CN114833166A - 一种超重力消除赤泥高碱性的方法和设备 - Google Patents
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Abstract
本发明属于冶金工业废料处理技术领域，具体为一种超重力消除赤泥高碱性的方法和设备，能够将赤泥中的可溶性钠以富钠渣、NaAlSiO4相的形式实现分步分离，不再对环境生态造成危害，且此过程无需改质，实现了赤泥的无害化、资源化处理。将混有煤基还原剂的赤泥加入超重力高温反应器，通过两步保温处理和两次超重力分离，实现赤泥的分步结晶分离，最终使得赤泥的高碱性被成功消除。
Description
技术领域
本发明涉及冶金工业废料处理技术领域，具体为一种超重力消除赤泥高碱性的方法和设备。
背景技术
赤泥是拜耳法生产氧化铝中产生的废渣，其颗粒细小（粒径2-100μm），同时，赤泥中又含有大量的强碱性物质，主要是可溶性Na，赤泥中的钠元素遇水极易浸出，其浸出液的pH值高达12.1-13.0，赤泥附液的碱度高达26348mg/L，远超过公共水源中碱含量的适合范围（30-400mg/L）。因此，如不合理处置，其周遭的环境生态会遭到严重危害。并且土地资源和企业资金也会由于赤泥的大量产生与堆存而被消耗，更严重时赤泥还会对环境造成污染和破坏。但另一方面，赤泥也是一种富含有多种有价元素的二次资源，因此通过提高赤泥的综合利用率，使赤泥资源真正实现循环利用，降低赤泥处理成本，消除赤泥对环境的潜在危害，对社会、经济及环境保护等诸多方面都具有重要意义。
多年来，无数的科研工作者投身于赤泥的综合利用中，并进行了大量的跨学科、多领域的科学研究，但是遗憾的是赤泥的综合利用率依然处于一个极低的水平，而限制赤泥综合利用的主要问题是由于其高可溶性 Na 盐含量导致的赤泥高碱性的问题。赤泥的高可溶性Na含量、高碱性，会导致赤泥基建筑材料与赤泥基功能材料在使用期间出现“泛霜”现象，严重影响材料的强度与性能；同时，在使用赤泥作吸附剂或者使用湿法浸出有价金属的过程中，其可溶性Na的浸出也会导致二次污染的产生；并且赤泥在高温环境下，其可溶性Na也会出现大量挥发的情况，设备会被侵蚀，从而导致设备的使用寿命大打折扣。可以说，赤泥中高含量可溶性 Na 的存在，不仅是造成赤泥高碱性的主要原因，也是限制赤泥综合利用的主要因素。
发明内容
本发明的主要目的是提出一种超重力消除赤泥高碱性的方法和设备，以解决上述现有技术存在的问题，使赤泥实现无害化、资源化处理。
为解决上述技术问题，根据本发明的一个方面，本发明提供了如下技术方案：
一种超重力消除赤泥高碱性的方法，包括如下步骤：
S1.向赤泥中加入煤基还原剂混匀，将混有煤基还原剂的赤泥加入超重力高温反应器，控制超重力高温反应器温度为1300-1400℃，保温20-40min；通过超重力驱动实现FeAl2O4相与富钠渣的分离，FeAl2O4相由出料口流出，而富钠渣继续留在反应器内；
S2. 控制超重力高温反应器温度从1300-1400℃降低至1100-1300℃，保温25-35min；通过超重力驱动实现NaAlSiO4相及熔渣的分离。
作为本发明所述的一种超重力消除赤泥高碱性的方法的优选方案，其中：所述赤泥为拜耳法生产氧化铝过程产生的废渣。
作为本发明所述的一种超重力消除赤泥高碱性的方法的优选方案，其中：所述步骤S1中，所述煤基还原剂的加入量为赤泥质量的3wt%-5wt%。
作为本发明所述的一种超重力消除赤泥高碱性的方法的优选方案，其中：所述步骤S1中，所述超重力驱动的重力系数为300-1000g，分离时间为10-20min。
作为本发明所述的一种超重力消除赤泥高碱性的方法的优选方案，其中：所述步骤S2中，所述超重力驱动的重力系数为200-800g，分离时间为5-15min。
为解决上述技术问题，根据本发明的另一个方面，本发明提供了如下技术方案：
一种超重力消除赤泥高碱性的设备，包括：
超重力高温反应器、加热体、驱动系统、出渣口和出料口；
所述加热体设置于所述超重力高温反应器外侧；
所述驱动系统与所述超重力高温反应器连接；
所述超重力高温反应器底部开设有出渣口；
所述出料口相对于出渣口，设置于超重力高温反应器底部径向外侧。
作为本发明所述的一种超重力消除赤泥高碱性的设备的优选方案，其中：
所述设备还包括原料包、进料槽；所述原料包通过所述进料槽与所述超重力高温反应器连接；
所述设备还包括保温系统和热电偶，所述保温系统设置于所述加热体外侧，所述热电偶用于监测所述超重力高温反应器的温度。
本发明的有益效果如下：
