CN116282046A

CN116282046A - 一种硅灰的提纯装置及方法

Info

Publication number: CN116282046A
Application number: CN202310157700.0A
Authority: CN
Inventors: 荣科; 邓佳宝; 李彬; 王思忆; 罗大伟
Original assignee: Chengdu Univeristy of Technology
Current assignee: Chengdu Univeristy of Technology
Priority date: 2023-02-23
Filing date: 2023-02-23
Publication date: 2023-06-23
Anticipated expiration: 2043-02-23
Also published as: CN116282046B

Abstract

本发明公开了一种硅灰的提纯装置及方法，所述装置由炉体、炉腔和搅拌装置组成；炉体包括外壳、保温层、增压器、风机和加热元件，保温层设置在外壳内层，内部包裹有加热元件，在外壳和保温层之间还设有增压器，增压器通过增压管道与炉腔连通，风机设置在炉体的底部，吹风口通向炉腔；搅拌装置包括搅拌棒和动力装置，动力装置设置在炉体顶端外部，搅拌棒设置在炉腔内，动力装置与搅拌棒固定连接；炉体的上部设有进气口、进料口和出气口，炉体的下部设有出料口，进气口、进料口、出气口和出料口与炉腔连通。制备方法包括流化除碳、氯化焙烧、热压酸浸和中和干燥。本发明装置简单、方法操作简便、流程短、对环境友好、省时省力且制备的产品纯度高。

Description

一种硅灰的提纯装置及方法

技术领域

本发明涉及矿物提纯技术领域，具体涉及一种硅灰的提纯装置及方法。

背景技术

硅灰的主要成分为SiO₂，还含有杂质氧化纳、氧化钙、氧化铁、氧化铝等金属氧化物和少量单质碳，是合金和硅进行工业冶炼时的副产物，由工业电炉高温冶炼时排放出的废气与空气迅速冷凝沉淀，经过尾气收集设备而成的一种超细硅质粉体材料。硅灰的产量非常高，每冶炼一吨的含硅物质，约产生400kg的固废硅灰，这样多的硅灰会被直接堆放在露天空地，不仅占用浪费了大量可另作他用的土地，而且80%的硅灰粒径都达到了微米级别，会被风吹而逸散到空中，严重污染空气质量而损害人体健康，工业固废硅灰的合理环保利用显得尤为重要。目前的硅灰由于其具有较高的耐火性和比表面积，可增加水泥密实度，易与水化产物生成凝胶状态，从而提升水泥强度，被大量直接运用于建筑行业的水泥基胶凝材料，有效增加了混凝土的耐火强度和力学性能，防止混凝土发生碱骨料反应，甚至延长了恶劣环境下混凝土的使用寿命。硅灰在建筑业中得到的有效利用不胜枚举，但在满足建筑业需求的同时，硅灰的储量仍有富余，且近年来国内建筑业趋于饱和，对硅灰的需求增长缓慢，所以对硅灰开发新的应用场景和产业道路是未来的发展方向。硅灰在建筑业中只能进行低端的应用，因此，急需将硅灰进行深度提纯研究，把SiO₂的纯度提升到一定的阶段，然后将其运用于高纯石英砂、纳米二氧化硅等高端产业领域，实现资源的有效利用最大化。

高纯石英砂是指由天然水晶或石英矿物经过各种物理化学提纯工艺进行纯化，得到了SiO₂成分含量高于99.9%的石英微粉。其主要应用于集成电路、半导体芯片、光学玻璃、电子光纤等国家级重点项目，关系到我国社会稳定和经济建设的长远发展，具有非常重要的战略地位。而高纯石英砂的制备原料也同样面临着困境，高品质天然水晶和石英矿物随着人们的不断获取，已经濒临枯竭，成本较高，而低品位的矿物原料却难以制备高纯度的石英砂产品。自此，将硅灰代替天然水晶和石英矿物制备高纯石英砂是必然趋势，硅灰成分中80%-90%都是SiO₂，具有成为高纯石英砂原料替代品的天然优势，仅需要对硅灰进行初步提纯预处理，即可投入制备高纯石英砂的提纯工艺流程。而如今的硅灰提纯方法和装置结构复杂、制备时间长且纯度不高。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种结构简单、使用方便的硅灰的提纯装置。

