国内高铝粉煤灰提取氧化铝主要技术进展及发展建议

粉煤灰已成为我国排放量最大的工业固废,目前堆存量估计在 30 亿吨以上,如果不及时处理或处理不当,将会对环境造成严重危害。由于其具有高含量的氧化铝,特别是高铝粉煤灰,含量超过38%,被认为是取代铝土矿,生产氧化铝的理想原料之一。近几十年来,高铝粉煤生产氧化铝是一项热门的研究课题,各企业及科研院校均投入了大量的人力和物力,并且取得了一定的成就,提出了不同的工艺路线,部分工艺已经进行了中试试验或者工业化生产。目前,初步形成了三种主要的工艺路线:预脱硅-碱石灰石烧结法、石灰石烧结法、一步酸溶法。文章主要综述了以上三种技术的原理、工艺流程及技术进展,分析其发展难点,同时提出评价和建议。

添加高铝粉煤灰对废窑具制备耐高温材料性能的影响

为实现废窑具的高值材料化利用,以废窑具为主要原料,黏土和高铝粉煤灰为添加剂,采用干压成型法制备出坯体,分别在1100℃、1150℃、1200℃、1250℃下热处理保温3 h,制备出废窑具基耐高温材料。研究了高铝粉煤灰添加量对废窑具基耐高温材料的物相组成、显微形貌、物理性能和常温力学性能的影响,同时还研究了以不同结合剂制备的废窑具基耐高温材料的性能。结果表明:废窑具基耐高温材料的最佳工艺条件为热处理温度1250℃,高铝粉煤灰添加量为30%,所得试样的常温抗折强度为18.1 MPa,常温抗压强度为57.7 MPa;结合剂的种类对试样的常温力学性能也有一定影响。

烧成制度对高铝粉煤灰发泡陶瓷孔结构的影响

以准格尔地区的高铝粉煤灰、准格尔周边地区钾长石为主要原料制备发泡陶瓷,探究了不同烧成制度(最高烧成温度、保温时间)对发泡陶瓷样品孔结构(孔均匀度、孔径、表观孔壁厚度)以及体积密度、抗压强度、吸水率的影响规律。研究结果表明,最高烧成温度和保温时间对粉煤灰基发泡陶瓷的体积密度、抗压强度、吸水率影响较大,在烧成范围内,升高烧成温度和延长保温时间会使烧成样品孔径增大,孔均匀度提升,孔壁变薄,体积密度降低,抗压强度降低,吸水率增大。

中国铝资源与高铝粉煤灰提取氧化铝研究进展

针对中国铝土矿资源不足的状况,利用高铝粉煤灰生产氧化铝不仅有望缓解铝资源的不足,而且可减少粉煤灰对大气、水体的污染和大量土地资源的占用。高铝粉煤灰提取氧化铝技术主要包括酸法、碱法和酸碱联合法。采用碱法提取氧化铝技术,具有对设备腐蚀性小,与现有氧化铝生产设备相容性好,对水体和空气不产生二次污染等优势。与石灰石烧结法和预脱硅-碱石灰烧结法等代表性碱法技术相比,采用预脱硅-低钙烧结法制备氧化铝技术,处理物料总量、一次性资源消耗量和CO2排放量,分别减少22.1%～52.4%、24.6%～52.0%、20.0%～66.2%;综合耗能降低16.4%～36.3%;剩余硅钙固体排放量减少27.5%～71.5%。因此,预脱硅-低钙烧结法技术在物耗、能耗、环境相容性和产品方案等方面均有明显优势,符合高效节能和清洁生产的要求,有望实现高铝粉煤灰生产氧化铝的完全资源化利用。

内蒙古准格尔燃煤电厂高铝粉煤灰的矿物组成与特征

运用X射线衍射分析（XRD）和带能谱仪的扫描电镜（SEM—EDX）等方法研究了内蒙古准格尔燃煤电厂高铝粉煤灰的矿物学特征．结果表明，飞灰和底灰均由玻璃体、矿物和未燃炭组成．燃煤产物中的矿物有莫来石、刚玉、石英，以及少量方解石和钾长石．莫来石在飞灰中的含量高达37．4％．刚玉可能是高铝粉煤灰中典型的次生矿物．随着飞灰粒径的减小，刚玉含量上升，玻璃体和莫来石含量总体上分别呈减少和略微上升的趋势．莫来石含量在粒径300—360目的飞灰中达到最高值，可能是由于颗粒较小的飞灰虽然在炉膛内停留时间较短，但局部受热温度更高，更有利于莫来石的结晶．

