本發(fā)明涉及煤粉爐粉煤灰處理技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種酸法提取煤粉爐粉煤灰中氧化鋁的工藝方法。
背景技術(shù)：
粉煤灰是煤燃燒后產(chǎn)生的固體廢棄物，排放量巨大，據(jù)統(tǒng)計(jì)我國2015年年排放量高達(dá)6.2億噸，預(yù)計(jì)到2020年我國粉煤灰總堆積量將達(dá)到30多億噸，其堆積占地和流失形成的空氣水質(zhì)污染、土地沙化堿化等問題已對人類及環(huán)境產(chǎn)生了較大影響。氧化鋁是粉煤灰中具備精細(xì)化利用價(jià)值的主要成分，特別是我國陜西、山西、內(nèi)蒙古等省份煤炭燃燒產(chǎn)生的高鋁粉煤灰，其氧化鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均在40％以上，相當(dāng)于中等品位鋁土礦，現(xiàn)已探明國內(nèi)高鋁煤炭資源的儲(chǔ)量高達(dá)319億噸，遠(yuǎn)景資源量為1000億噸，極具開發(fā)利用價(jià)值。
根據(jù)燃煤鍋爐不同可將粉煤灰分為循環(huán)流化床粉煤灰和煤粉爐粉煤灰，其中煤粉爐粉煤灰占粉煤灰總量的90％以上，該類粉煤灰是煤粉在煤粉爐中1300～1600℃高溫下燃燒得到的，又稱高溫粉煤灰。因?yàn)槊悍蹱t粉煤灰是煤粉高溫燃燒的產(chǎn)物，所以大部分粉煤灰是以結(jié)構(gòu)聚合度大的玻璃體形式存在，且部分轉(zhuǎn)化為化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的莫來石和剛玉等礦物質(zhì)。采用傳統(tǒng)的酸溶或堿溶技術(shù)很難打破粉煤灰中穩(wěn)定的si-o-al鍵，且酸和堿直接與莫來石和剛玉等反應(yīng)活性極差，提取其中的氧化鋁較為困難。
因此，開發(fā)煤粉爐粉煤灰中鋁資源的活化提取方法，可實(shí)現(xiàn)煤粉爐粉煤灰高附加值資源化利用，減少粉煤灰土地占用及對環(huán)境的污染，有利于資源和環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
為了解決傳統(tǒng)的酸溶法或堿溶法不易提取煤粉爐粉煤灰中的氧化鋁的問題，本發(fā)明提供一種酸法提取煤粉爐粉煤灰中氧化鋁的工藝方法，本方法利用硫酸銨焙燒來破除煤粉爐粉煤灰中的si-o-al鍵，對粉煤灰中氧化鋁進(jìn)行活化處理；通過鹽酸進(jìn)行氧化鋁浸出；利用氯化鋁在不同濃度鹽酸中溶解度不同，采用通氯化氫氣體的方法實(shí)現(xiàn)六水氯化鋁結(jié)晶和雜質(zhì)離子去除的一步完成；所有物料經(jīng)處理可實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用。
本發(fā)明的技術(shù)方案是提供一種酸法提取煤粉爐粉煤灰中氧化鋁的工藝方法，所述方法由以下步驟實(shí)現(xiàn)：
步驟一：向煤粉爐粉煤灰中加入硫酸銨焙燒，進(jìn)行活化反應(yīng)，焙燒后再經(jīng)高溫煅燒得到活化后的粉煤灰熟料；
焙燒過程經(jīng)歷了如下反應(yīng)：
4(nh4)2so4+al2o3＝2nh4al(so4)2+6nh3↑+3h2o
3(nh4)2so4+al2o3＝al2(so4)3+6nh3↑+3h2o
(nh4)2so4＝so3↑+2nh3↑+h2o
煅燒過程經(jīng)歷了如下反應(yīng)：
2nh4al(so4)2＝al2o3+2nh3↑+4so3↑+h2o
al2(so4)3＝al2o3+3so3↑
(nh4)2so4＝so3+2nh3↑+h2o
步驟二：將活化后粉煤灰熟料用鹽酸加熱溶出，固液分離，并用水洗滌固體，收集液相得到氯化鋁粗液，反應(yīng)如下：
al2o3+6hcl＝2alcl3+3h2o
步驟三：向氯化鋁粗液中通入氯化氫氣體，靜置結(jié)晶析出六水氯化鋁晶體，固液分離，用濃鹽酸洗滌晶體除去雜質(zhì)離子，得到高純度六水氯化鋁和廢酸液；
步驟四：煅燒六水氯化鋁晶體生成冶金級氧化鋁。
優(yōu)選地，上述步驟四煅燒產(chǎn)生的尾氣氯化氫氣體和水蒸氣，直接通入步驟三的廢酸液中。