本发明的另一目的在于提供一种硅灰的提纯方法，该方法操作简便、流程短、对环境友好、省时省力且制备的产品纯度高。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种硅灰的提纯装置，由炉体、炉腔和搅拌装置组成；

所述炉体包括外壳、保温层、增压器、风机和加热元件，所述保温层设置在外壳内层，保温层内包裹有加热元件，在外壳和保温层之间还设有增压器，增压器通过增压管道与炉腔连通，风机设置在炉体的底部，吹风口通向炉腔；

搅拌装置包括搅拌棒和动力装置，所述动力装置设置在炉体顶端外部，搅拌棒设置在炉腔内，动力装置与搅拌棒固定连接；

炉体的上部设有进气口、进料口和出气口，炉体的下部设有出料口，进气口、进料口、出气口和出料口与炉腔连通。

进一步地，所述加热元件为电炉丝。

进一步地，所述动力装置为正反转电机，正反转电机的输出轴与搅拌棒连接。

进一步地，所述搅拌棒向外还设有弧形段，弧形段的两端沿搅拌棒方向与搅拌棒连接。

进一步地，所述进气口还设有压力表。

一种硅灰的提纯方法，它包括以下步骤：

S1、流化除碳：硅灰加入炉腔中，开启风机，硅灰在炉腔中吹浮并呈流化态，进气口中通入氧气，打开加热元件进行反应，所述反应的温度为750～850℃，反应时间为0.5～2h；

S2、氯化焙烧：继续加热升温，并通入氧气和氯气的混合气体进行高温氯化焙烧，所述氯化焙烧的温度为1000～1500℃，氯化焙烧的时间为3～4h，反应后停止通入气体并关闭风机，并打开出气口排出反应后的气体；

S3、热压酸浸：氯化焙烧后降温至85～95℃，炉腔中加入无机酸，打开动力装置和增压器进行搅拌和增压，搅拌的转速为300～800r/min，增压至炉内气压为0.8～1MPa，反应1.5～3h，反应后排出硅灰即为中纯硅灰；

S4、中和干燥：将中纯硅灰进行过滤、蒸馏水洗涤，直至过滤后蒸馏水的pH值为7，然后用无水乙醇洗涤和干燥，即为高纯硅灰。

进一步地，步骤S1中所述氧气的通入量为6～9Nm³/h。

进一步地，步骤S2中所述混合气体中氧气和氯气的质量摩尔比为1.5～2.5:1。

进一步地，步骤S3中所述无机酸为盐酸、硫酸、硝酸、碳酸、亚硫酸或磷酸中的至少一种，无机酸的质量百分比浓度为15～35%。

进一步地，步骤S4中所述干燥的温度为50～60℃，干燥时间为3～4h。

本发明中：

（1）由于硅灰是粉末状态，堆积在一起高温煅烧后会变成致密的固体，会与气氛接触面不够大而影响反应速率和效果，一般需要粉磨破碎才能继续下一步提纯步骤。本发明的装置在煅烧除碳和氯化焙烧时开启风机，将粉末状硅灰形成流化形态，流化法煅烧后硅灰仍然分散而不凝结，不需要从装置中取出进行粉磨加工；

（2）由于酸浸时所使用的酸与金属氧化物的反应缓慢，所以通常以加热与酸浸结合，虽然此操作能加快反应速度，但效果不理想。本发明在加热酸浸的基础上增加了搅拌和增压，形成搅拌热压酸浸技术，显著提高了酸浸的反应速度，减少了反应时间；且全程不使用氢氟酸，仅使用普通无机酸，对环境污染小；

（3）硅灰中的杂质为少量碳和各种金属氧化物（Al₂O₃、Fe₂O₃、MgO、CaO、NaO等），碳在S1步骤已除掉，氯化焙烧将硅灰中的有价金属（金属氧化物）呈气态氯化物的形式挥发而与硅灰分离。硅灰呈微粉状被风机吹浮在空中，氯化焙烧选用氧氯混合气体为氯化剂，硅灰微粉与氯化气体在炉腔内能够以最大接触面积进行氯化反应；

