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粉煤灰提取氧化铝工艺技术比较研究

时间:2018-02-27 23:20:07  来源:互联网整理  作者:匿名  TAG:

   目  录

  摘  要  …………………………………………………………………………………………3

  一、我国粉煤灰提取氧化铝项目的研发进展、生产建设情况  ……………………3

  二、粉煤灰提取氧化铝的工艺技术及其工艺路线  ……………………………………5

  2.1预脱硅碱石灰烧结法提取氧化铝  ……………………………………………………5

  2.2石灰石烧结法提取氧化铝 ………………………………………………………………8

  2.3一步酸溶法提取氧化铝 …………………………………………………………………9

  2.4酸浸法提取氧化铝………………………………………… ……………………………10

  三、粉煤灰提取氧化铝工艺技术的比较分析 …………… ……………………………11

  四、结论与展望………………………………………………… ……………………………13

  参考文献  ………………………………………………… …………………………………13

   摘  要

  粉煤灰提取氧化铝,既符合我国发展循环经济的战略决策,又能缓解我国铝土矿资源短缺的问题。本文先阐述了我国粉煤灰提取氧化铝项目的研发进展、建设生产情况,然后对预脱硅碱石灰烧结法、石灰石烧结法、一步酸溶法和酸浸法四种提取氧化铝的工艺路线进行了综述,其中着重叙述了已经在企业全部打通生产流程的方法--预脱硅碱石灰烧结法生产氧化铝的工艺过程。最后比较分析了不同工艺路线提取氧化铝的优势和缺陷,

  【关键词】粉煤灰;氧化铝;方法技术;工艺过程;比较

  我国是一个铝土矿资源短缺的国家,矿石主要以中低品位的一水硬铝石为主,其生产工艺复杂,工艺能耗及生产成本较高。随着我国国民经济的快速发展,铝土矿资源日益贫化,缺口越来越大。矿石资源不足的问题严重制约了我国氧化铝工业的发展。

  而我国是世界上最大的产煤国,每年产煤量达20多亿t,其中大部分用于发电,电厂每年排出粉煤灰3亿~4亿t。粉煤灰的排放不仅占用大量土地,而且严重污染环境,对生态和环境造成双重破坏。近年来我国在粉煤灰综合利用研究与应用方面取得了很大进展,但这些利用大多集中在低附加值的建材、筑路回填等领域。研究表明[1]:粉煤灰中的氧化铝含量可以高达50%左右,接近传统铝土矿(一般在55%~65%)[2] ,是一种十分重要的非传统铝资源。近年来,粉煤灰提取氧化铝项目已经成为热点,受到政府的大力支持,许多大中型企业纷纷投资建厂。同时,高校、研究所等科研机构也开始越来越多的课题研究。有必要深入了解粉煤灰提取氧化铝的生产工艺与原理,并在此基础上比较分析不同粉煤灰提取氧化铝技术的优缺点与工业化可行性。

  一、我国粉煤灰提取氧化铝项目的研发进展、生产建设情况

  我国粉煤灰提取氧化铝项目主要集中在内蒙古和山西地区,包括蒙西集团、大唐国际、中煤集团、神华集团等大型企业,分别研发建设了中试或示范项目。其中,内蒙古地区的示范项目有3个:大唐国际20万吨( 呼和浩特市托克托县托克托工业园区) 、蒙西集团40万吨( 鄂尔多斯鄂市托克旗蒙西工业园区) 和内蒙古鑫旺再生资源80万吨( 鄂尔多斯市达拉特旗三垧梁工业园区) ;中试项目有5个:神华集团4000吨(鄂尔多斯市准格尔旗) 、鄂尔多斯电力冶金5000吨(鄂尔多斯市鄂克托旗棋盘井工业园区) 、华电集团5000吨(鄂尔多斯市准格尔旗大路工业园区) 、开元生态铝业1万吨( 鄂尔多斯市准格尔旗大路工业园区) 、东源科技1万吨( 鄂尔多斯市准格尔旗大路工业园区) 。山西地区有4个粉煤灰综合利用研发中心,其中2个建设了粉煤灰提取氧化铝示范项目:中煤集团10万吨( 朔州市富甲循环工业园区) 和国能神州20万吨( 朔州市固废综合利用工业园区) 。目前,还没有哪个项目实现商业化,仍然存在成本或技术问题。

  最早致力于粉煤灰提取氧化铝项目的是蒙西集团,早在1998年,蒙西集团就开始粉煤灰提取氧化铝的研发工作,在借鉴波兰经验的基础上,先后经过了机理研究和大型试验,于2004年完成工业化试验。2006年开工建设年产40万吨一级砂状氧化铝项目,采用石灰石烧结-拜耳法,分两期进行建设。一期20万吨于2013年建成投产。

  大唐国际从2004开始粉煤灰提取氧化铝的研发工作,与清华同方等企业合作,共同成立了内蒙古大唐国际再生资源开发公司,自主研发成功了预脱硅-碱石灰烧结法,联产活性硅酸钙(CaO·mSiO2·nH2O) 和水泥熟料,于2008年完成年产3000吨氧化铝中试项目并通过技术成果鉴定。2009 年开工建设年产20万吨氧化铝示范项目,2010年成功打通全流程,2012年实现连续稳定运行,2013年实现稳产达产,并且成本降至2560元/吨左右[3]。

