粉煤灰制備活性硅酸鈣過濾試驗研究

公彥兵, 孫俊民, 張戰(zhàn)軍, 張 生, 周立波

(1.大唐國際高鋁煤炭研發(fā)中心， 內蒙古 呼和浩特 010050；2.大唐國際再生資源科技開發(fā)有限公司， 內蒙古 呼和浩特 010206；3.山東萊蕪煤礦機械有限公司， 山東 萊蕪 271100)

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試驗研究

粉煤灰制備活性硅酸鈣過濾試驗研究

公彥兵1, 孫俊民1, 張戰(zhàn)軍1, 張 生2, 周立波3

(1.大唐國際高鋁煤炭研發(fā)中心， 內蒙古 呼和浩特 010050；2.大唐國際再生資源科技開發(fā)有限公司， 內蒙古 呼和浩特 010206；3.山東萊蕪煤礦機械有限公司， 山東 萊蕪 271100)

針對微孔活性硅酸鈣產品含水高、粒度小、難過濾等特點，以大唐再生資源公司氧化鋁分廠生產的活性硅酸鈣為原料，采用立盤加壓過濾機、水平帶式過濾機、立式壓濾機進行過濾半工業(yè)試驗。結果表明，立盤加壓過濾機具有產能高、濾餅水分低、自動化程度高等優(yōu)點，是較好的活性硅酸鈣末端過濾設備。

活性硅酸鈣； 過濾； 立盤加壓過濾機； 含水率； 半工業(yè)試驗

0 前言

我國內蒙古西部和山西北部有大量的高鋁煤炭資源，這些煤種經(jīng)過火電廠發(fā)電燃燒后形成了氧化鋁含量高達45%～50%的高鋁粉煤灰，是一種寶貴的鋁硅礦物資源[1]。由于高鋁粉煤灰中硅含量較高，鋁硅比較低，單一提取氧化鋁資源的工藝經(jīng)濟性有限，研發(fā)高鋁粉煤灰鋁硅資源高效共提的新技術，不但是粉煤灰高值化利用、發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟的必要舉措，更具有促進我國氧化鋁工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要現(xiàn)實意義[2]

大唐國際再生資源開發(fā)有限公司的預脫硅- 堿石灰石，燒結法高鋁粉煤灰提取氧化鋁聯(lián)產活性硅酸鈣工藝采用鋁硅共提的資源化利用技術[3-5]，目前已建成年產20萬t氧化鋁產業(yè)化工程，且整體工藝逐步趨于穩(wěn)定。其中預脫硅工藝不但有效提取了高鋁粉煤灰中的硅資源，還提高了粉煤灰的鋁硅比，減少了氧化鋁提取工藝物流量并降低了渣量。

預脫硅工藝采用堿溶脫硅方法，其中高鋁硅比脫硅粉煤灰進入氧化鋁生產，硅酸鈉溶液則加入石灰乳生產活性硅酸鈣，工藝流程圖見圖1。

圖1 活性硅酸鈣制備主要流程圖

所合成的硅酸鈣產品為多孔結構，具有質軟、比表面積大、沉降體積高、比重小、白度性能好等特征，目前在造紙和高附加值建材行業(yè)的應用已取得顯著的成果。由于活性硅酸鈣微粒的內部及表面呈孔隙發(fā)育，通過掃描電鏡觀察到其表面呈現(xiàn)蜂窩狀聚集，多孔狀結構以及附著結晶水，粒度分布不均勻，平均粒徑為15～17 μm等，該特性導致活性硅酸鈣生產過程中的過濾分離過程存在脫水困難的問題。本文旨在通過對不同類型過濾方式的設備進行半工業(yè)試驗，從而找到適合過濾活性硅酸鈣的過濾設備。

1 試驗

1.1 試驗原料

試驗原料為大唐再生資源公司活性硅酸鈣工段所產硅酸鈣產品，大部分試驗直接在現(xiàn)場車間連接管道取料化漿，部分試驗取活性硅酸鈣濾餅運至設備廠家重新加水化漿加熱。

