CN110540223A - 一种同时从粉煤灰和赤泥两种含铝废渣中提取氧化铝的方法 - Google Patents

一种同时从粉煤灰和赤泥两种含铝废渣中提取氧化铝的方法 Download PDF

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卫国强
杨彬彬
陶亚男
段东红
张忠林
刘世斌
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    • C01F7/32—Thermal decomposition of sulfates including complex sulfates, e.g. alums

Abstract

一种同时从粉煤灰和赤泥两种含铝废渣中提取氧化铝的方法，属于固体废弃物综合利用技术领域，可解决粉煤灰和赤泥的再利用难度大，成本高的问题，本发明利用赤泥提高粉煤灰中的铝硅比，将脱硫石膏或硫酸钙与粉煤灰和赤泥混合煅烧，活化粉煤灰，提高氧化铝的提取率，同时煅烧释放出来的三氧化硫和二氧化硫可回收制备硫酸，用于后续酸浸工艺，同时在硫酸铝除杂过程可回收硫酸钙实现活化剂的循环使用，该发明不仅能够同时处理三种固废，同时还可以降低提取成本。

Description

一种同时从粉煤灰和赤泥两种含铝废渣中提取氧化铝的方法
技术领域
本发明属于固体废弃物综合利用技术领域，具体涉及一种同时从粉煤灰和赤泥两种含铝废渣中提取氧化铝的方法。
背景技术
随着铝材需求的不断激增，我国铝行业发展迅速，铝土矿开采量大幅度增加。到2015年中国铝土矿产量达到6000万吨，成为全球最大的氧化铝生产国，致使我国铝土矿资源面临日益枯竭的危机。
粉煤灰是煤粉在锅炉燃烧后，烟气排出的过程中在锅炉尾部经除尘器收集下来的固体颗粒。燃煤电厂排放出来的粉煤灰被运输到灰场作堆存处理，一部分被利用，余下部分则累计堆存。其中，山西、内蒙古等地区综合利用率低，目前累计堆存上亿吨，因缺乏科学有效的处置防护措施，已经造成了严重的环境污染和生态破坏。
赤泥是制铝工业从铝土矿中生产氧化铝过程中产生的一种工业固体废物。目前，从铝土矿中每生产1吨氧化铝就会产生1.0～2.0吨的赤泥，利用难度大。赤泥的累积堆存在占用了大量土地资源的同时，对生态环境也构成了潜在的威胁。
目前，我国工业副产石膏主要包括磷石膏、脱硫石膏、钛石膏、氟石膏、盐石膏等，其中脱硫石膏和磷石膏是我国最主要的工业副产石膏。据《中国工业副产石膏市场深度调研与预测报告（2018版）》显示：目前我国工业副产石膏产生量约1.18亿吨，综合利用率仅为38%。其中，脱硫石膏约4300万吨，综合利用率约56%；磷石膏约5000万吨，综合利用率约20%。目前工业副产石膏累积堆存量已超过3亿吨，其中，脱硫石膏5000万吨以上，磷石膏2亿吨以上。工业副产石膏大量堆存，既占用土地，又浪费资源，含有的酸性及其他有害物质容易对周边环境造成污染，已经成为制约我国燃煤机组烟气脱硫和磷肥企业可持续发展的重要因素。