  中煤平朔与朔州市政府合作,于2006年成立了针对粉煤灰提取氧化铝的“平朔高新技术研发中心”,利用预脱硅-碱石灰烧结法联产白炭黑(SiO2)和建材原料。2007年完成工业化中试试验;2009年完成中试项目,并通过专家验收;2011年开工建设年处理20万吨粉煤灰项目,即年产4.26万吨精制白炭黑和9.88万吨冶金级氧化铝;2014年成功打通全流程。

  神华集团从2004年开始致力于循环硫化床粉煤灰提取氧化铝的研发工作,与吉林大学签约,自主研发了“一步酸溶法”工艺技术并取得成功。“一步酸溶法”是盐酸浸取法,是真正的“减量化”生产。2010年开工建设年产4000吨氧化铝中试项目;2011年专门成立了神华准能资源综合开发有限公司;2013年通过了技术成果鉴定,产品质量超过了国家冶金级氧化铝一级品标准。

  华电能源与浙江大学、东北大学等合作,开展硫酸铵烧结法提取粉煤灰研究,2012年开工建设年产5000吨氧化铝中试项目,目前正在推进中[3]。

  表:我国粉煤灰提取氧化铝项目主要进展情况

  企业名称项目地点项目规模实施进度工艺技术

  大唐国际呼和浩特托克托工业园区20万吨/年稳产达产,达到月产1.67万吨设计值;成本降至约2560元/吨预脱硅碱石灰烧结法

  中煤平朔朔州市富甲循环工业园区10万吨/年成功打通全流程预脱硅碱石灰烧结法

  蒙西集团鄂尔多斯蒙西工业园区40万吨/年一期20万吨/年,投入试生产石灰石烧结

  神华集团鄂尔多斯准格尔旗4000吨/年通过技术成果鉴定一步酸溶法

  华电能源准格尔旗大路工业园区5000吨/年正在建设酸浸法

  二、粉煤灰提取氧化铝的工艺技术及其工艺路线

  国内外提取氧化铝的研究较多,大多数仍处于实验室阶段。目前我国粉煤灰提取氧化铝项目采用的工艺技术主要有四种:预脱硅碱石灰烧结法、石灰石烧结法、一步酸溶法和酸浸法。工艺流程主要有溶出、分解和焙烧三个阶段,重点是铝的溶解提取、硅的沉淀分离、以及铁/钛的去除等。

  2.1预脱硅碱石灰烧结法提取氧化铝

  利用粉煤灰预脱硅碱石灰烧结法生产氧化铝,其独特的工艺路线为粉煤灰与碱液混匀后在高温高压下进行脱硅,使脱硅后的粉煤灰A/S提高到与低硅铝土矿A/S相近的范围,从而采用传统的烧结法工艺处理粉煤灰提取氧化铝成为可能。

  烧结法是将粉煤灰配入石灰石(石灰)、苏打(含有NaCO3的碳分循环母液),在高温下锻烧得到含固体NaA1O2的熟料,用稀碱液溶出熟料便得到NaA1O2溶液。经脱硅后的纯净NaA1O2溶液用碳酸化分解法(向溶液中通入CO2)使溶液中的A12O3呈Al(OH)3析出,碳分母液经过蒸发浓缩后用于配制生料浆,形成循环。碱石灰烧结法工艺相对比较复杂,成本和能耗较高,而且产品质量不如拜耳法。但是,在工艺过程中粉煤灰中的主要杂质Si02以原硅酸钙(2CaO-Si02)进入赤泥,如果不考虑溶出过程中的副反应,一般原则上Si02是不会造成A12O3和N a2O损失的,具体有粉煤灰的预调配、粉煤灰预脱硅、生石灰、二氧化碳、石灰乳制备、生料浆磨制、生料浆调配、熟料烧结、熟料中碎及溶出、硅钙渣快速分离、洗涤、脱碱、一二段脱硅、碳酸化分解、分解分级、种子过滤及成品过滤、碳分母液蒸发、氢氧化铝焙烧等过程,限于篇幅,笔者只介绍如下几个过程的流程图。

  1、粉煤灰的预调配

  流程图描述如下图:

  2、粉煤灰预脱硅

  流程图描述如下图:

  主反应:2NaOH+SiO2(非晶态)=Na2SiO3 +H2O

  副反应:2NaOH+Al2O3(非晶态)=2NaAlO2+H2O

  3、硅钙渣快速分离、洗涤、脱碱

  流程描述如下:

  4、一二段脱硅

  主要的化学反应是一段脱硅,用钠硅渣作为晶种,反应脱硅:

  2Na2SiO3 +2NaAl(OH)4+aq=Na2O·Al2O3·2SiO2·nH2O+4NaOH+aq

  二段脱硅,用石灰乳进行反应,精细脱硅:

  3CaO+2NaAlO2+7H2O=3CaO+Al2O3·6H2O+2NaOH

  3CaO+Al2O3·6H2O+xSiO2(OH)22-=3CaOAl2O3xSiO(6-2x)H2O+2xOH-+2xH2O(二段)

  5、氢氧化铝焙烧

  这是最后的一道工艺,得到了产品氧化铝。流程描述如下图:


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