本发明提供了一种超重力消除赤泥高碱性的方法和设备，将混有煤基还原剂的赤泥加入超重力高温反应器，通过两步保温处理和两次超重力分离，实现赤泥的分步结晶分离，将赤泥中的可溶性钠以富钠渣、NaAlSiO4相的形式实现分步分离；最终使得赤泥的高碱性被成功消除，不再对环境生态造成危害，且此过程无需改质，实现了赤泥的无害化、资源化处理。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明超重力消除赤泥高碱性的设备示意图；
图2为本发明实施例1分步分离得到的结晶相和熔渣相的宏观形貌及SEM图；
图3为本发明实施例1分步分离得到的结晶相和熔渣相的XRD图；
图4为本发明实施例2分步分离得到的结晶相和熔渣相的宏观形貌及SEM图；
图5为本发明实施例2分步分离得到的结晶相和熔渣相的XRD图。
其中，1-原料包、2-煤基还原剂、3-赤泥、4-进料槽、5-超重力高温反应器、6-加热体、7-保温系统、8-结晶相、9-渣相、10-热电偶、11-出渣口、12-出料口、13-滑动轴承、14-驱动系统。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了一种超重力消除赤泥高碱性的方法和设备，能够将赤泥中的可溶性钠以富钠渣、NaAlSiO4相的形式实现分步分离，不再对环境生态造成危害，且此过程无需改质，实现了赤泥的无害化、资源化处理。将混有煤基还原剂的赤泥加入超重力高温反应器，通过两步保温处理和两次超重力分离，实现赤泥的分步结晶分离，最终使得赤泥的高碱性被成功消除。
一种超重力消除赤泥高碱性的方法，包括如下步骤：
S1.向赤泥中加入煤基还原剂混匀，将混有煤基还原剂的赤泥加入超重力高温反应器，控制超重力高温反应器温度为1300-1400℃，保温20-40min；通过超重力驱动实现FeAl2O4相与富钠渣的分离，FeAl2O4相由出料口流出，而富钠渣继续留在反应器内；
S2.控制超重力高温反应器温度从1300-1400℃降低至1100-1300℃，保温25-35min；通过超重力驱动实现NaAlSiO4相及熔渣的分离。
本发明首先将混有煤基还原剂的赤泥加入超重力高温反应器，控制超重力高温反应器的温度在1300-1400℃区间，该温度区间可以促使FeAl2O4相的析出，而钠元素全部进入熔渣，随后在超重力高温反应器的高速旋转下，实现FeAl2O4相与富钠渣的分离，FeAl2O4相由出料口流出，而富钠渣继续留在反应器内；所述步骤S1，控制超重力高温反应器的温度为例如但不限于1300℃、1310℃、1320℃、1330℃、1340℃、1350℃、1360℃、1370℃、1380℃、1390℃、1400℃中的任意一者或者任意两者之间的范围；保温时间可以根据实际情况进行调整，以实现FeAl2O4相的充分析出为标准，具体地，保温时间可以为例如但不限于20min、22min、25min、28min、30min、33min、35min、37min、40min中的任意一者或者任意两者之间的范围；
赤泥中加入煤基还原剂的目的是将赤泥中Fe2O3颗粒还原成FeO，促进FeAl2O4相的析出，为后步富钠渣中钠元素向NaAlSiO4相固溶提供必要的物理化学条件；所述煤基还原剂为例如但不限于煤粉、石墨粉、焦炭粉、生物质碳粉等中的任意一者或者任意多者。所述煤基还原剂的加入量为例如但不限于赤泥质量的3wt%、3.2wt%、3.5wt%、3.8wt%、4wt%、4.3wt%、4.5wt%、4.7wt%、5wt%中的任意一者或者任意两者之间的范围；
所述步骤S1中，所述超重力驱动的重力系数为300-1000g，分离时间为10-20min；所述超重力驱动的重力系数可以根据需要进行调整，可以为例如但不限于300g、400g、500g、600g、700g、800g、900g、1000g中的任意一者或者任意两者之间的范围；分离时间可以根据需要进行调整，可以为例如但不限于10min、11min、12min、13min、14min、15min、16min、17min、18min、19min、20min中的任意一者或者任意两者之间的范围；
