CN106477609A - 粉煤灰硫酸熟化生产氧化铝的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种粉煤灰硫酸熟化生产氧化铝的方法，属于粉煤灰综合利用技术领域。将适量的浓硫酸与粉煤灰拌合均匀后进行熟化得到硫酸化熟料，然后用硫酸铝结晶母液或水浸出熟料得到硫酸铝溶液和高硅渣，硫酸铝溶液经蒸发浓缩结晶、干燥脱水得到硫酸铝，将硫酸铝与适量还原剂一起进行快速还原焙烧得到粗氧化铝，然后采用低温拜耳法处理粗氧化铝生产冶金级氧化铝。所得高硅渣可以经氢氧化钠浸出生产白炭黑或活性硅酸钙。该方法具有铝回收率高，设备材质容易解决，氧化铝产品质量好等优点，浸出铝后的渣为碱溶活性好的高硅渣，可进一步生产多种高附加值硅产品。

Description

粉煤灰硫酸熟化生产氧化铝的方法
技术领域
本发明属于粉煤灰的综合利用，涉及粉煤灰生产氧化铝的方法，尤其是采用硫酸熟化工艺生产氧化铝的方法。
背景技术
煤炭燃烧过程产生大量粉煤灰，除少部分用于水泥建材生产原料而得到部分利用外，大部分粉煤灰堆存，不仅占用大量土地资源，而且对环境污染严重。我国有大量高铝煤，燃烧发电过程产出大量高铝粉煤灰，其粉煤灰中铝含量更是高达40-60％，具有较高的提取铝价值。但由于粉煤灰中的铝硅比很低，传统的氧化铝生产工艺难以适应处理粉煤灰，需要采用适合粉煤灰特点的工艺技术，目前国内外研究的粉煤灰生产氧化铝方法大致分为碱法和酸法两大类。
碱法包括直接烧结法和预脱硅-烧结法等。直接烧结法类似于铝土矿烧结法生产氧化铝工艺，将粉煤灰与石灰石粉按一定比例混合磨矿后干法烧结，然后用碱溶出熟料提取氧化铝，浸出渣用于生产水泥，由于粉煤灰含硅高，直接烧结需要配入大量石灰石粉，烧结能耗高，且提取氧化铝后的会产生大量硅钙渣，每生产1吨氧化铝需产出8～10吨硅钙渣，如何消纳处置这些新渣面临更大困难。对粉煤灰进行碱浸预脱硅处理可以减少烧结物料量，从而降低烧结能耗和减少浸出渣量，同时预脱硅得到的含硅溶液可以生产白炭黑、硅灰石等高值硅产品。如CN101284668A公开的一种从高铝粉煤灰中提取氧化铝的方法，将高铝粉煤灰与氢氧化钠溶液在高压反应釜内进行加压浸出，使部分硅溶出，含硅浸出液用于生产白炭黑，预脱硅后的粉煤灰与石灰石粉、碳酸钠溶液混合后烧结，然后浸出铝。采用预脱硅技术可以提高粉煤灰的铝硅比，降低烧结量，从而降低氧化铝生产能耗，并副产白炭黑、硅灰石等硅产品，但对于大规模的粉煤灰综合利用，白炭黑、硅灰石产品面临的市场销售与竞争压力非常大。此外，对于循环流化床锅炉粉煤灰，由于其含硫普遍较高，采用碱法工艺的碱耗更高，且碳化或种分母液中硫酸盐浓度高，排硫负荷大、成本高。
粉煤灰酸法生产氧化铝由于不需要成渣药剂，提取氧化铝后的残渣量少，符合减量化综合利用工业固废的要求。但由于粉煤灰中铝主要以莫来石或其它化学活性低的铝硅酸盐形式存在，直接酸浸困难，需要采用浓硫酸高温浸出或加压盐酸浸出或氟化物助溶浸出，介质腐蚀性强，设备材质要求高、造价高，铝浸出率较低，氧化铝的生产能耗高、成本高。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有粉煤灰提取氧化铝技术中的不足，提供一种粉煤灰硫酸熟化生产氧化铝的方法。
为实现上述发明目的，本发明的技术方案如下。
粉煤灰硫酸熟化生产氧化铝的方法，包括下述步骤：
(1)硫酸熟化：将粉煤灰与浓硫酸按一定配比混合均匀后进行熟化得到硫酸化熟料，所述熟化的熟化温度100～500℃，熟化时间1～48h；
(2)浸出：将步骤(1)得到的硫酸化熟料用硫酸铝结晶母液和适量补充水混合搅拌一段时间后过滤，得到硫酸铝溶液和高硅渣；
(3)浓缩结晶：将步骤(2)得到的硫酸铝溶液蒸发浓缩，然后结晶、过滤，得到结晶硫酸铝和结晶母液，结晶母液返回步骤(2)浸出；