从高铝粉煤灰中提取非晶态SiO_2的实验研究

为了有效提高高铝粉煤灰的Al/Si比,为提取氧化铝奠定基础,研究了用NaOH从高铝粉煤灰中提取非晶态SiO2的最佳工艺条件,并对提硅反应的机理进行了探讨。首先根据高铝粉煤灰的化学与物相组成特点,确立了利用NaOH提取非晶态SiO2的基本技术路线;然后用正交实验法确定了提硅的最佳条件:NaOH的浓度25%,灰碱质量比1∶0.5,反应温度95℃,反应时间4 h。经最佳条件反应之后,SiO2的提取率达到了41.8%,灰中Al2O3的含量由48.5%增加到了57.38%,Al2O3/SiO2质量比由1.29提高到了2.39。

高铝粉煤灰伴生资源清洁循环利用技术的构建与研究进展

我国富含硅锂镓的高铝粉煤灰年排放量高达3 000万t以上,但综合利用率不到30%,是西北大型煤电能源基地重大环境生态瓶颈问题。为实现高铝粉煤灰的大规模高值化利用,提出机械-化学协同活化新思路,开展了高铝粉煤灰协同活化-深度脱硅工艺研究,实现了非晶态二氧化硅的深度分离,进一步提出了脱硅粉煤灰矿相重构制备铝硅系列材料、脱硅粉煤灰两步碱溶提取氧化铝2条技术路线。结果表明,高铝粉煤灰深度脱硅后,铝硅比由1.75提高至2.75以上;1 600℃烧结后,莫来石相含量达到88.33%,产品指标达到行业优级标准;脱硅粉煤灰经过两步水热反应,氧化铝提取率达到94.9%,实现锂、镓伴生资源协同利用,将氧化铝行业拜耳法主流工艺用于高铝粉煤灰提取氧化铝的过程;在此基础上构建了多产业链接循环经济体系,为高铝粉煤灰大规模高值化利用提供了新途径。

准格尔电厂炉前煤矿物组成及其对高铝粉煤灰形成的贡献

准格尔电厂粉煤灰中的A l2O3含量高达52.72%,这在世界上十分少见,为详细了解这一特殊粉煤灰的成因并加以高附加值利用,采用ICP-AES,XRD和FESEM-EDX等方法详细研究了该电厂炉前煤的煤岩、煤质、煤中矿物组成和灰成分特征,同时测定了粉煤灰的化学成分.结果表明,准格尔电厂煤中矿物以高岭石和勃姆石为主,分别占煤中矿物总量的71.1%和21.1%.粉煤灰中高A l2O3含量来源于煤中丰富的高岭石和勃姆石矿物在电厂高温下的转化和分解产物;石英仅占煤中矿物组分的1.9%,也相应地提高了粉煤灰中的A l2O3/SiO2质量比,使得这一比值达到1.50,是常见粉煤灰的3倍左右.煤中其它矿物含量较少,使得粉煤灰中其它氧化物含量相应降低,这为高铝粉煤灰的高附加值利用奠定了良好基础.

改良酸碱联合法利用高铝粉煤灰制备氧化铝的实验研究

本实验以高铝粉煤灰为原料、Na2CO3为助剂,经中温烧结,酸溶除硅,碱溶除铁,加入铝酸钡除微量硅后,制得较纯净的铝酸钠溶液;向该溶液中加入Al(OH)3晶种,采用种分分解法制备得到Al(OH)3沉淀,于1200℃下煅烧2 h后,制得α-Al2O3。分析结果表明,制备的-αAl2O3粉体形态不规则,粒径在10μm以下,性能达到国标GB8178-87三级标准。本项技术符合国家发展循环经济的要求,是高铝粉煤灰资源化高效利用的有效途径之一。