粉煤灰的主要成分是氧化铝和二氧化硅，两者的质量分数在80 %左右，有些地区可以达到90 %。赤泥主要成分为Al2O3、Fe2O3、SiO2、Na2O、CaO等，其各组分含量因铝土矿的产地和溶出氧化铝方式的不同。目前，从粉煤灰中提取氧化铝可概括为四种，酸法，碱法，酸碱联合法，铵法。酸法提取氧化铝工艺流程简单，能耗低，且酸可回收循环使用，但酸性体系腐蚀性强，对设备要求高，投资大。石灰石烧结法原料廉价，成本低，但其反应温度高，导致能耗较高。另外，会产生大量的硅钙渣，大约每生产1 t氧化铝就会产生8-9 t的硅钙渣，又会形成新的固废处理问题。碱石灰烧结法提取氧化铝相比于石灰石烧结法的能耗有所降低，产生的渣量也相对减少，但总体上仍然避免不了烧结法能耗高和渣量多的问题，且该法反应复杂，工艺条件不好控制。另外，通过“预脱硅”处理虽然提高了烧结效率、减少了渣量，但该过程中会造成铝损失，生产过程中形成的碱性渣难以处理。酸碱联合法尽管氧化铝提取率高，但方法复杂，酸碱消耗量大，且酸碱中和后酸碱不能回收利用。硫酸铵烧结法方法简单，反应温度低，但焙烧副反应多，原料消耗大，整个过程处于氨性体系，会产生大量的废气，若有泄漏将会严重污染环境。这些方法均难度大，成本高。
发明内容
本发明针对粉煤灰和赤泥的再利用难度大，成本高的问题，提供一种同时从粉煤灰和赤泥两种含铝废渣中提取氧化铝的方法。该方法可以同时处理三种固废，氧化铝提取率高，成本低，活化剂可循环利用。
本发明采用如下技术方案：
一种同时从粉煤灰和赤泥两种含铝废渣中提取氧化铝的方法，包括如下步骤：
第一步，将粉煤灰、赤泥和脱硫石膏或硫酸钙按比例混合，研磨均匀得到混合物料，使得混合物料中铝硅质量比为0.8-1.3:1，钙铝摩尔比为0.5-1.6:1；
第二步，将混合物料置于管式炉中，于800-1400℃下煅烧10-150min，得到熟料，并回收气体制备硫酸，用于后续浸取过程；
第三步，将熟料研磨，用硫酸浸取，其中，硫酸浓度为0.5-5mol/L，液固比5-40ml/g，浸取温度为60-95℃，时间为10-120min；
第四步，浸取完成后，进行固液分离，分离得到的滤渣洗涤四次，收集硫酸铝粗液的滤液；
第五步，将硫酸铝粗液进行精制除杂：
（1）除钙：将硫酸铝粗液进行浓缩结晶，过滤回收硫酸钙沉淀，实现活化剂的循环利用；
（2）除铁：向将除钙后的溶液中加入过氧化氢将Fe2+氧化成Fe3+，调节溶液pH，使其保持在2.8-3.2之间，使Fe3+沉淀，过滤除去Fe(OH)3沉淀，得到精制滤液；
第六步，对精制滤液进行浓缩结晶，保持浓缩温度为110-120℃，滤液表面出现白色薄膜时停止加热，自然冷却后，固液分离，80℃下干燥12h，得到硫酸铝晶体；
第七步，将硫酸铝晶体在780-850℃下煅烧4-6h，完全分解得到氧化铝和三氧化硫，三氧化硫回收制备硫酸，实现循环利用。
进一步地，第一步中所述混合物料中铝硅质量比为0.8-1.2:1，钙铝摩尔比为0.8-1.5:1。
进一步地，第二步中所述煅烧温度为1000-1300℃，煅烧时间为30-120min。
进一步地，第三步中所述硫酸浓度为1-4mol/L，液固比为15-35ml/g，浸取温度为70-95℃，时间为15-90min。
本发明的原理如下：
。
本发明的有益效果如下：