(4)干燥脱水：将步骤(3)得到的结晶硫酸铝进行干燥和脱除结晶水，得到硫酸铝；
(5)还原焙烧：将步骤(4)得到的硫酸铝与适量还原剂一起在一定温度下进行还原焙烧，得到粗氧化铝和含硫烟气，含硫烟气收集后制酸返回步骤(1)循环使用；
(6)低温拜耳法溶出：将步骤(5)得到的粗氧化铝用种分母液与适量补充碱液进行低温碱浸，然后液固分离得到铝酸钠溶液；
(7)制备氧化铝：将步骤(6)得到的铝酸钠溶液经种分或碳分制备氢氧化铝，然后固液分离得到氢氧化铝和种分母液，母液返回步骤(6)循环使用，氢氧化铝经煅烧生产氧化铝。
步骤(1)中粉煤灰与浓硫酸的配比为按浓硫酸中H2SO4与粉煤灰中Al2O3摩尔数比3:1～5:1加入，浓硫酸的质量浓度≥85％。
步骤(1)中熟化采用回转式设备，所述回转式设备为回转窑、回转筒、旋转盘、螺旋混拌设备中的一种或多种。温度从低到高分1～6段进行熟化。
进一步地，步骤(1)中的熟化温度为150～350℃，熟化时间为0.5～4h。
进一步地，步骤(1)中的熟化采用回转窑进行熟化，控制回转窑中物料的升温速度为0.5～5℃/min，其中在100～150℃段的停留时间不小于30min，在200～300℃段的停留时间为0.5～2h。
进一步地，步骤(3)中，在浓缩结晶前，调节硫酸铝溶液中的硫酸浓度，至溶液中Al2(SO4)3与H2SO4的质量浓度比为10:1～50:1。
进一步地，步骤(3)中蒸发浓缩采用MVR蒸发器蒸发，蒸发温度60～100℃。结晶为冷却结晶，即将浓缩后液冷却至30～50℃进行结晶。
步骤(5)中所述的还原剂为煤粉、煤矸石粉、煤气、天然气、硫磺或石油焦等低值含碳燃料中的一种或多种，优选煤气或天然气。
进一步地，步骤(5)中所述的还原焙烧为快速流态化焙烧，焙烧炉为循环流化床焙烧炉、气态悬浮焙烧炉或流态闪速焙烧炉中的一种。
进一步地，步骤(5)中的还原焙烧温度为500-900℃，优选650-800℃，还原焙烧时间0.1-60min，优选0.1-15min。
步骤(6)所述的低温拜耳法溶出，其溶出条件为：溶出温度80-250℃，碱浓度100-250g/L，浸出时间20-80min，配料分子比αk0.8-2.0。
进一步地，步骤(2)得到的高硅渣用氢氧化钠溶液浸出硅，得到的硅酸钠溶液用于生产白炭黑或活性硅酸钙。
本发明的粉煤灰硫酸熟化生产氧化铝的方法，可用于各种类型的粉煤灰，可以是循环流化床炉粉煤灰、煤粉炉粉煤灰、层燃炉粉煤灰、旋风炉粉煤灰中的一种或多种，尤其适合于处理循环流化床炉脱硫粉煤灰。
本发明的粉煤灰硫酸熟化生产氧化铝的方法，采用硫酸熟化——水浸——MVR蒸发浓缩——冷却结晶——干燥脱水——还原焙烧——低温拜耳法回收氧化铝，通过硫酸熟化强化了粉煤灰中铝硅酸盐矿物的分解并转化为水溶性硫酸铝，然后通过水浸提取氧化铝并消除粉煤灰中的硫对拜耳法生产氧化铝的不利影响，设备材质容易解决，且铝回收率高；采用MVR蒸发和冷却结晶进行浓缩结晶，蒸发量少、能耗低；采用还原焙烧分解硫酸铝，可降低硫酸铝的分解温度和提高焙砂中氧化铝的碱溶活性，从而降低焙烧能耗和提高铝的回收率。
附图说明
附图为本发明的方法的原则流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做出进一步说明。
将适量的浓硫酸与粉煤灰拌合均匀后进行熟化得到硫酸化熟料，然后用硫酸铝结晶母液或水浸出熟料得到硫酸铝溶液和高硅渣，硫酸铝溶液经蒸发浓缩结晶、干燥脱水得到硫酸铝，将硫酸铝与适量还原剂一起进行快速还原焙烧得到粗氧化铝，然后采用低温拜耳法处理粗氧化铝生产冶金级氧化铝。所得高硅渣经氢氧化钠浸出生产白炭黑或活性硅酸钙。