1.2 試驗設備及儀器

試驗主要設備為：2 m2的立盤加壓過濾機，1.5 m2的立式壓濾機，2.4 m2的水平帶式壓濾機，若干蒸汽管道、攪拌槽、磅秤、烘箱、真空抽濾泵等。

分析設備主要是：X’Pert PRO MPD 型多功能X射線衍射儀(荷蘭PANalytical公司(帕納科))、JEOL5800SV掃描電子顯微鏡(SEM)(日本電子株式會社公司)、HELOS/BR- OASIS全自動干濕法激光粒度儀(德國新帕泰克)、IR35電子水分測定儀(美國丹佛)。

1.3 試驗方法

將活性硅酸鈣漿液在攪拌狀態(tài)下輸送至過濾設備進行過濾，具體步驟如下：

(1)化漿。開啟攪拌30 min至攪拌均勻，加熱至試驗指定溫度(70～80 ℃)。

(2)過濾。通過料漿泵將漿液打入過濾設備中進行過濾。

(3)取樣分析。分別對濾液及濾餅取樣分析，重點測試濾餅水分并考察設備產能。

2 試驗結果及討論

2.1 試驗原料物性測定

對試驗原料活性硅酸鈣進行SEM和XRD分析，結果分別見圖2、圖3。

圖2 活性硅酸鈣SEM分析

圖3 活性硅酸鈣XRD分析

由圖2活性硅酸鈣SEM分析可以看出，活性硅酸鈣呈蜂窩狀，內含大量微孔，微孔具有很高的蓄水性能，導致濕濾餅含水率高。數(shù)據(jù)表明，含水85%左右時，其流動性已大大下降，形成膏體，含水80%時，已經(jīng)形成成型濾餅。

由圖3可以看出，活性硅酸鈣物相主要為鈣硅化合物，但非單一物相，由于生產過程鈣硅比例控制使石灰乳部分殘留在產品中，導致雜相生成，其中還含有部分濾餅附堿。

2.2 活性硅酸鈣立盤加壓過濾機過濾試驗

2.2.1 工作原理

加壓過濾機是將過濾機置于一個密封的加壓倉中，待過濾的懸浮液通過料泵給到過濾機的槽體中，在加壓倉內壓力作用下，濾餅經(jīng)過干燥降水后，卸入排料裝置的上倉中，當濾餅達到一定量后，由排料裝置間歇排出到大氣中，整個過程自動進行[6-8]。

2.2.2 試驗結果

調整活性硅酸鈣料漿固含至150 g/L，在料漿總體積1 m3、蒸汽加熱至80～90 ℃、140目濾布條件下進行試驗，試驗結果見表1。試驗所得濾餅水分均為試驗過程中每個循環(huán)取樣后測定的平均水分。

表1 立盤加壓過濾機試驗結果

注：固含150 g/L

由表1可以看出，各批次濾餅水分平均值在61.9%，且計算得設備處理量達450 kg/(m2·h)。

圖4為立盤加壓過濾機濾餅，可以看出，過濾所得濾餅極為分散，流動性好，不但水分低降低了運輸及烘干能耗，其分散性更利于包裝及提高烘干效率。

圖4 立盤加壓過濾機濾餅

2.2.3 工作參數(shù)對過濾效果的影響分析

2.2.3.1 工作壓差對脫水效果的影響

工作壓差是加壓過濾機最重要也是最基本的參數(shù)。理論和實踐均證明，過濾效果的好壞，與過濾介質兩側的壓差關系密切，壓差越高，產品的水分越低，過濾機的產能越高。由于加壓過濾試驗機使用時間較久，性能有所下降，壓差不很明顯。根據(jù)該活性硅酸鈣的特性，工作壓差宜控制在0.02～0.04 MPa。