本发明利用赤泥中铝硅比大于1的特点，提高粉煤灰的铝硅比，降低提取氧化铝的难度，同时还能将赤泥中的氧化铝提取出来，达到同时处理两种固废的目的；选用脱硫石膏或硫酸钙为活化剂，焙烧活化粉煤灰和赤泥，气体回收可用于后续的硫酸浸出过程；硫酸为溶剂，将铝提取到溶液中，硫酸铝粗液除杂过程可将硫酸钙回收；除杂后的溶液浓缩结晶得到硫酸铝晶体，经高温煅烧得到氧化铝产品。该方法可实现粉煤灰中氧化铝的高效提取以及通过粉煤灰、赤泥和脱硫石膏（硫酸钙）的三者协同作用，回收硫酸钙，实现活化剂的循环使用，达到以废治废的目的，是一种经济、绿色、高效的固废处理方法。
附图说明
图1为本发明使用硫酸钙从粉煤灰和赤泥中提取氧化铝的流程图；
图2为本发明使用脱硫石膏从粉煤灰和赤泥中提取氧化铝的流程图；
图3为粉煤灰、赤泥及活化后的XRD对比图，其中，1-Mullite；2-SiO2；3-Ca3Al2（SiO4）（OH）8；4-Na6Ca2Al6Si6O24（CO3）2·2H2O；5-Fe2O3；6-Na6Ca2Al6Si6O24（SO4）2；7-CaAl2Si2O8；8-SiO2；9-Al2O3。
具体实施方式
实施例1
本实施例，粉煤灰中氧化铝含量为32.94%，二氧化硅含量为40.91%，赤泥中氧化铝含量为24.20%，二氧化硅含量为17.60%，具体工艺如下：
（1）配料：将粉煤灰、赤泥和硫酸钙按一定比例混合研磨均匀，使铝硅质量比为1:1，钙铝摩尔比为1.3:1；
（2）煅烧活化：将混合物料于1000℃下煅烧120min；
（3）酸浸：将煅烧后的熟料研磨后经1mol/L的硫酸浸出，温度90℃下浸出30min，固液分离得到硫酸铝粗液，氧化铝的浸出率为92.30%；
（4）除钙：对滤液进行浓缩结晶，析出硫酸钙晶体，过滤后对沉淀干燥回收处理；
（5）除铁：溶液中加入15%过氧化氢将Fe2+氧化成Fe3+，调节溶液pH使其保持在3左右，静置使Fe3+沉淀，过滤除去Fe(OH)3沉淀；
（6）浓缩结晶：对除杂后的精制硫酸铝溶液浓缩结晶，保持浓缩温度为110℃，滤液表面有白色薄膜出现时停止加热，自然冷却后，固液分离后，80℃下干燥24 h得到硫酸铝晶体。
（7）氧化铝制备：取一定量的精制硫酸铝晶体置于管式炉中，升温至350℃恒温60min除掉结晶水，继续升温到850℃恒温焙烧120min，得到氧化铝产品，称重，计算得出氧化铝产率为85.15%。
实施例2
本实施例，粉煤灰中氧化铝含量为35.69%，二氧化硅含量为43.09%，赤泥中氧化铝含量为21.26%，二氧化硅含量为16.60%，具体工艺如下：
（1）配料：将粉煤灰、赤泥和硫酸钙按一定比例混合研磨均匀，使铝硅质量比为1.2:1，钙铝摩尔比为1:1；
（2）煅烧活化：将混合物料于1200℃下煅烧150min；
（3）酸浸：将煅烧后的熟料研磨后经1mol/L的硫酸浸出，温度90℃下浸出60min，固液分离得到硫酸铝粗液，氧化铝的浸出率为90.30%；
（4）除钙：对滤液进行浓缩结晶，析出硫酸钙晶体，过滤后对沉淀干燥回收处理；
（5）除铁：溶液中加入15%过氧化氢将Fe2+氧化成Fe3+，调节溶液pH使其保持在3左右，静置使Fe3+沉淀，过滤除去Fe(OH)3沉淀；
（6）浓缩结晶：对除杂后的精制硫酸铝溶液浓缩结晶，保持浓缩温度为110℃，滤液表面有白色薄膜出现时停止加热，自然冷却后，固液分离后，80℃下干燥24 h得到硫酸铝晶体。
（7）氧化铝制备：取一定量的精制硫酸铝晶体置于管式炉中，升温至350℃恒温60min除掉结晶水，继续升温到820℃恒温焙烧150min，得到氧化铝产品，称重，计算得出氧化铝产率为82.19%。
