高鋁粉煤灰 資源化利用 內(nèi)蒙古中西部 氧化鋁 非晶態(tài)SiO2 堿石灰燒結法
高鋁粉煤灰是近年來在我國內(nèi)蒙古中西部地區(qū)發(fā)現(xiàn)的一種粉煤灰新類型，其Al<,2>O<,3>含量高達50％左右，相當于我國中級品位鋁土礦中氧化鋁的含量。根據(jù)高鋁粉煤灰的資源特性結合市場需求，確定了對高鋁粉煤灰中Al<,2>O<,3>、SiO<,2>以及Ga<,2>O<,3>等有用資源逐級提取，最后將剩余產(chǎn)物生產(chǎn)建材的資源化利用方案。本文運用地質(zhì)學的研究方法，研究高鋁粉煤灰的形成和特性及其后續(xù)提取氧化鋁過程中的物質(zhì)演化規(guī)律和內(nèi)在機理，旨在為高鋁粉煤灰資源化利用技術路線的制定奠定基礎。 利用光學和電子顯微鏡、X-射線衍射、化學分析、ICP―MS分析、<29>Si魔角旋轉(zhuǎn)核磁共振、TGA-DTA分析等手段，綜合運用地球化學、礦物學、煤田地質(zhì)學、煤燃燒學、物理化學以及冶金化工等多個學科的理論知識，從分析高鋁粉煤灰的物質(zhì)來源和成因入手，對產(chǎn)生高鋁粉煤灰的燃煤煤種-內(nèi)蒙古準格爾煤田晚古生代煙煤進行無機地球化學特征研究，發(fā)現(xiàn)高鋁粉煤灰來源于煤中賦存的細分散狀勃姆石和高嶺石礦物，而這些礦物的形成由當時特殊的地質(zhì)和地球化學條件所決定；對高鋁粉煤灰的顯微結構、物相組成、化學組成以及部分主微量元素在不同物相或物相組合中的分布規(guī)律的研究表明，高鋁粉煤灰中不僅富含氧化鋁，而且富集微晶莫來石及非晶SiO<,2>和稀有分散元素Ga等有益組分，是一種十分寶貴的再生礦產(chǎn)資源：根據(jù)這些特性確定了高鋁粉煤灰逐級提取氧化鋁等有用資源的總體技術路線如下：先用高濃度NaOH對高鋁粉煤灰進行低溫脫硅以進一步提高粉煤灰的Al/Si比，脫硅液用于制備白炭黑，然后再用堿石灰燒結法從脫硅粉煤灰中提取氧化鋁。通過系列正交實驗，獲得了高鋁粉煤灰預脫硅和提取氧化鋁等關鍵工藝的物理化學條件和參數(shù)，結果表明： 1)粉煤灰的最佳脫硅條件為：NaOH的濃度為25％，灰堿質(zhì)量比為1：0.5，反應溫度95℃，反應時間4小時。經(jīng)最佳條件反應之后，SiO<,2>提取率達41.8％。經(jīng)該條件處理后高鋁粉煤灰中Al<,2>O<,3>的含量由48.5％增加到了57.38％，Al/Si質(zhì)量比由原來的1.28提高到了2.39。2)脫硅高鋁粉煤灰的最佳焙燒條件為：鈣比為2∶1，鈉比0.95∶1，焙燒溫度1150℃，保溫時間60分鐘。熟料中鋁酸鈉的最佳水溶出條件為：溫度70℃、溶出時間10分鐘。在上述條件下，在實驗室制備出了成分指標達到或者超過了行業(yè)標準的白炭黑和氧化鋁，其中Al<,2>O<,3>的提取率超過90％；對粉煤灰玻璃相與NaOH之間的灰一堿反應動力學以及脫硅粉煤灰一碳酸鈉一碳酸鈣體系的焙燒機理和反應熱力學進行了探討研究；最后，以整個工藝過程中的主要物質(zhì)演化為主線，分析了高鋁粉煤灰中的Ga及U、Th、Pb、Cr等有毒有害元素在該主線中的遷移規(guī)律，為Ga<,2>O<,3>與Al<,2>O<,3>、SiO<,2>的逐級提取及這些有毒有害元素在生產(chǎn)過程中對人或環(huán)境的潛在危害進行防治提供了科學依據(jù)。