以下用非限定性实施例对本发明的方法作进一步的说明，以有助于理解本发明的内容及其优点，而不作为对本发明保护范围的限定，本发明的保护范围由权利要求书决定。
实施例1
将循化流化床锅炉粉煤灰与浓度93％的浓硫酸混合均匀后在200℃下熟化2h得到硫酸化熟料，浓硫酸的加入量按硫酸中H2SO4与粉煤灰中Al2O3摩尔数比3.5:1加入，用水浸出熟料，浸出液蒸发浓缩、结晶、干燥脱水得到硫酸铝，硫酸铝经还原焙烧得到粗氧化铝，粗氧化铝采用100g/L的氢氧化钠溶液于95℃下浸出得到铝酸钠溶液，铝酸钠溶液经种分、煅烧得到冶金级氧化铝。
实施例2
将循化流化床锅炉粉煤灰与浓度93％的浓硫酸混合均匀后在回转窑中进行熟化，浓硫酸的加入量按硫酸中H2SO4与粉煤灰中Al2O3摩尔数比3.5:1加入，混合物料在100～150℃温度段的停留时间为1h，在200～250℃温度段的停留时间0.5h得到硫酸化熟料，用水浸出熟料，浸出液蒸发浓缩、结晶、干燥脱水得到硫酸铝，硫酸铝经还原焙烧得到粗氧化铝，粗氧化铝采用100g/L的氢氧化钠溶液于95℃下浸出得到铝酸钠溶液，铝酸钠溶液经种分、煅烧得到冶金级氧化铝。
实施例3
将循化流化床锅炉粉煤灰与浓度93％的浓硫酸混合均匀后在回转窑中进行熟化，浓硫酸的加入量按硫酸中H2SO4与粉煤灰中Al2O3摩尔数比3.5:1加入，混合物料在100～150℃温度段的停留时间为1h，在200～250℃温度段的停留时间0.5h得到硫酸化熟料，用实施例2中得到的硫酸铝结晶母液和适量补充水一起浸出熟料，浸出液蒸发浓缩、结晶、干燥脱水得到硫酸铝，硫酸铝经还原焙烧得到粗氧化铝，粗氧化铝采用100g/L的氢氧化钠溶液于95℃下浸出得到铝酸钠溶液，铝酸钠溶液经种分、煅烧得到冶金级氧化铝。
实施例4
将循化流化床锅炉粉煤灰与浓度93％的浓硫酸混合均匀后在回转窑中进行熟化，浓硫酸的加入量按硫酸中H2SO4与粉煤灰中Al2O3摩尔数比3.5:1加入，混合物料在100～150℃温度段的停留时间为1h，在200～250℃温度段的停留时间0.5h得到硫酸化熟料，用硫酸铝结晶母液和适量补充水一起浸出熟料，浸出液用MVR蒸发工艺于90℃蒸发浓缩，浓缩后的硫酸铝溶液冷却到40℃进行结晶，结晶物经干燥脱水得到硫酸铝，硫酸铝于气态悬浮焙烧炉以煤气味还原剂进行还原焙烧得到粗氧化铝，粗氧化铝采用150g/L的氢氧化钠溶液于150℃下浸出得到铝酸钠溶液，铝酸钠溶液经种分、煅烧得到冶金级氧化铝。
实施例5
将循化流化床锅炉粉煤灰与浓度93％的浓硫酸混合均匀后在回转窑中进行熟化，浓硫酸的加入量按硫酸中H2SO4与粉煤灰中Al2O3摩尔数比3.5:1加入，混合物料在100～150℃温度段的停留时间为1h，在200～250℃温度段的停留时间0.5h得到硫酸化熟料，用水浸出熟料，得到硫酸铝溶液和高硅渣，将硫酸铝溶液补充适量硫酸至溶液中Al2(SO4)3与H2SO4的质量浓度比为25:1，然后蒸发浓缩、结晶、干燥脱水得到硫酸铝，硫酸铝经还原焙烧得到粗氧化铝，粗氧化铝采用100g/L的氢氧化钠溶液于95℃下浸出得到铝酸钠溶液，铝酸钠溶液经种分、煅烧得到冶金级氧化铝。
实施例6
将实施例5得到的高硅渣用100g/L的氢氧化钠溶液在100℃下浸出得到硅酸钠溶液，然后制备白炭黑。

Claims (12)

1.粉煤灰硫酸熟化生产氧化铝的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)硫酸熟化：将粉煤灰与浓硫酸按一定配比混合均匀后进行熟化得到硫酸化熟料，所述熟化的熟化温度100～500℃，熟化时间1～48h，熟化温度优选150～350℃，熟化时间优选0.5～4h；
(2)浸出：将步骤(1)得到的硫酸化熟料用硫酸铝结晶母液和适量补充水混合搅拌一段时间后过滤，得到硫酸铝溶液和高硅渣；