優(yōu)選地，上述方法還包括步驟五：向廢酸液中加入無機(jī)氯鹽化物，加熱、萃取、蒸餾回收為鹽酸和氯化氫氣體，鹽酸經(jīng)處理可回用于步驟二，氯化氫氣體則經(jīng)干燥直接回用于步驟三。
優(yōu)選地，上述步驟五中，無機(jī)鹽氯化物為氯化鈣、氯化鎂、氯化鈉或氯化鉀；優(yōu)選為氯化鈣或氯化鎂。
優(yōu)選地，上述步驟一中：粉煤灰中氧化鋁和硫酸銨摩爾比為1：(3～8)，焙燒溫度為300～500℃，焙燒時(shí)間為0.5～3h，煅燒溫度為600～900℃，煅燒時(shí)間為0.5～5h；
優(yōu)選地，焙燒和煅燒產(chǎn)生尾氣為氨氣和三氧化硫，將尾氣通入水中吸收，經(jīng)結(jié)晶生成硫酸銨回用。
優(yōu)選地，上述步驟二中：所用鹽酸濃度為20％～35％，粉煤灰熟料和鹽酸的質(zhì)量比為1：(3～10)，溶出溫度為90～150℃，溶出時(shí)間為0.5～3h，洗滌液水的質(zhì)量為粉煤灰質(zhì)量的0.5～2倍；濾渣主要成分為二氧化硅，可用于生產(chǎn)白碳黑或建筑用材料等；
優(yōu)選地，上述步驟三中：向氯化鋁粗液中通入氯化氫氣體進(jìn)行六水氯化鋁結(jié)晶時(shí)，控制溫度為20～45℃，結(jié)晶終點(diǎn)為反應(yīng)后溶液中鹽酸濃度為36％～40％，反應(yīng)完全后靜置老化1～10h，固液分離后洗滌液為濃鹽酸(37％)，洗滌液用量為粉煤灰質(zhì)量的1～3倍。
優(yōu)選地，上述步驟四中：晶體煅燒溫度為900～1200℃，煅燒時(shí)間為0.5～3h，煅燒產(chǎn)生的尾氣直接通入廢酸液中進(jìn)行吸收和熱交換，實(shí)現(xiàn)物料循環(huán)和熱循環(huán)。
本發(fā)明的有益效果是：
本發(fā)明采用粉煤灰和硫酸銨混合焙燒活化，固相物料易于焙燒運(yùn)作及工業(yè)化生產(chǎn)，設(shè)備要求低，通過煅燒可實(shí)現(xiàn)硫酸銨直接回收循環(huán)利用；
采用鹽酸對熟料進(jìn)行溶出，將活化后氧化鋁浸在酸浸液中，而二氧化硅與酸性物質(zhì)不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而保留在殘?jiān)?，可將其用于生產(chǎn)白炭黑或建筑用材料等；
通過向酸浸液中通入hcl氣體的方法，可實(shí)現(xiàn)溶液中al3+轉(zhuǎn)化為alcl3·6h2o固相晶體結(jié)晶析出，而雜質(zhì)離子則存在于液相酸浸液中，經(jīng)固液分離-洗滌晶體，實(shí)現(xiàn)除雜-結(jié)晶一步完成；所得高純度alcl3·6h2o晶體經(jīng)高溫煅燒生產(chǎn)氧化鋁；
廢酸液則經(jīng)加鹽萃取蒸餾回收鹽酸和氯化氫氣體循環(huán)利用；
該工藝可實(shí)現(xiàn)煤粉爐粉煤灰資源化利用，工藝流程簡單，物料可實(shí)現(xiàn)全循環(huán)利用，氧化鋁提取率高達(dá)84.6％～90.4％，且產(chǎn)品純度一級冶金級氧化鋁質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。
附圖說明
圖1為本發(fā)明的方法的工藝流程示意圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖及具體實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步的描述。
實(shí)施例一
將2.00kg粉煤灰(含52.00％的al2o3、37.27％的sio2)與4.04kg硫酸銨(al2o3與硫酸銨的摩爾比1:3)均勻混合，于焙燒爐中300℃下焙燒0.5h，隨后升溫至600℃繼續(xù)煅燒0.5h得到粉煤灰熟料。取2.00kg熟料，向2.00kg熟料中加入6.00kg濃度為20％的鹽酸溶液，于90℃下進(jìn)行溶出反應(yīng)0.5h，過濾，實(shí)現(xiàn)固液分離，并用1.00kg水洗滌濾渣。