（4）本发明采用流化法煅烧除碳，燃烧完全，不产生有毒气体，克服了现有技术采用直接煅烧除碳法带来的燃烧不完全（产生一氧化碳有毒气体）、工艺不连续且复杂（加热到高温的物质还需进行重复加热，需要将除碳后的硅灰从设备中取出、冷却、粉磨后再加工）的缺点；

（5）现有技术常用“反复多次酸浸”、“燃烧+磁选+酸浸”、“氢氟酸+沉淀+酸浸”等方法，工艺流程复杂，制备时间长，耗时耗力，但纯度却仍然不高。本发明通过“流化煅烧除碳-氯化焙烧-热压酸浸”即可制备高纯度的硅灰，制备工艺简单，反应速度快且本发明的装置为多功能一体化设备，流化法煅烧除碳后的温度和氧气气氛可继续用于接下来的“氯化焙烧-热压酸浸”提纯工艺，不用反复重新加热和通入氧气气氛，因此，节约能源，减少成本，缩短了提纯时间。

本发明具有以下优点：

本发明将工业固废硅灰进行深度提纯，变废为宝，达到高附加值的废物利用；本发明提供的的装置为多功能一体化，在一台设备内可完成“流化除碳-氯化焙烧-热压酸浸”；本发明提供的方法将粉末状硅灰形成流化形态，流化煅烧后的硅灰仍然分散而不凝结，省时省力；采用搅拌热压酸浸技术，提高了酸浸的反应速度，减少反应时间；煅烧除碳时通入氧气而充分氧化，生成无毒的二氧化碳气体后排出，所用的温度和氧气气氛可继续用于接下来的“氯化焙烧-热压酸浸”提纯工艺，不用反复重新加热和通入氧气气氛，节约能源，减少成本，缩短制备时间；本发明工艺简单，反应速度快，可连续反应，能除去大部分碳和金属氧化物杂质，提纯后的硅灰含二氧化硅最高可达99.86%，且对环境污染小。

附图说明

图1为本发明装置的结构示意图。

图2为本发明提纯工艺流程图。

图中，1-外壳，2-保温层，3-加热元件，4-炉腔，5-出料口，6-风机，7-增压器，8-增压管道，9-进气口，10-压力表，11-动力装置，12-搅拌棒，13-出气口，14-进料口。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的描述，本发明的保护范围不局限于以下所述：

实施例1：

如图1所述，一种硅灰的提纯装置，由炉体、炉腔4和搅拌装置组成；

所述炉体包括外壳1、保温层2、增压器7、风机6和加热元件3，所述保温层2设置在外壳1内层，保温层2内包裹有加热元件3，所述加热元件3优选为电炉丝，在外壳1和保温层2之间还设有增压器7，增压器7通过增压管道8与炉腔4连通，风机6设置在炉体的底部，吹风口通向炉腔4；

搅拌装置包括搅拌棒12和动力装置11，所述动力装置11设置在炉体顶端外部，搅拌棒12设置在炉腔4内，动力装置11与搅拌棒12固定连接；所述动力装置11优选为正反转电机，正反转电机的输出轴与搅拌棒12连接。为了使搅拌更充分，所述搅拌棒12向外还设有弧形段，弧形段的两端沿搅拌棒12方向与搅拌棒12连接。

炉体的上部设有进气口9、进料口14和出气口13，炉体的下部设有出料口5，进气口9、进料口14、出气口13和出料口5与炉腔4连通。所述进气口9还设有压力表10，可以观察进气流量和炉内压力。

实施例2：一种硅灰的提纯方法，采用实施例1的装置进行提纯，如图2所示，它包括以下步骤：

S1. 流化除碳：硅灰从进料口14加入炉腔4中，开启风机6，硅灰在炉腔4中吹浮并呈流化态，进气口9中通入氧气，通过压力表10控制氧气的通入量为6Nm³/h，打开加热元件3进行反应，所述反应的温度为750℃，反应时间为0.5h，反应后得无碳硅灰；

