粉煤灰與鹽酸生產(chǎn)氧化鋁的除鐵工藝研究

李世春　池君洲　陳東　張?jiān)品?/p>

摘 要：在粉煤灰、鹽酸生產(chǎn)氧化鋁的過(guò)程中，粉煤灰中的鐵、鈣、鎂等雜質(zhì)和鋁同時(shí)被鹽酸溶出，使得鐵、鈣、鎂等雜質(zhì)成為影響氧化鋁產(chǎn)品純度的主要因素。通過(guò)粉煤灰鹽酸生產(chǎn)氧化鋁中試研究，優(yōu)選出目前最佳的除鐵工藝，從而為粉煤灰生產(chǎn)氧化鋁以及其他類似工藝提供科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：粉煤灰;氧化鋁;除鐵工藝

中圖分類號(hào)：TQ133.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2021）25-0127-03

Study on Removing Iron for Alumina Production from Fly Ash with Hydrochloric Acid

LI Shichun CHI Junzhou CHEN Dong ZHANG Yunfeng

（Shenhua Zhunneng Resources Comprehensive Development Co.，Ltd.， Erdos Inner Mongolia 010300）

Abstract： In the production of alumina from fly ash with hydrochloric acid， impurities such as iron， calcium， magnesium and aluminum in fly ash are leached by hydrochloric acid at the same time， they are the main factors affecting the purity of alumina products. In this paper， through the pilot test research， the current best iron removal process has been optimized， which provides a scientific basis for the production of alumina from fly ash and other similar processes.

Keywords： fly ash;alumina;removing iron

粉煤灰是火力發(fā)電廠從煙道氣體中收集的細(xì)灰。在我國(guó)，每燃燒1 t煤炭就會(huì)產(chǎn)生0.25～0.30 t的粉煤灰。粉煤灰大量堆積會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。我國(guó)內(nèi)蒙古中西部（主要是準(zhǔn)格爾煤田）等地區(qū)的煤炭為高鋁煤炭，其燃燒后產(chǎn)生的粉煤灰中含有50%左右的氧化鋁和少量的鎵、鋰、鈧等有價(jià)元素，是一種綜合利用價(jià)值較高的非鋁土礦資源。使用高鋁粉煤灰生產(chǎn)氧化鋁，既可以解決粉煤灰嚴(yán)重污染環(huán)境的問(wèn)題，又可以緩解我國(guó)鋁土礦資源短缺的現(xiàn)狀[1]。

目前，國(guó)內(nèi)研發(fā)的粉煤灰與鹽酸生產(chǎn)氧化鋁工藝，利用了“氧化鋁溶于酸，二氧化硅不溶于酸”的基本原理，以粉煤灰和鹽酸為原料，經(jīng)配料、酸溶、分離沉降、凈化除雜、蒸發(fā)以及焙燒等工藝得到冶金級(jí)氧化鋁。該方法具有工藝流程短、減量化、能耗低及環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)，受到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的普遍關(guān)注[2-3]。

粉煤灰中除主要成分Al、Si外，還含有少量的Fe、Ca、Mg等。在粉煤灰的酸溶過(guò)程中，粉煤灰中的金屬元素與鹽酸發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，F(xiàn)e等雜質(zhì)元素會(huì)隨目標(biāo)元素Al一同進(jìn)入溶出液。Fe等雜質(zhì)元素成為影響氧化鋁產(chǎn)品純度的主要因素。如何從氯化鋁溶液中去除Fe等雜質(zhì)元素，成為粉煤灰鹽酸生產(chǎn)氧化鋁方法中目前研究的重點(diǎn)[4-5]。通過(guò)粉煤灰鹽酸生產(chǎn)氧化鋁中試研究，優(yōu)選出了目前最佳的除鐵工藝，可為粉煤灰生產(chǎn)氧化鋁以及其他類似工藝提供科學(xué)依據(jù)。