实施例3
本实施例，粉煤灰中氧化铝含量为38.04%，二氧化硅含量为42.91%，赤泥中氧化铝含量为25.90%，二氧化硅含量为19.68%，具体工艺如下：
（1）配料：将粉煤灰、赤泥和硫酸钙按一定比例混合研磨均匀，使铝硅质量比为1.3:1，钙铝摩尔比为1.4:1；
（2）煅烧活化：将混合物料于1200℃下煅烧120min；
（3）酸浸：将煅烧后的熟料研磨后经2mol/L的硫酸浸出，温度90℃下浸出30min，固液分离得到硫酸铝粗液，氧化铝的浸出率为96.30%；
（4）除钙：对滤液进行浓缩结晶，析出硫酸钙晶体，过滤后对沉淀干燥回收处理；
（5）除铁：溶液中加入30%过氧化氢将Fe2+氧化成Fe3+，调节溶液pH使其保持在3左右，静置使Fe3+沉淀，过滤除去Fe(OH)3沉淀；
（6）浓缩结晶：对除杂后的精制硫酸铝溶液浓缩结晶，保持浓缩温度为110℃，滤液表面有白色薄膜出现时停止加热，自然冷却后，固液分离后，80℃下干燥24 h得到硫酸铝晶体。
（7）氧化铝制备：取一定量的精制硫酸铝晶体置于管式炉中，升温至350℃恒温60min除掉结晶水，继续升温到820℃恒温焙烧120min，得到氧化铝产品，称重，计算得出氧化铝产率为87.15%。
实施例4
本实施例，粉煤灰中氧化铝含量为33.46%，二氧化硅含量为41.61%，赤泥中氧化铝含量为27.90%，二氧化硅含量为20.38%，具体工艺如下：
（1）配料：将粉煤灰、赤泥和硫酸钙按一定比例混合研磨均匀，使铝硅质量比为1.3:1，钙铝摩尔比为1.5:1；
（2）煅烧活化：将混合物料于1300℃下煅烧120min；
（3）酸浸：将煅烧后的熟料研磨后经5mol/L的硫酸浸出，温度90℃下浸出90min，固液分离得到硫酸铝粗液，氧化铝的浸出率为96.92%；
（4）除钙：对滤液进行浓缩结晶，析出硫酸钙晶体，过滤后对沉淀干燥回收处理；
（5）除铁：溶液中加入50%过氧化氢将Fe2+氧化成Fe3+，调节溶液pH使其保持在3左右，静置使Fe3+沉淀，过滤除去Fe(OH)3沉淀；
（6）浓缩结晶：对除杂后的精制硫酸铝溶液浓缩结晶，保持浓缩温度为110℃，滤液表面有白色薄膜出现时停止加热，自然冷却后，固液分离后，80℃下干燥24 h得到硫酸铝晶体。
（7）氧化铝制备：取一定量的精制硫酸铝晶体置于管式炉中，升温至350℃恒温120min除掉结晶水，继续升温到860℃恒温焙烧180min，得到氧化铝产品，称重，计算得出氧化铝产率为90.15%。
实施例5
本实施例，粉煤灰中氧化铝含量为32.94%，二氧化硅含量为40.91%，赤泥中氧化铝含量为24.20%，二氧化硅含量为17.60%，脱硫石膏中硫酸钙含量为80.86%，具体工艺如下：
（1）配料：将粉煤灰、赤泥和脱硫石膏按一定比例混合研磨均匀，使铝硅质量比为1.2:1，钙铝摩尔比为1.3:1；
（2）煅烧活化：将混合物料于1000℃下煅烧120min；
（3）酸浸：将煅烧后的熟料研磨后经1mol/L的硫酸浸出，温度90℃下浸出30min，固液分离得到硫酸铝粗液，氧化铝的浸出率为91.20%；
（4）除钙：对滤液进行浓缩结晶，析出硫酸钙晶体，过滤后对沉淀干燥回收处理；