S2. 氯化焙烧：继续打开加热元件3加热升温，并在进气口9通入氧气和氯气的混合气体进行高温氯化焙烧，所述混合气体中氧气和氯气的质量摩尔比为1.5:1，所述氯化焙烧的温度为1000℃，氯化焙烧的时间为3h，反应后停止通入气体并关闭风机6，并打开出气口13排出反应后的气体，氯化焙烧后得低纯硅灰；

S3. 热压酸浸：氯化焙烧后将装置内的温度降温至85℃，从进料口14中加入无机酸至炉腔4，所述无机酸为盐酸，质量百分比浓度为15%，打开动力装置11和增压器7进行搅拌和增压，搅拌的转速为300r/min，增压至炉内气压为0.8MPa，反应1.5h，反应后从出料口5排出硅灰即为中纯硅灰；

S4. 中和干燥：将中纯硅灰进行过滤、蒸馏水洗涤，直至过滤后蒸馏水的pH值为7，得中性硅灰，中性硅灰然后用无水乙醇洗涤和干燥，所述干燥的温度为50℃，干燥时间为3h，即为高纯硅灰。

实施例3：一种硅灰的提纯方法，采用上述装置进行提纯，如图2所示，它包括以下步骤：

S1. 流化除碳：硅灰从进料口14加入炉腔4中，开启风机6，硅灰在炉腔4中吹浮并呈流化态，进气口9中通入氧气，通过压力表10控制氧气的通入量为9Nm³/h，打开加热元件3进行反应，所述反应的温度为850℃，反应时间为2h，反应后得无碳硅灰；

S2. 氯化焙烧：继续打开加热元件3加热升温，并在进气口9通入氧气和氯气的混合气体进行高温氯化焙烧，所述混合气体中氧气和氯气的质量摩尔比为2.5:1，所述氯化焙烧的温度为1500℃，氯化焙烧的时间为4h，反应后停止通入气体并关闭风机6，并打开出气口13排出反应后的气体，氯化焙烧后得低纯硅灰；

S3. 热压酸浸：氯化焙烧后将装置内的温度降温至95℃，从进料口14中加入无机酸至炉腔4，所述无机酸为盐酸、硫酸和硝酸的以体积比为2:1:1的混合，无机酸的质量百分比浓度为35%，打开动力装置11和增压器7进行搅拌和增压，搅拌的转速为800r/min，增压至炉内气压为1MPa，反应3h，反应后从出料口5排出硅灰即为中纯硅灰；

S4. 中和干燥：将中纯硅灰进行过滤、蒸馏水洗涤，直至过滤后蒸馏水的pH值为7，得中性硅灰，中性硅灰用无水乙醇洗涤和干燥，所述干燥的温度为60℃，干燥时间为4h，即为高纯硅灰。

实施例4：一种硅灰的提纯方法，采用实施例1的装置进行提纯，如图2所示，它包括以下步骤：

S1. 流化除碳：硅灰从进料口14加入炉腔4中，开启风机6，硅灰在炉腔4中吹浮并呈流化态，进气口9中通入氧气，通过压力表10控制氧气的通入量为7Nm³/h，打开加热元件3进行反应，所述反应的温度为800℃，反应时间为1h，反应后得无碳硅灰；

S2. 氯化焙烧：继续打开加热元件3加热升温，并在进气口9通入氧气和氯气的混合气体进行高温氯化焙烧，所述混合气体中氧气和氯气的质量摩尔比为2:1，所述氯化焙烧的温度为1300℃，氯化焙烧的时间为3.5h，反应后停止通入气体并关闭风机6，并打开出气口13排出反应后的气体，氯化焙烧后得低纯硅灰；

S3. 热压酸浸：氯化焙烧后将装置内的温度降温至90℃，从进料口14中加入无机酸至炉腔4，所述无机酸为盐酸、碳酸、亚硫酸和磷酸以体积比为1:1:1:1的混合，无机酸的质量百分比浓度为25%，打开动力装置11和增压器7进行搅拌和增压，搅拌的转速为500r/min，增压至炉内气压为0.9MPa，反应2h，反应后从出料口5排出硅灰即为中纯硅灰；