取8.60kg濾液攪拌下通入hcl氣體，控制溶液溫度為20℃，當(dāng)溶液中鹽酸濃度達(dá)到36％時(shí)，停止通氣，靜置老化1h后，過濾分離，用2.00kg濃鹽酸(37％)洗滌晶體后得到六水氯化鋁晶體，晶體在900℃下煅燒0.5h得到氧化鋁0.88kg，提取率為84.6％，所得氧化鋁的化學(xué)組成為：al2o3(99.39％)、fe2o3(0.017％)、sio2(0.018％)、na2o(0.021％)，達(dá)到一級冶金級氧化鋁質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。粉煤灰焙燒-煅燒副產(chǎn)物為氨氣和三氧化硫，將其通入水中生成硫酸銨，經(jīng)結(jié)晶后循環(huán)利用；六水氯化鋁晶體煅燒產(chǎn)生尾氣為氯化氫氣體和水蒸氣，經(jīng)吸收循環(huán)；結(jié)晶后固液分離濾液為含有雜質(zhì)離子的濃鹽酸，采用傳統(tǒng)的加鹽萃取蒸餾工藝，向廢酸液中加入氯化鈣提高溶液中氯化氫的揮發(fā)性，實(shí)現(xiàn)物料回收循環(huán)，廢酸液中鹽酸可降低至1％。
實(shí)施例二
將2.00kg粉煤灰(含52.00％的al2o3、37.27％的sio2)與6.06kg硫酸銨(al2o3與硫酸銨的摩爾比1:6)均勻混合，于焙燒爐中410℃下焙燒1.5h，隨后升溫至750℃繼續(xù)煅燒2h得到粉煤灰熟料。取2.00kg熟料，向2.00kg熟料中加入14.00kg濃度為30％的鹽酸溶液，于140℃下進(jìn)行溶出反應(yīng)1.5h，過濾分離，并用2.00kg水洗滌濾渣。取17.60kg濾液攪拌下通入hcl氣體，控制溶液溫度為30℃，當(dāng)溶液中鹽酸濃度達(dá)到38％時(shí)，停止通氣，靜置老化5h后，過濾分離，用3kg濃鹽酸(37％)洗滌后得到六水氯化鋁晶體，晶體在1100℃煅燒1.5h得到氧化鋁0.93kg，提取率為89.4％，所得氧化鋁的化學(xué)組成為：al2o3(99.25％)、fe2o3(0.018％)、sio2(0.018％)、na2o(0.028％)，達(dá)到一級冶金級氧化鋁質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。粉煤灰焙燒-煅燒產(chǎn)物為氨氣和三氧化硫，將其通入水中生成硫酸銨，經(jīng)結(jié)晶后循環(huán)利用；六水氯化鋁晶體煅燒產(chǎn)生尾氣為氯化氫氣體和水蒸氣，經(jīng)吸收循環(huán)；結(jié)晶后固液分離濾液為含有雜質(zhì)離子的濃鹽酸，采用傳統(tǒng)的加鹽萃取蒸餾工藝，向廢酸液中加入氯化鎂提高溶液中氯化氫的揮發(fā)性，實(shí)現(xiàn)物料回收循環(huán)，廢酸液中鹽酸可降低至1％。
實(shí)施例三
將2.00kg粉煤灰(含al2o352.00％、sio237.27％)與8.08kg硫酸銨(al2o3與硫酸銨的摩爾比1:8)均勻混合，于焙燒爐中500℃下焙燒3h，隨后升溫至900℃繼續(xù)煅燒5h得到粉煤灰熟料。取2.00kg熟料，向2.00kg熟料中加入20.00kg濃度為35％的鹽酸溶液，于150℃下進(jìn)行溶出反應(yīng)3h，過濾分離，并用4.00kg水洗滌濾渣。取25.6kg濾液攪拌下通入hcl氣體，控制溶液溫度為45℃，當(dāng)溶液中鹽酸濃度達(dá)到40％時(shí)，停止通氣，靜置老化10h后，過濾分離，用6kg濃鹽酸(37％)洗滌后得到六水氯化鋁晶體，晶體在1200℃下煅燒3h得到氧化鋁0.94kg，提取率為90.4％，所得氧化鋁的化學(xué)組成為：al2o3(99.09％)、fe2o3(0.019％)、sio2(0.019％)、na2o(0.033％)，達(dá)到一級冶金級氧化鋁質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。粉煤灰焙燒-煅燒產(chǎn)物為氨氣和三氧化硫，將其通入水中生成硫酸銨，經(jīng)結(jié)晶后循環(huán)利用；六水氯化鋁晶體煅燒產(chǎn)生尾氣為氯化氫氣體和水蒸氣，經(jīng)吸收循環(huán)；結(jié)晶后固液分離濾液為含有雜質(zhì)離子的濃鹽酸，采用傳統(tǒng)的加鹽萃取蒸餾工藝，向廢酸液中加入氯化鉀和氯化鈉提高溶液中氯化氫的揮發(fā)性，實(shí)現(xiàn)物料回收循環(huán)，廢酸液中鹽酸可降低至1％。