高铝粉煤灰烧结反应热力学分析与实验

分别以碳酸钙和碳酸钠为助剂,对高铝粉煤灰在烧结过程中可能发生的化学反应进行研究。基于热力学计算结果,对比了两种工艺的能耗、物耗、温室气体排放量等因素,结合粉煤灰-碳酸钠烧结反应实验,证明以碳酸钠为配料,高铝粉煤灰烧结过程具有一次性资源消耗量少,能耗最低,温室气体CO2排放量最小,且可生产高附加值产品,实现完全清洁生产等优点。因此,选择以碳酸钠为配料分解高铝粉煤灰中的莫来石和铝硅酸盐玻璃相技术路线,具有良好的工业化应用前景。

利用高铝粉煤灰制备氢氧化铝的实验

以无水碳酸钠为助剂，分解高铝粉煤灰中的莫来石和铝硅酸盐玻璃相。经中温烧结、酸浸使硅铝分离，调节pH值为5～6纯化含铝滤液，通入CO2气体酸化等工序，可制备氢氧化铝粉体。采用X射线粉末衍射、扫描电镜、化学分析方法对制品进行表征，结果表明：制备的氢氧化铝为球形颗粒，其粒径为200nm左右，性能达到GB／T4294-1997的三级标准。实验所采用的工艺路线是高铝粉煤灰资源化高效利用的有效途径之一。

高铝粉煤灰合成莫来石的SEM和XRD研究

以Al2O3含量为52.72%的高铝粉煤灰和工业氧化铝为原料,在1300～1500℃保温2～4h合成了平均含量超过70%的M50、M60和M70莫来石。用SEM和XRD研究了合成莫来石的显微结构和物相组成。结果表明,未经盐酸处理的粉煤灰比用盐酸处理过的粉煤灰合成的莫来石的晶体和长径比大;随粉煤灰中Al2O3含量的增高,合成的莫来石的晶体尺寸和长径比变小,合成莫来石的温度需相应提高至1500℃;恒温时间长短对合成莫来石的影响远小于烧结温度的影响,高温下缩短恒温时间比低温下延长恒温时间有利于莫来石的生成。以高铝粉煤灰为原料合成M50和M60莫来石较为适宜,Al2O3与SiO2的质量比应控制在1.5～2.0。

高铝粉煤灰碱溶法制备氢氧化铝的研究

实验研究了采用两步碱溶法从高铝粉煤灰中提取氢氧化铝的可行性。首先采用浓度为8 mol/L的NaOH溶液,在95℃的条件下溶出高铝粉煤灰中部分非晶态SiO2;所得脱硅粉煤灰再与适量CaO混合均匀,在260~280℃下以浓度18~20 mol/L的NaOH溶液溶出Al2O3,得到高苛性比的铝酸钠溶液;经降低苛性比、脱硅和碳酸化分解,制得氢氧化铝制品。化学成分分析结果表明,该氢氧化铝制品符合GB/T 4294-1997规定的一级标准。与其他从高铝粉煤灰中提取氧化铝的工艺相比,该方法避免了粉煤灰原料的高温烧结过程,生产能耗显著降低,加工过程的环境相容性良好。

高铝粉煤灰资源化过程重金属环境影响研究

针对高铝粉煤灰碱石灰烧结多资源利用工艺过程中重金属元素迁移规律和潜在环境影响量化问题,基于物质流分析方法,分析该工艺中重金属元素的边界输入输出和内部迁移规律.结果表明,输入端54%的铅元素由工业过程废弃物即高铝粉煤灰带入,其余来自工业原材料.输出端64%的铅元素进入产品,其余部分进入废弃物.该工艺主要环境排放节点在烧结和水泥生产环节.通过定义相对环境排放指数(REEI),比较分析该工艺与拜耳法工艺重金属排放情况.结果表明,该工艺单位氧化铝产量铅元素净排放显著降低,铬元素环境排放量与拜耳法基本持平,说明高铝粉煤灰碱石灰烧结多资源利用工艺不仅可以实现高铝粉煤灰的综合利用,也可以显著降低氧化铝产品的重金属环境影响.