S4. 中和干燥：将中纯硅灰进行过滤、蒸馏水洗涤，直至过滤后蒸馏水的pH值为7，得中性硅灰，中性硅灰用无水乙醇洗涤和干燥，所述干燥的温度为55℃，干燥时间为3.5h，即为高纯硅灰。

对实施例2-实施例4的提纯硅灰进行二氧化硅含量测定，结果如表1所示：

表1 实施例2-实施例4硅灰纯度实验结果

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种硅灰的提纯装置，其特征在于，由炉体、炉腔（4）和搅拌装置组成；

所述炉体包括外壳（1）、保温层（2）、增压器（7）、风机（6）和加热元件，所述保温层（2）设置在外壳（1）内层，保温层（2）内包裹有加热元件，在外壳（1）和保温层（2）之间还设有增压器（7），增压器（7）通过增压管道（8）与炉腔（4）连通，风机（6）设置在炉体的底部，吹风口通向炉腔（4）；

搅拌装置包括搅拌棒（12）和动力装置（11），所述动力装置（11）设置在炉体顶端外部，搅拌棒（12）设置在炉腔（4）内，动力装置（11）与搅拌棒（12）固定连接；

炉体的上部设有进气口（9）、进料口（14）和出气口（13），炉体的下部设有出料口（5），进气口（9）、进料口（14）、出气口（13）和出料口（5）与炉腔（4）连通。

2.根据权利要求1所述的一种硅灰的提纯装置，其特征在于，所述加热元件为电炉丝。

3.根据权利要求1所述的一种硅灰的提纯装置，其特征在于，所述动力装置（11）为正反转电机，正反转电机的输出轴与搅拌棒（12）连接。

4.根据权利要求1所述的一种硅灰的提纯装置，其特征在于，所述搅拌棒（12）向外还设有弧形段，弧形段的两端沿搅拌棒（12）方向与搅拌棒（12）连接。

5.根据权利要求1所述的一种硅灰的提纯装置，其特征在于，所述进气口（9）还设有压力表（10）。

6.一种硅灰的提纯方法，采用权利要求1-5中任一所述的装置进行提纯，其特征在于，它包括以下步骤：

S1. 流化除碳：硅灰加入炉腔（4）中，开启风机（6），硅灰在炉腔（4）中吹浮并呈流化态，进气口（9）中通入氧气，打开加热元件进行反应，所述反应的温度为750～850℃，反应时间为0.5～2h；

S2. 氯化焙烧：继续加热升温，并通入氧气和氯气的混合气体进行高温氯化焙烧，所述氯化焙烧的温度为1000～1500℃，氯化焙烧的时间为3～4h，反应后停止通入气体并关闭风机（6），并打开出气口（13）排出反应后的气体；

S3. 热压酸浸：氯化焙烧后降温至85～95℃，炉腔（4）中加入无机酸，打开动力装置（11）和增压器（7）进行搅拌和增压，搅拌的转速为300～800r/min，增压至炉内气压为0.8～1MPa，反应1.5～3h，反应后排出硅灰即为中纯硅灰；

S4. 中和干燥：将中纯硅灰进行过滤、蒸馏水洗涤，直至过滤后蒸馏水的pH值为7，然后用无水乙醇洗涤和干燥，即为高纯硅灰。

7.根据权利要求6所述的一种硅灰的提纯方法，其特征在于，步骤S1中所述氧气的通入量为6～9Nm³/h。

8.根据权利要求6所述的一种硅灰的提纯方法，其特征在于，步骤S2中所述混合气体中氧气和氯气的质量摩尔比为1.5～2.5:1。

9.根据权利要求6所述的一种硅灰的提纯方法，其特征在于，步骤S3中所述无机酸为盐酸、硫酸、硝酸、碳酸、亚硫酸或磷酸中的至少一种，无机酸的质量百分比浓度为15～35%。

10.根据权利要求6所述的一种硅灰的提纯方法，其特征在于，步骤S4中所述干燥的温度为50～60℃，干燥时间为3～4h。