（5）除铁：溶液中加入15%过氧化氢将Fe2+氧化成Fe3+，调节溶液pH使其保持在3左右，静置使Fe3+沉淀，过滤除去Fe(OH)3沉淀；
（6）浓缩结晶：对除杂后的精制硫酸铝溶液浓缩结晶，保持浓缩温度为110℃，滤液表面有白色薄膜出现时停止加热，自然冷却后，固液分离后，80℃下干燥24 h得到硫酸铝晶体。
（7）氧化铝制备：取一定量的精制硫酸铝晶体置于管式炉中，升温至350℃恒温60min除掉结晶水，继续升温到850℃恒温焙烧120min，得到氧化铝产品，称重，计算得出氧化铝产率为84.46%。
实施例6
本实施例，粉煤灰中氧化铝含量为35.69%，二氧化硅含量为43.09%，赤泥中氧化铝含量为21.26%，二氧化硅含量为16.60%，脱硫石膏中硫酸钙含量为84.26%具体工艺如下：
（1）配料：将粉煤灰、赤泥和脱硫石膏按一定比例混合研磨均匀，使铝硅质量比为1.2:1，钙铝摩尔比为1:1；
（2）煅烧活化：将混合物料于1200℃下煅烧150min；
（3）酸浸：将煅烧后的熟料研磨后经1mol/L的硫酸浸出，温度90℃下浸出60min，固液分离得到硫酸铝粗液，氧化铝的浸出率为87.50%；
（4）除钙：对滤液进行浓缩结晶，析出硫酸钙晶体，过滤后对沉淀干燥回收处理；
（5）除铁：溶液中加入30%过氧化氢将Fe2+氧化成Fe3+，调节溶液pH使其保持在3左右，静置使Fe3+沉淀，过滤除去Fe(OH)3沉淀；
（6）浓缩结晶：对除杂后的精制硫酸铝溶液浓缩结晶，保持浓缩温度为110℃，滤液表面有白色薄膜出现时停止加热，自然冷却后，固液分离后，80℃下干燥24 h得到硫酸铝晶体。
（7）氧化铝制备：取一定量的精制硫酸铝晶体置于管式炉中，升温至350℃恒温60min除掉结晶水，继续升温到820℃恒温焙烧150min，得到氧化铝产品，称重，计算得出氧化铝产率为81.59%。
实施例7
本实施例，粉煤灰中氧化铝含量为38.04%，二氧化硅含量为42.91%，赤泥中氧化铝含量为25.90%，二氧化硅含量为19.68%，脱硫石膏中硫酸钙含量为89.36%具体工艺如下：
（1）配料：将粉煤灰、赤泥和脱硫石膏按一定比例混合研磨均匀，使铝硅质量比为1.3:1，钙铝摩尔比为1.4:1；
（2）煅烧活化：将混合物料于1200℃下煅烧120min；
（3）酸浸：将煅烧后的熟料研磨后经2mol/L的硫酸浸出，温度90℃下浸出30min，固液分离得到硫酸铝粗液，氧化铝的浸出率为95.36%；
（4）除钙：对滤液进行浓缩结晶，析出脱硫石膏晶体，过滤后对沉淀干燥回收处理；
（5）除铁：溶液中加入30%过氧化氢将Fe2+氧化成Fe3+，调节溶液pH使其保持在3左右，静置使Fe3+沉淀，过滤除去Fe(OH)3沉淀；
（6）浓缩结晶：对除杂后的精制硫酸铝溶液浓缩结晶，保持浓缩温度为110℃，滤液表面有白色薄膜出现时停止加热，自然冷却后，固液分离后，80℃下干燥24 h得到硫酸铝晶体。
（7）氧化铝制备：取一定量的精制硫酸铝晶体置于管式炉中，升温至350℃恒温60min除掉结晶水，继续升温到820℃恒温焙烧120min，得到氧化铝产品，称重，计算得出氧化铝产率为85.85%。
实施例8
本实施例，粉煤灰中氧化铝含量为33.46%，二氧化硅含量为41.61%，赤泥中氧化铝含量为27.90%，二氧化硅含量为20.38%，脱硫石膏中硫酸钙含量为90.80%具体工艺如下：