2.2.3.2 入料濃度對脫水效果的影響

入料濃度是影響加壓過濾機過濾效果的主要因素。一般情況下，入料濃度高時，形成的濾餅厚，過濾耗風量低，處理能力高；入料濃度低時，形成的濾餅薄，過濾耗風量高，處理能力低。如果入料濃度過低，在過濾機的濾盤上成餅困難，生產效率嚴重下降。因此選用加壓過濾機時，要結合工藝系統(tǒng)的特點，采取相應措施，待過濾物料在進入加壓過濾機前進行濃度調整處理，最大限度地發(fā)揮加壓過濾機優(yōu)勢。

本試驗調整活性硅酸鈣最高濃度為150 g/L，此時設備處理能力約為450 kg/(m2·h)。

2.2.3.3 主軸轉速對脫水效果的影響

主軸轉速也是影響加壓過濾機過濾效果的因素之一。對于易過濾物料，隨著轉速的增大，其處理能力有增加的趨勢，但如果轉速快，濾餅在干燥區(qū)的干燥時間較短，會造成濾餅水分增加。對于過濾性差的物料，則由于在成餅區(qū)成餅時間短，造成濾餅薄。根據(jù)該活性硅酸鈣的特性，主軸的轉速宜控制在0.8 r/min左右。

2.2.4 小結

(1)通過本次加壓過濾機對活性硅酸鈣料漿的過濾試驗，可以看出，濾餅水分可以控制在60%～63%之間，并且活性硅酸鈣料漿濃度越高，其水分越低，設備最高處理能力(干基)可達450 kg/(m2·h)?？梢?，加壓過濾機用于該活性硅酸鈣的固液分離是可行的，且效果比較理想。

(2)工作壓力是影響處理能力的重要因素，提高工作壓力可以較大幅度地提高加壓過濾機的處理能力，同時降低濾餅水分。

(3)濾布的選擇很重要，濾布孔徑的大小直接影響濾餅的水分以及過濾機的耗風量。對于該種物料，在相同的過濾條件下，不同的濾布對產品的水分和設備的處理能力都有一定的影響?？紤]到物料的特性及濾液情況，宜選用單絲丙綸濾布，推薦單絲濾布孔徑為180～200目。

(4)對于該物料，加壓過濾機的過濾壓力建議控制在0.16～0.20 MPa之間，入料濃度宜控制在120～160 g/L，主軸轉速控制在0.8 r/min左右。

2.3 活性硅酸鈣水平帶式過濾機過濾試驗

2.3.1 工作原理

料漿從動滾筒端通過專用布料器均勻地分布到做水平運動的濾布上，粗粒級的固體顆粒首先自然沉降到濾布表面。在真空箱內負壓的作用下，濾液透過濾布進入真空箱中，通過管道進入濾液分離器。濾液從汽液分離器排出，不凝氣(主要是空氣)則由汽液分離器的氣體出口進入真空泵，由真空泵排入大氣。濾帶繼續(xù)向前運動，進入洗滌段，洗滌水均勻噴灑在濾餅上，然后穿過濾布，進入真空箱，濾餅進入脫水段，最終刮刀卸料得到濾餅。濾布運動至底部時沖洗再生，進入下一個過濾、洗滌、脫水過程[9-10]。

2.3.2 試驗結果

將生產現(xiàn)場活性硅酸鈣反應沉降槽直接連接水平帶式過濾機的布料器進行過濾試驗，試驗結果見表2。

2.3.3 小結

(1)水平帶式過濾機濾餅厚度17 mm左右。

(2)水平帶式過濾機按進料流量1.475 m3/(m2·h)計，根據(jù)濾餅厚度計算水平帶式過濾機平均產能為175.83 kg/(m2·h)，濾餅水分為75.16%。

2.4 活性硅酸鈣立式壓濾機過濾試驗

2.4.1 工作原理

立式壓濾機工作模式有六個過程：過濾，泵入物料懸浮液；一次隔膜擠壓，擠壓成形濾餅；濾餅洗滌，清水洗濾；二次隔膜擠壓，重新擠壓濾餅；濾餅吹干，高壓風吹干，帶走少量水分；濾餅排出與濾布洗滌，兩側落下濾餅、卸料，同時洗滌濾布[11-12]。