粉煤灰酸溶的方法：粉煤灰和鹽酸按質(zhì)量固液比1∶4混合后在溶出釜中進(jìn)行溶出，形成溶出液，溶出溫度為150 ℃，溶出壓強(qiáng)為0.4～1.0 MPa，溶出時(shí)間為4 h。試驗(yàn)使用的粉煤灰來(lái)自內(nèi)蒙古準(zhǔn)格爾某電廠，主要化學(xué)成分見(jiàn)表1，鹽酸來(lái)自外購(gòu)和酸回收系統(tǒng)，質(zhì)量濃度為31%。采用ACP-AES檢測(cè)溶液的鐵含量。

1 濕法磁選除鐵

濕法磁選除鐵為酸溶前除鐵。在粉煤灰酸溶之前，將粉煤灰與水混合成原礦漿，采用磁選法將原礦漿內(nèi)的磁性鐵物質(zhì)去除。與干法磁選除鐵相比，濕法磁選除鐵的物料以固液混合態(tài)存在，流動(dòng)性好，揚(yáng)塵少，磁性礦物更容易被分離出來(lái)，除鐵效果更好[6]。

磁選分為強(qiáng)磁選和弱磁選。強(qiáng)磁選主要用于赤鐵礦等弱磁性礦物，弱磁選主要用于磁鐵礦等強(qiáng)磁性礦物[7]。粉煤灰中的鐵主要以赤鐵礦、磁鐵礦的物態(tài)存在，少量以無(wú)定型鋁硅酸鹽存在。在中試過(guò)程中，采用兩級(jí)濕法磁選除鐵，工作原理如圖1所示，使用的主要設(shè)備為滾筒式強(qiáng)磁選機(jī)和滾筒式弱磁選機(jī)。為研究濕法磁選除鐵對(duì)工藝的影響，對(duì)磁選除鐵與未磁選除鐵的粉煤灰進(jìn)行酸溶試驗(yàn)，溶出液的鐵含量見(jiàn)表2。采用濕法磁選除鐵后，溶出液中的鐵含量明顯下降，除鐵率在40%左右。

表2 磁選除鐵與未磁選除鐵的溶出液鐵含量

2 樹(shù)脂除鐵

樹(shù)脂除鐵為酸溶后除鐵。溶出液經(jīng)自然分離沉降后，底流為以二氧化硅為主要成分的白泥，溢流液為含有鐵等雜質(zhì)的氯化鋁溶液。溢流液進(jìn)入除鐵樹(shù)脂系統(tǒng)，其中的鐵被除去，形成除鐵液。

離子交換樹(shù)脂是一種帶有官能團(tuán)，具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，不溶于水、酸、堿的高分子化合物，主要由交聯(lián)結(jié)構(gòu)的高分子骨架與能離解的交換基團(tuán)兩個(gè)基本部分組成。它雖不溶于酸堿，但具有酸堿的性能，能與溶液中帶有同性電荷的離子進(jìn)行交換反應(yīng)，且這種反應(yīng)是可逆的[8]。除鐵樹(shù)脂系統(tǒng)采用的是強(qiáng)酸性陽(yáng)離子樹(shù)脂，其對(duì)溶液中的不同離子有著不同的親和力，通常優(yōu)先吸附高價(jià)離子，而對(duì)低價(jià)離子的吸附能力較弱。在同價(jià)的同類離子中，直徑較大的離子更易于被吸附[9]。一些陽(yáng)離子被吸附的順序如下：Fe>Al>Pb>Ca>Mg>K>Na>H。

強(qiáng)酸性陽(yáng)離子樹(shù)脂對(duì)Fe3+的吸附優(yōu)先于Al，可以把溢流液中的Fe除去。樹(shù)脂除鐵的基本反應(yīng)可以用方程表示為：