（1）配料：将粉煤灰、赤泥和脱硫石膏按一定比例混合研磨均匀，使铝硅质量比为1.3:1，钙铝摩尔比为1.5:1；
（2）煅烧活化：将混合物料于1300℃下煅烧120min；
（3）酸浸：将煅烧后的熟料研磨后经5mol/L的硫酸浸出，温度90℃下浸出90min，固液分离得到硫酸铝粗液，氧化铝的浸出率为95.72%；
（4）除钙：对滤液进行浓缩结晶，析出脱硫石膏晶体，过滤后对沉淀干燥回收处理；
（5）除铁：溶液中加入50%过氧化氢将Fe2+氧化成Fe3+，调节溶液pH使其保持在3左右，静置使Fe3+沉淀，过滤除去Fe(OH)3沉淀；
（6）浓缩结晶：对除杂后的精制硫酸铝溶液浓缩结晶，保持浓缩温度为110℃，滤液表面有白色薄膜出现时停止加热，自然冷却后，固液分离后，80℃下干燥24 h得到硫酸铝晶体。
（7）氧化铝制备：取一定量的精制硫酸铝晶体置于管式炉中，升温至350℃恒温120min除掉结晶水，继续升温到860℃恒温焙烧180min，得到氧化铝产品，称重，计算得出氧化铝产率为88.75%。

Claims (4)

1.一种同时从粉煤灰和赤泥两种含铝废渣中提取氧化铝的方法，其特征在于：包括如下步骤：
第一步，将粉煤灰、赤泥和脱硫石膏或硫酸钙按比例混合，研磨均匀得到混合物料，使得混合物料中铝硅质量比为0.8-1.3:1，钙铝摩尔比为0.5-1.6:1；
第二步，将混合物料置于管式炉中，于800-1400℃下煅烧10-150min，得到熟料，并回收气体制备硫酸，用于后续浸取过程；
第三步，将熟料研磨，用硫酸浸取，其中，硫酸浓度为0.5-5mol/L，液固比5-40ml/g，浸取温度为60-95℃，时间为10-120min；
第四步，浸取完成后，进行固液分离，分离得到的滤渣洗涤四次，收集硫酸铝粗液的滤液；
第五步，将硫酸铝粗液进行精制除杂：
（1）除钙：将硫酸铝粗液进行浓缩结晶，过滤回收硫酸钙沉淀，实现活化剂的循环利用；
（2）除铁：向将除钙后的溶液中加入过氧化氢将Fe2+氧化成Fe3+，调节溶液pH，使其保持在2.8-3.2之间，使Fe3+沉淀，过滤除去Fe(OH)3沉淀，得到精制滤液；
第六步，对精制滤液进行浓缩结晶，保持浓缩温度为110-120℃，滤液表面出现白色薄膜时停止加热，自然冷却后，固液分离，80℃下干燥12h，得到硫酸铝晶体；
第七步，将硫酸铝晶体在780-850℃下煅烧4-6h，完全分解得到氧化铝和三氧化硫，三氧化硫回收制备硫酸，实现循环利用。
2.根据权利要求1所述的一种同时从粉煤灰和赤泥两种含铝废渣中提取氧化铝的方法，其特征在于：第一步中所述混合物料中铝硅质量比为0.8-1.2:1，钙铝摩尔比为0.8-1.5:1。
3.根据权利要求1所述的一种同时从粉煤灰和赤泥两种含铝废渣中提取氧化铝的方法，其特征在于：第二步中所述煅烧温度为1000-1300℃，煅烧时间为30-120min。
4.根据权利要求1所述的一种同时从粉煤灰和赤泥两种含铝废渣中提取氧化铝的方法，其特征在于：第三步中所述硫酸浓度为1-4mol/L，液固比为15-35ml/g，浸取温度为70-95℃，时间为15-90min。
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