2.4.2 試驗結果

將洗滌反應槽活性硅酸鈣漿液物料導入混合

表2 水平帶式過濾機試驗結果

槽，調控料漿固含進行試驗，并且調整洗水量、吹風次數(shù)和吹風時間，取樣分析濾餅水分等相應指標，試驗結果見表3。

2.4.3 小結

(1)濾餅水分含量較低，平均值為63.8%。

(2)設備洗滌效果較差，氧化鈉含量相對較高并且波動大，不穩(wěn)定，洗水耗量較大。

(3)由于洗水量大、洗滌時間長，單位產能較低，平均為75 kg/(m2·h)。

表3 立式壓濾機試驗結果

3 結論

(1)產能方面，立盤式加壓過濾機產能為真空帶式過濾機的2.6倍，為立式壓濾機的6倍，具有明顯的優(yōu)勢；

(2)從濾餅水分看，立盤式加壓過濾機濾餅平均水分61.9%，真空帶式過濾機濾餅平均水分75.16%，立式壓濾機濾餅平均水分63.8%，真空帶式過濾機過濾效果遠低于另外兩類設備；

(3)對于洗滌效果，水平帶式過濾機洗滌效果一般，立式壓濾機洗滌效果較差，而立盤式加壓過濾機不能洗滌；

(4)自動化方面，立盤式加壓過濾機進料、過濾、排料全部為電腦程序遠端控制，自動化程度最高；

(5)占地面積方面，水平帶式過濾機占地面積最大，立盤式加壓過濾機和立式壓濾機由于其立式結構很好地利用了空間，占地面積小。

綜合考慮，立盤式加壓過濾機在產能、濾餅水分、自動化程度、占地面積等方面具有明顯優(yōu)勢，是很好的活性硅酸鈣產品末端過濾設備，可以與洗滌槽配合使用。根據(jù)物料平衡測算，大唐再生資源公司活性硅酸鈣工段僅需兩臺60 m2(開一備一)立盤加壓過濾機即可滿足生產需求，從年產50萬t氧化鋁遠期規(guī)劃來看，兩臺140 m2設備即可。

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世界最大廢舊鋁罐回收廠在德投產

全球最大的鋁平軋產品(FRPS)企業(yè)——諾貝麗斯鋁業(yè)公司(Novelis)建在德國納希特斯德(Nachterstedt)軋制廠的廢舊全鋁罐再生中心(recyling centre)建成投產，在相關類企業(yè)中這是全世界最大的企業(yè)，每年可用從社會上回收的鋁罐經(jīng)預處理后熔煉成制罐用的3104合金210 kt，再生的3104合金的各項性能與用重熔用鋁錠熔煉完全相同。諾貝麗斯鋁業(yè)公司不但是世界最大的鋁平軋產品企業(yè)，產品生產能力4 200 kt/a，工廠遍布歐洲、北美洲、亞洲與南美洲，而且也是全球最大的廢舊易拉罐回收再生企業(yè)，回收的易拉罐廢料既有新的也有舊的，所謂新的廢料就是制罐企業(yè)生產過程中產生的廢料與廢品，而舊廢料則是消費者飲完飲料后拋棄的罐。

廢舊易拉罐是一種附加值很高的再生循環(huán)利用的金屬資源。諾貝麗斯鋁業(yè)公司的理念是，一方面要把企業(yè)建成世界一流的鋁平軋產品生產與供應者，另方面要立志成為全球鋁廢料回收與再生的領跑者，著力向環(huán)保、安全、健康(ESH)的綠色企業(yè)發(fā)展，成為優(yōu)秀的循環(huán)經(jīng)濟企業(yè)。