高铝粉煤灰中部分主微量元素的分布规律研究

本文旨在研究部分主微量元素在高铝粉煤灰中的分布规律,从而为其资源化利用提供科学依据。首先根据高铝粉煤灰的物相组成特点采用新的分离方法将之分离为三个相(或相组合):铁质微珠、莫来石-刚玉相以及玻璃相;然后分别用化学分析和ICP-MS测试主微量元素在高铝粉煤灰、铁质微珠以及莫来石-刚玉相中的含量,并结合相关数据计算出这些元素在玻璃相中的含量。结果表明,除Al、Mn外,其他元素均在玻璃相中有不同程度的富集;除Al外,其他元素则在莫来石-刚玉相中有不同程度的贫化;除Ti以外的铁族元素以及除Ga、Pb以外的金属成矿元素均在铁质微珠中富集,其他元素则在其中贫化。

高铝粉煤灰制备拟薄水铝石的比表面积与孔隙特性分析

高铝粉煤灰熟料经预脱硅—碱石灰烧结、溶出、二次脱硅后的溶液经碳分及种分后得到拟薄水铝石产品,并采用低温氮气吸附法分析其比表面积以及孔结构。结果表明,碳分法和种分法制备拟薄水铝石的等温吸附线均属Ⅳ类,晶粒之间的孔隙以中孔为主,等温吸附曲线滞后环类似于H4型,是狭缝孔。碳分产品的BET比表面积略大于种分产品,然而其BJH吸附累积总孔孔容与BJH吸附平均孔径略低于种分产品,两种产品的物化指标均优于普通拟薄水铝石样品。

利用高铝粉煤灰合成β-Sialon粉体的实验研究

在N2气氛中以粉煤灰为原料,采用碳热还原氮化工艺制备了β-Sialon粉体,研究了碳含量、合成反应温度、保温时间和氮气流量等因素对生成物物相的影响。在添加适量Al2O3、C含量23%、氮气流量2L/min、合成温度1450℃、保温时间为6h的条件下,可获得Z=3的纯晶相β-Sialon粉体,粒度均一,形态规则。β-Sialon粉体粒径在1～3μm之间,形态与结晶程度受合成条件影响。在不同的制备条件下,所合成的产物为β-Sialon和Al N、β-SiC、Si3N4、Al6Si2O13、O’-Sialon、α-Al2O3、Si O2等的混合物。并对高铝粉煤灰合成β-Sialon的反应过程进行了分析。

烧结-碱溶法从高铝粉煤灰中浸出镓的研究

以高铝粉煤灰为原料,通过对粉煤灰进行烧结活化、碱溶、滤洗等工艺,制得含镓溶液。探讨了烧结助剂种类、碱液种类、碱液浓度、液固比、浸出温度、浸出时间等因素对镓浸出效果的影响。结果表明:以碳酸钠作为烧结助剂,氢氧化钠作为浸出液溶剂,在碱液浓度200 g/L、液固比40∶1、浸出温度60℃、浸出时间6 h时,浸出液中镓含量达到41.438 g/t。

高铝粉煤灰制备莫来石晶须的实验研究

以高铝粉煤灰、NH4Al(SO4)2.12H2O和NaH2PO4.2H2O等为原料,设计配方研究温度对莫来石晶须生长的影响。运用X射线粉末衍射(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)等手段,对莫来石及晶须形成过程进行表征,结果表明:当Al2O3/SiO2摩尔比为0.32,烧结温度1 400℃,保温时间6 h,可获得直径为0.2 mm^0.5 mm,长径比为17~30的莫来石晶须。

低钙烧结法从高铝粉煤灰脱硅产物中提取氧化铝

本文采用低钙烧结法,对从高铝粉煤灰脱硅滤饼中提取氧化铝过程进行了研究。首先采用NaOH溶液在95℃条件下对高铝粉煤灰进行预脱硅,然后将Na2CO3、CaCO3按比例加入到脱硅滤饼中在不同温度下进行煅烧。根据热力学计算得到体系完全反应的最低温度,同时分析烧结温度对氧化铝标准溶出率的影响。实验结果表明:经过碱液预脱硅,脱硅滤饼中的Al2O3/SiO2质量比由原试样中的1.27提高至2.08;烧结熟料中的Al2O3在高于1050℃条件下可完全转化为NaAlO2,与热力学计算结果相一致。按照工业标准溶出条件,脱硅滤饼在1050℃下煅烧120 min后所得熟料的Al2O3溶出率达93.4%。