准格尔煤田6号煤浸取铝的焙烧活化实验研究

朱士飞

(江苏地质矿产设计研究院，江苏 徐州　221006)

准格尔煤田煤层及夹矸中赋存大量水软铝石和高岭石等富铝矿物，这些煤种在火力发电厂燃烧后形成的粉煤灰中氧化铝含量高达50%，相当于我国中级品位铝土矿中氧化铝的含量，是非常宝贵的再生含铝矿资源。虽然国内外许多学者和专家进行了煤灰提铝技术的研究，主要有碱法[1-2]、酸法[2-3]、酸碱联合法[4-10]和烧结淋滤法[7-8,10-13]，但是提取氧化铝的大部分工艺还处于实验室研究阶段，工业化应用的较少。本文从实验角度出发，通过正交试验确定提高煤灰中浸出氧化铝的焙烧活化试验条件，开展煤灰中提取氧化铝研究，对实现这类宝贵资源的高附加值利用有重要意义。

1　试验样品

样品采自准格尔煤田黑岱沟6号煤层，煤样品经破碎、混合、缩分和空气干燥等程序，燃烧后得到样品试验用煤灰。煤灰化学成分组成分析结果见表 1。

煤灰中的主要成分是Al2O3和SiO2，除此之外，还含有少量其它成分，如Fe2O3、K2O、CaO、MgO、Na2O、SO3等。按美国(ASTMC618-80)的划分标准，燃用烟煤和烟煤的煤灰划为F类，属于低钙煤灰[14]。

黑岱沟高铝煤灰主要由晶体和玻璃体两大类组成，主要矿物有石英、莫来石、勃姆石、赤铁矿、磁铁矿及无水石膏等，其中莫来石所占的比例最大，勃姆石和莫来石来源于煤中的高岭石[15-20]。

2　焙烧活化试验原理

常温下，只有非晶态Al(OH)3、3Al2O3·SiO2和Al2O3·H2O可溶于碱，而所有的铝矿物均可用酸溶出,但难易程度不同。这主要是由于铝矿物的结构和性质不同[2,21]。Al2O3存在于莫来石和铝硅酸盐玻璃中。铝硅酸盐玻璃相中的 Al2O3可以通过酸溶或者碱溶的办法将其提取出来，但是，莫来石是一种链状结构硅酸盐，常温下，既不溶于酸、也不溶于碱，且在室温～1 200℃温度内性质比较稳定，受热也不会发生分解反应。

表1　试验用原煤灰化学组成

为了提高煤灰中氧化铝的溶解率，必须打开其中的Si-Al键，因此加入助溶剂KF。在酸性条件下，F-与硅铝玻璃体中的硅反应可生成氟硅化合物，破坏玻璃体，增加氧化铝的反应活性。反应机理如下[11,21-22]：

KF+HCl=HF+KCl

(1)

4HF+SiO2⟺SiF4+2H2O

(2)

SiF4+2HF⟺H2SiF6

(3)

H2SiF6⟺2H++[SiF6]2-

(4)

在加热并有助溶剂的条件下，煤灰中的氧化铝和盐酸能发生如下反应：

9H2O+Al2O3+6HCl=2[Al(OH2)6]Cl3

(5)

在酸性溶液中，氧化铝(Al2O3)能被溶解成铝盐：

6HCl+Al2O3=2AlCl3+3H2O

(6)

3　实验步骤和方案

试验主要步骤(图1)：将一定配比的煤灰与KF(A)，在一定温度下(B)煅烧一定时间(C)，把煅烧后的煤灰烧结物过筛，称取筛下物，选择液固比2∶1加入体质分数20%的盐酸，用恒温搅拌器在100℃温度下搅拌2h，生成反应混合物，过滤得到滤液，对得到的滤液进行滴定，测定溶液中的氧化铝的含量确定铝的浸取率。

图1　实验流程图Figure 1　Experiment flow chart

在酸浸反应实验过程中，采用磁力搅拌装置进行搅拌，同时装配冷凝回流装置[22]。冷凝回流装置的作用是使因反应放热而挥发的盐酸重新回到反应溶液中，以确保反应过程中盐酸不致挥发流失，保证实验结果的准确性。

4　焙烧活化试验结果分析

根据步骤所确定的3个影响因素(煤灰与KF质量比A，焙烧时间B和焙烧温度C(℃)，每个影响因素设定四个水平(表2)，设计出一个3因素4水平的正交试验[23]，其测定结果及分析见表3。

由表3可知，RA=8.27，RB=0.50，RC=3.21，由于极差反映了相应因素作用的大小，极差大的因素，意味着其水平给指标造成的影响较大，且通常是主要因素。由此看来，三因素主次关系依次是A，C，B，即：m煤灰：mKF、焙烧温度、焙烧时间。

表2　正交试验因子水平表

表3　焙烧活化的正交试验结果表

进一步考虑各因素的影响浸取率变化态势(图4-9)，随着m煤灰/mKF的增大，提取率降低(图2)，质量比为1:1时提取率最高(图3)；焙烧时间的长短对浸取率的影响趋势呈抛物线状，先升高后降低(图4)，推断介于中间值2.5h时浸取率最佳(图5)；焙烧温度对浸取率的影响趋势是随温度的升高浸取率先呈线状缓慢上升最后趋于平直(图6)，焙烧温度为850℃为最佳条件(图7)。

图2　煤灰与KF质量比因素影响趋势Figure 2　Impacting trend of coal ash and KF mass ratios

图3　煤灰与KF质量不同配比下浸取率态势Figure 3　Leaching yield situation under differentcoal ash and KF mass ratios

图4　焙烧时间因素影响趋势Figure 4　Impacting trend of roasting times

图5　不同焙烧时间下浸取率态势Figure 5　Leaching yield situation under different roasting times

图6　焙烧温度因素影响趋势Figure 6　Impacting trend of roasting temperatures

图7　不同焙烧温度下浸取率态势Figure 7　Leaching yield situation under differentroasting temperatures

即选择煤灰与KF质量比1∶1，700℃高温焙烧1h， KF对煤灰焙烧具有较好的活化作用，可以打开煤灰中的 Si-Al 键，将其中的莫来石转变成一种易溶于酸或碱的物质或者能够受热分解的物质，使其中的Al很好地得到释放。在该条件浸取率可达到95.60%。

5　结论

1)煤灰中的主要成分是Al2O3和SiO2，除此之外，还含有少量其它成分，如Fe2O3、K2O、CaO、MgO、Na2O、SO3及未燃烬的物质即烧失量等。按美国(ASTMC618-80)的划分标准，燃用烟煤和烟煤的煤灰划为F类，属于低钙煤灰。

2)正交试验表明三因素m煤灰/mKF质量比、焙烧温度和焙烧时间对浸取率的影响程度依次降低。

3)选择煤灰与KF质量比1∶1，700℃高温焙烧1h焙烧物在液固比、盐酸浓度，恒温搅拌相同时间下的浸取率达到95.60%。

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