洗涤液过滤后和滤液合并。在加热的条件下将浸出溶液浓缩至500mL，然后放在室温～20oC让硫酸铝铵结晶析出，而后于4oC进一步结晶。收集硫酸铝铵晶体，经两次重结晶后，得硫酸铝铵产品。将产品于室温用空气风干至恒重，得硫酸铝铵晶体（NH₄Al(SO₄)₂·12H₂O）399.55克。计算得出粉煤灰中氧化铝回收率92.8%。通过重量法分析其中硫酸根的含量，推算出硫酸铝铵晶体的纯度为99.98%。

浸取后的余渣于110oC烘干后，称重为53.43克。将干燥后的滤渣转移至一个500mL高压反应釜中，加入250mL 25%氢氧化钠溶液，然后在160oC搅拌1.5小时。冷却后取出反应混合物，过滤，滤渣用沸水洗涤两次（200 mL ×2）。洗涤液过滤后与溶出滤液合并，定容至1000mL。用硅钼蓝分光光度法测定其中氧化硅的浓度并推算氧化硅的浸出率为82%。

尾渣用水多次洗涤至微碱性，于120oC烘干，称重为25.73克，和原灰比较，除渣率为25.7%。

实施例四：从常规粉煤灰中回收氧化铝

来自天津的粉煤灰，其组成如表2所示。

表2粉煤灰样品组成

成分	SiO₂	Al₂O₃	K₂O	CaO	Na₂O	TFeO	TiO₂	ZnO
									含量(%)	48.05	37.87	3.16	3.11	2.53	3.34	1.27	0.30

根据工艺流程图1所示，取球磨至-200目的天津粉煤灰50.00克，加入球磨至-200目的硫酸铵200.00克，混合均匀。然后加入35mL水调成浆状，然后转移至一1000 mL方形刚玉坩埚中，于450oC焙烧3小时。取出，冷却至室温。然后用沸水浸取3小时。过滤。滤饼用热水水洗涤两次。洗涤液过滤后和滤液合并。将浸出溶液浓缩至500mL，然后放在4℃下冷却结晶。晶体经两次重结晶后，得到硫酸铝铵产品。将其干燥至恒重，称重得硫酸铝铵晶体（NH₄Al(SO₄)₂·12H₂O）152.34克。粉煤灰中氧化铝回收率为90.5%，所得硫酸铝铵产品的纯度为99.98%。

浸取后的余渣于100℃干燥。称取10.00g浸取余渣，放置于一个100mL高压反应釜中，加入40mL 25%氢氧化钠溶液，然后在130oC搅拌3小时。取出反应混合物，过滤，滤渣用40 mL水洗涤三次，并与溶出滤液合并，定容至250 mL。用硅钼蓝分光光度法测定其中氧化硅的浓度并推算氧化硅的浸出率为74%。

实施例五：从放射性粉煤灰提取氧化铝、氧化硅和放射性元素

本实施例所用的放射性粉煤灰原灰来自西南某褐煤电厂，组成如表3所示。采用低本底alpha测量仪测得原灰中alpha放射性计数为5737 Bq/kg。

表3含铀放射性粉煤灰原灰的组成

根据工艺流程图1所示，将100.00克碾磨至-100目的放射性粉煤灰和350.00克碾磨至-100目的硫酸铵混合均匀，加80mL水调成浆，然后转移至一个1000mL方形刚玉坩埚中，于450oC焙烧2.5小时。取出，冷却至室温。用1000mL 水于90oC浸取2小时。过滤，滤液收集。滤渣用热水洗涤两次。洗涤液过滤后和浸取液合并，并浓缩至500 mL，然后放在4℃下冷却结晶。晶体经两次重结晶后，得到硫酸铝铵产品。将其干燥至恒重，称重得硫酸铝铵晶体（NH₄Al(SO₄)₂·12H₂O）243.12克。粉煤灰中氧化铝回收率为91.7%，所得硫酸铝铵产品的纯度为99.98%。

将结晶母液进一步浓缩至400mL，然后用100 mL 5%三辛胺-2%正辛醇-煤油溶液萃取。分离有机相后，用50mL×2 10% Na₂CO₃溶液进行两级反萃。水相合并，冷冻干燥后，测量其中的alpha放射性计数。计算铀回收率92%。而硫酸浸取后的滤饼样品在120°C干燥后，用低本底alpha测量仪测得其中alpha放射性计数为134 Bq/kg，仅为原灰的2%。尾渣放射性去污效果很好。

取15克浸取后的余渣，放置于一个100mL高压反应釜中，加入70 mL30% 氢氧化钠溶液，然后在160oC搅拌1.5小时。冷却后取出反应混合物，过滤，滤渣用100 mL水洗涤一次，并与滤液合并，定容至250mL。用硅钼蓝测定其中氧化硅的浓度并推算氧化硅的浸出率为83.7%。

实施例六：从硫酸铝铵产品生产高纯氧化铝

取实施例五中的硫酸铝铵60克，分别在240°C加热1小时，640°C加热1.5小时，900°C加热1.5小时。冷却后取出，得白色氧化铝产品。分析其中氧化铝和杂质含量，分别为：Al₂O₃ 99.55%，SiO₂ 0.032%，Fe₂O₃ 0.026%，Na₂O 0.27%，300°C灼减0%。产品质量指标达到冶金级AO-3级以上。

Claims

1.一种从粉煤灰生产高纯氧化铝并联产硅酸盐的工艺方法，其特征在于，包括步骤如下：

（1）焙烧：将粉煤灰和硫酸铵球磨至100目以下，混合均匀，用混合物质量的0～20%水调制成浆；浆料于300～500°C焙烧1～6小时，冷却至室温；

（4）生产氧化铝：硫酸铝铵晶体在200～900oC区间分段加热，经过脱水、脱氨和脱硫，最后得到氧化铝；反应过程中生成的氨气和三氧化硫，用水吸收后又生成硫酸铵，回用于焙烧浆料配制；

2.根据权利要求1所述的一种从粉煤灰生产高纯氧化铝并联产硅酸盐的工艺方法，其特征在于，步骤（1）中硫酸铵的添加量为：硫酸铵与粉煤灰中Al₂O₃的摩尔比大于或等于6。

3.根据权利要求1所述的一种从粉煤灰生产高纯氧化铝并联产硅酸盐的工艺方法，其特征在于，步骤（2）中按熟料中的粉煤灰与水的质量比为1:5～80配料。

4.根据权利要求1所述的一种从粉煤灰生产高纯氧化铝并联产硅酸盐的工艺方法，其特征在于，步骤（6）中余渣与氢氧化钠溶液的质量比为1：2～10。

5.根据权利要求1所述的一种从粉煤灰生产高纯氧化铝并联产硅酸盐的工艺方法，其特征在于，步骤（5）只在原料为放射性粉煤灰时进行，为非放射性粉煤灰时省去。