1100-1300℃为NaAlSiO4相的析出区间，将步骤S1中所述分离后的富钠渣从1300-1400℃降低至1100-1300℃，能够将钠元素充分固化进NaAlSiO4相中；在NaAlSiO4相的析出区间施加超重力场，能够将固化了钠元素的NaAlSiO4相与熔渣高效分离；分离过程中的熔渣为液态，NaAlSiO4相为固态，NaAlSiO4相和熔渣的分离过程为固液分离过程。所述步骤S2，控制超重力高温反应器的温度为例如但不限于1100℃、1110℃、1120℃、1130℃、1140℃、1150℃、1160℃、1170℃、1180℃、1190℃、1200℃、1210℃、1220℃、1230℃、1240℃、1250℃、1260℃、1270℃、1280℃、1290℃、1300℃中的任意一者或者任意两者之间的范围；保温时间可以根据实际情况进行调整，以实现钠元素充分固化进NaAlSiO4相为标准，具体地，保温时间可以为例如但不限于25min、26min、27min、28min、29min、30min、31min、32min、33min、34min、35min中的任意一者或者任意两者之间的范围；
所述步骤S2中，所述超重力驱动的重力系数为200-800g，分离时间为5-15min；所述超重力驱动的重力系数可以根据需要进行调整，可以为例如但不限于200g、300g、400g、500g、600g、700g、800g中的任意一者或者任意两者之间的范围；分离时间可以根据需要进行调整，可以为例如但不限于5min、6min、7min、8min、9min、10min、11min、12min、13min、14min、15min中的任意一者或者任意两者之间的范围；
所述赤泥为拜耳法生产氧化铝过程产生的废渣，本发明不限于某一组成的赤泥，可以适用于各种拜耳法生产氧化铝过程产生的赤泥的处理。
所述超重力驱动是通过开启驱动系统14，驱动所述超重力高温反应器5在水平方向上高速旋转，产生水平向外的超重力场。
根据本发明的另一个方面，本发明提供了如下技术方案：
一种超重力消除赤泥高碱性的设备，包括：
超重力高温反应器5、加热体6、驱动系统14、出渣口11和出料口12；
所述加热体6设置于所述超重力高温反应器5外侧；
所述驱动系统14与所述超重力高温反应器5连接；
所述超重力高温反应器5底部开设有出渣口11；
所述出料口12相对于出渣口11，设置于超重力高温反应器5底部径向外侧。
作为本发明所述的一种超重力消除赤泥高碱性的设备的优选方案，其中：
所述设备还包括原料包1、进料槽4；所述原料包1通过所述进料槽4与所述超重力高温反应器5连接；
所述设备还包括保温系统7和热电偶10，所述保温系统7设置于所述加热体6外侧，所述热电偶10用于监测所述超重力高温反应器5的温度。
向赤泥3中加入煤基还原剂2混匀，使原料包1中的赤泥3经进料槽4加入超重力高温反应器5内，通过加热体6、热电偶10、保温系统7控制超重力高温反应器5的加热和控温，通过驱动系统14、滑动轴承13限位驱动超重力高温反应器5离心旋转，通过两步保温处理和两次超重力分离，实现结晶相8和渣相9的分步结晶与分离。
实施例1
一种超重力消除赤泥高碱性的方法，包括如下步骤：
S1.向200kg山西铝厂的赤泥（质量百分比为：Fe2O3 26.52%、CaO 3.89%、SiO217.34%、Al2O3 29.74%、Na2O 10.65%）中加入60kg煤粉混匀，将混有煤粉的赤泥加入超重力高温反应器，控制超重力高温反应器温度为1350℃，保温30 min；通过驱动系统驱动超重力高温反应器高速旋转，超重力驱动的重力系数为900g，分离时间为11min，实现FeAl2O4相与富钠渣的分离，FeAl2O4相由出料口流出，而富钠渣继续留在反应器内；
S2.控制超重力反应器温度从1350℃降低至1200℃，保温30min，将富钠渣中的钠元素充分固化进NaAlSiO4相中；随后开启驱动系统驱动超重力高温反应器高速旋转，超重力驱动的重力系数为600g、分离时间为5min，对NaAlSiO4相及熔渣进行分离。
取步骤S1与步骤S2进行分离后的FeAl2O4相、富钠渣、NaAlSiO4相以及熔渣相进行检测，其宏观形貌及SEM图如图2所示，XRD如图3所示。由图2、图3能够看出FeAl2O4相与富钠渣、NaAlSiO4相以及熔渣相均实现了高效分离，且分离的结晶相与熔渣相的纯度均非常高，分离的结晶相中没有任何夹渣，而分离的渣相中没有夹杂任何结晶相颗粒。
实施例1分离得到的富钠渣和NaAlSiO4相中Na含量分别为15.32%、20.21%，最终钠元素的回收率达到78.14%。
按照HJ 557-2010国家标准，分别对实施例1分离得到的富钠渣与NaAlSiO4相中Na的浸出性进行了检测，证实富钠渣与NaAlSiO4相中Na的浸出率分别为0.54%、0.21%，远低于国家标准要求。
实施例2
一种超重力消除赤泥高碱性的方法，包括如下步骤：