諾貝麗斯鋁業(yè)公司自2011年以來就積極關注再生鋁板塊，已投資約500M美元改擴建回收與再生鋁，再生鋁生產能力已翻了一番，達到2010年2 100 kt/a，產品中的再生鋁含量從2011年的30%上升到2014年的46%，公司的中期目標是2020年產品中再生鋁的含量爭取達到80%，與提取原鋁相比，生產再生鋁的能耗及排放物可分別減少95%。

諾貝麗斯鋁業(yè)公司的這種發(fā)展戰(zhàn)略不但有利于公司在汽車輕量化方面做出更出色的成就，而且可加速鋁的循環(huán)利用，更重要的是產品中的“彈含量”(embedded Carbon)大大下降，顯著減少能源消耗與碳對環(huán)境污染，這對鋁材生產者與用戶都是有利的。

新落成的納希特斯德廢鋁回收再生中心的分類、脫漆、熔煉、鑄造裝備都是當今一流的，因而可以高效地處理各種廢鋁，成為有效的循環(huán)經(jīng)濟鏈，顯著提升歐洲的廢鋁消費，減少出口，并且可錄用新員工200名。

諾貝麗斯鋁業(yè)公司為新的回收中心開發(fā)出的一系列的新技術、新工藝、新裝備，使回收再生效率大大提升，再生錠品質大為上升，另外，排放物的各項指標能完全滿足歐洲當前的環(huán)保法規(guī)條例要求。鑄造的再生鋁扁錠無論是化學成分還是外形尺寸都完全符合軋制優(yōu)質罐體料要求。

納西特斯特德廢鋁回收再生中心地處歐洲中心地帶，交通便利，四通八達，有利于廢鋁回收與扁錠外運，所產扁錠運往德國諾伊斯市諾夫(Aluminium Norf in Neuff/Germany)軋制廠與瑞士謝爾軋制(Sierre)廠，對諾夫軋制廠諾貝麗斯公司與海德魯鋁業(yè)公司各占50%股份，謝爾軋制廠為諾貝麗斯鋁業(yè)的獨資企業(yè)，它們用這些再生扁錠軋制罐料與汽車板帶材及通用帶板材，但以前者為主，占80%以上，諾夫軋制廠是當今最大的平軋鋁產品企業(yè)，有兩條熱連軋線，生產能力1 200 kt/a，(1+3)式熱連軋線建于上世紀70年代，2014年經(jīng)過全面的現(xiàn)代化技術改造，該廠的冷軋鋁帶材實際產量900 kt/a，生產的合金達八九十種，主導產品為罐料、PS及CTP板帶、鋁箔帶坯、汽車板帶等。中國忠旺(天津)鋁板帶有限公司于2018年全部建成投產后，總生產能力可達2 000 kt/a，將取代諾夫軋制廠，可能成為世界最大的單一平軋鋁產品廠。

Filtration experiment of active calcium silicate preparation with fly ash

GONG Yan-bing, SUN Jun-min, ZHANG Zhan-jun, ZHANG Sheng, ZHOU Li-bo

According to characteristics of micro-porous activated calcium silicate products such as high water content, small particle size, difficult filtration etc., taking active calcium silicate produced by alumina branch factory of Datang Regeneration Resources Ltd as raw material, semi-commercial filtration experiment was conducted with equipment including vertical disc pressure filter, horizontal band filter, vertical pressure filter etc.. The results show that vertical disc pressure filter have advantages of high productivity and low cake moisture, high level of automation, it is a better terminal filtration equipment of active calcium silicate.

active calcium silicate; filtration; vertical disc pressure filter; moisture content; semi-commercial experiment

公彥兵(1982—)，男，碩士研究生，工程師。

2014-- 07-- 24

國家“十一五”科技支撐項目“高鋁粉煤灰提取氧化鋁多聯(lián)產工藝技術集成與產業(yè)化示范”資助項目(2009BAB49B00)。

TF821

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1672-- 6103(2015)04-- 0065-- 06