(3)浓缩结晶：将步骤(2)得到的硫酸铝溶液蒸发浓缩，然后结晶、过滤，得到结晶硫酸铝和结晶母液，结晶母液返回步骤(2)浸出；
(4)干燥脱水：将步骤(3)得到的结晶硫酸铝进行干燥和脱除结晶水，得到硫酸铝；
(5)还原焙烧：将步骤(4)得到的硫酸铝与适量还原剂一起在一定温度下进行还原焙烧，得到粗氧化铝和含硫烟气，含硫烟气收集后制酸返回步骤(1)循环使用；
(6)低温拜耳法溶出：将步骤(5)得到的粗氧化铝用种分母液与适量补充碱液进行低温碱浸，然后液固分离得到铝酸钠溶液；
(7)制备氧化铝：将步骤(6)得到的铝酸钠溶液经种分或碳分制备氢氧化铝，然后固液分离得到氢氧化铝和种分母液，母液返回步骤(6)循环使用，氢氧化铝经煅烧生产氧化铝。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中粉煤灰与浓硫酸的配比为按浓硫酸中H2SO4与粉煤灰中Al2O3摩尔数比3:1～5:1加入，浓硫酸的质量浓度≥85％。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中的熟化采用回转式设备，所述回转式设备为回转窑、回转筒、旋转盘、螺旋混拌设备中的一种或多种，温度从低到高分1～6段进行熟化。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤(1)中熟化设备为回转窑，控制回转窑中物料的升温速度为0.5～5℃/min，物料在100～150℃段的停留时间不小于30min，在200～300℃段的停留时间为0.5～2h。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)浓缩结晶前，调节硫酸铝溶液中的硫酸浓度，至溶液中Al2(SO4)3与H2SO4的质量浓度比为10:1～50:1。
6.根据权利要求1或5所述的方法，其特征在于，步骤(3)所述蒸发浓缩采用MVR蒸发器蒸发，蒸发温度60～100℃；所述结晶为将浓缩后液冷却至30～50℃进行结晶。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(5)中所述还原剂为煤粉、煤矸石粉、煤气、天然气、硫磺或石油焦中的一种或多种，优选煤气或天然气。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(5)中还原焙烧温度500-900℃，优选650-800℃，还原焙烧时间0.1-60min，优选0.1-15min。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(5)中所述的还原焙烧为快速流态化焙烧，焙烧炉为循环流化床焙烧炉、气态悬浮焙烧炉或流态闪速焙烧炉中的一种。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(6)所述低温拜耳法溶出，其溶出条件为：溶出温度80-200℃，碱浓度100-250g/L，浸出时间20-80min，配料分子比αk0.8-2.0。
11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括步骤(8)，将步骤(2)得到的高硅渣用氢氧化钠溶液浸出硅，得到的硅酸钠溶液进一步生产白炭黑或活性硅酸钙。
12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)所述粉煤灰为循环流化床炉粉煤灰、煤粉炉粉煤灰、层燃炉粉煤灰、旋风炉粉煤灰中的一种或多种，优选循环流化床炉脱硫粉煤灰。
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