S1.向200kg山东魏桥铝厂的选铁后赤泥（质量百分比为：Fe2O3 4.32%、CaO 1.38%、SiO2 9.36%、Al2O3 53.89%、Na2O 7.66%）中加入100kg石墨粉混匀，将混有煤粉的赤泥加入超重力高温反应器，控制超重力高温反应器温度为1300℃，保温35min；通过驱动系统驱动超重力高温反应器高速旋转，超重力驱动的重力系数为1000g，分离时间为20min，实现FeAl2O4相与富钠渣的分离，FeAl2O4相由出料口流出，而富钠渣继续留在反应器内；
S2.控制超重力反应器温度从1300℃降低至1100℃，保温35min，将富钠渣中的钠元素充分固化进NaAlSiO4相中；随后开启驱动系统驱动超重力高温反应器高速旋转，超重力驱动的重力系数为800g、分离时间为15min，对NaAlSiO4相及熔渣进行分离。
取步骤S1与步骤S2进行分离后的FeAl2O4相、富钠渣、NaAlSiO4相以及熔渣相进行检测，其宏观形貌及SEM图如图4所示，XRD如图5所示。由图4、图5能够看出FeAl2O4相与富钠渣、NaAlSiO4相以及熔渣相均实现了高效分离，且分离的结晶相与熔渣相的纯度均非常高，分离的结晶相中没有任何夹渣，而分离的渣相中没有夹杂任何结晶相颗粒。
利用与实施例1相同的测试方法对Na元素的含量及固化率进行检测，结果如下：实施例2分离得到的富钠渣和NaAlSiO4相中Na含量分别为17.32%、24.21%，最终钠元素的回收率达到92.14%。
按照HJ 557-2010国家标准，分别对实施例2分离得到的富钠渣与NaAlSiO4相中Na的浸出性进行了检测，证实富钠渣与NaAlSiO4相中Na的浸出率分别为0.26%、0.01%，远低于国家标准要求。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种超重力消除赤泥高碱性的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1.向赤泥中加入煤基还原剂混匀，将混有煤基还原剂的赤泥加入超重力高温反应器，控制超重力高温反应器温度为1300-1400℃，保温20-40min；通过超重力驱动实现FeAl2O4相与富钠渣的分离，FeAl2O4相由出料口流出，而富钠渣继续留在反应器内；
S2.控制超重力高温反应器温度从1300-1400℃降低至1100-1300℃，保温25-35min；通过超重力驱动实现NaAlSiO4相及熔渣的分离。
2.根据权利要求1所述的一种超重力消除赤泥高碱性的方法，其特征在于，所述赤泥为拜耳法生产氧化铝过程产生的废渣。
3.根据权利要求1或2所述的一种超重力消除赤泥高碱性的方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述煤基还原剂的加入量为赤泥质量的3wt%-5wt%。
4.根据权利要求1或2所述的一种超重力消除赤泥高碱性的方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述超重力驱动的重力系数为300-1000g。
5.根据权利要求1或2所述的一种超重力消除赤泥高碱性的方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述分离时间为10-20min。
6.根据权利要求1或2所述的一种超重力消除赤泥高碱性的方法，其特征在于，所述步骤S2中，所述超重力驱动的重力系数为200-800g。
7.根据权利要求1或2所述的一种超重力消除赤泥高碱性的方法，其特征在于，所述步骤S2中，所述分离时间为5-15min。
8.一种超重力消除赤泥高碱性的设备，其特征在于，用于实施权利要求1-7任一项所述的超重力消除赤泥高碱性的方法，所述设备包括：
超重力高温反应器(5)、加热体(6)、驱动系统(14)、出渣口(11)和出料口(12)；
所述加热体(6)设置于所述超重力高温反应器(5)外侧；
所述驱动系统(14)与所述超重力高温反应器(5)连接；
所述超重力高温反应器(5)底部开设有出渣口(11)；
所述出料口(12)相对于出渣口(11)，设置于超重力高温反应器(5)底部径向外侧。
9.根据权利要求8所述的一种超重力消除赤泥高碱性的设备，其特征在于，所述设备还包括原料包(1)、进料槽(4)；所述原料包(1)通过所述进料槽(4)与所述超重力高温反应器(5)连接。
10.根据权利要求8或9所述的一种超重力消除赤泥高碱性的设备，其特征在于，所述设备还包括保温系统(7)和热电偶(10)，所述保温系统(7)设置于所述加热体(6)外侧，所述热电偶(10)用于监测所述超重力高温反应器(5)的温度。
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