R-H+Fe→R-Fe+H

中試期間，除鐵樹(shù)脂系統(tǒng)采用的是由西安某企業(yè)自主研制的離子交換除鐵樹(shù)脂系統(tǒng)，主要由若干組樹(shù)脂柱組成，分成吸附區(qū)、反洗區(qū)和再生區(qū)（見(jiàn)圖2）。其基本工作原理：溢流液經(jīng)過(guò)吸附區(qū)，鐵被樹(shù)脂吸附，除鐵液進(jìn)入下游工藝;當(dāng)某一組樹(shù)脂柱吸附的鐵達(dá)到飽和后，該組樹(shù)脂柱切換到反洗區(qū)，使用原料反沖，讓樹(shù)脂松動(dòng);經(jīng)過(guò)反沖后的樹(shù)脂柱進(jìn)入再生區(qū)，采用稀鹽酸對(duì)其進(jìn)行再生，再生后的樹(shù)脂柱進(jìn)入吸附區(qū)，再次對(duì)溢流液進(jìn)行除鐵。

通過(guò)調(diào)整溢流液的浮游物、除鐵樹(shù)脂工藝參數(shù)，除鐵樹(shù)脂系統(tǒng)的除鐵效果見(jiàn)表3。鐵的去除率高達(dá)99.63%，除鐵液中的鐵含量達(dá)到0.014 g/L，小于目標(biāo)值0.02 g/L。此工藝下生產(chǎn)的氯化鋁溶液經(jīng)后序工藝（凈化除雜、蒸發(fā)、焙燒）得到的氧化鋁，其中Fe2O3含量小于0.02 %，滿足國(guó)標(biāo)冶金級(jí)一級(jí)品的要求。

3 磁選-樹(shù)脂除鐵

為了研究濕法磁選對(duì)樹(shù)脂除鐵的影響，進(jìn)行了磁選-樹(shù)脂除鐵中試研究，即粉煤灰先采用濕法磁選預(yù)除鐵，與鹽酸發(fā)生酸溶后再采用除鐵樹(shù)脂系統(tǒng)二次除鐵。表4為采用磁選-樹(shù)脂除鐵工藝的除鐵效果，除鐵率為99.63%，除鐵液中鐵含量為0.017 g/L。

比較采用濕法磁選預(yù)除鐵和未采用濕法磁選預(yù)除鐵，前者除鐵液中的鐵含量并不低于后者，濕法磁選預(yù)除鐵對(duì)樹(shù)脂的除鐵效果基本沒(méi)有影響，說(shuō)明樹(shù)脂除鐵工藝可以較好地去除溶出液中的鐵雜質(zhì)。當(dāng)然，采用濕法磁選預(yù)除鐵可以減輕樹(shù)脂除鐵的處理量，減少樹(shù)脂再生次數(shù)，有利于生產(chǎn)的連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。

4 結(jié)論

①濕法磁選除鐵可以降低物料中的鐵含量，但物料中仍有一半以上的鐵未被去除，同時(shí)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)磁選造成的粉煤灰損耗率很大，不符合資源化利用的初衷。

②樹(shù)脂除鐵的除鐵率達(dá)到99.63%，除鐵液中鐵含量為0.014 g/L，最終產(chǎn)品氧化鋁中FeO含量小于0.02%，滿足國(guó)標(biāo)冶金級(jí)一級(jí)品的要求。

③經(jīng)中試對(duì)比，濕法磁選除鐵工藝對(duì)樹(shù)脂除鐵基本沒(méi)有影響。

根據(jù)中試研究，神華集團(tuán)自主研發(fā)的粉煤灰鹽酸生產(chǎn)氧化鋁采用了樹(shù)脂除鐵工藝。需要指出的是，粉煤灰溶出液中Fe和Fe同時(shí)存在，而除鐵樹(shù)脂系統(tǒng)只能吸附Fe。因此，為了提高除鐵效率，在除鐵樹(shù)脂系統(tǒng)前增加了氧化系統(tǒng)，使物料中的Fe被氧化成Fe后再通過(guò)樹(shù)脂系統(tǒng)除鐵，最終產(chǎn)品氧化鋁中FeO含量小于0.002%。

參考文獻(xiàn)：

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