勃姆石高温煅烧相变及溶出活性研究

2020-05-16 05:55吴永峰

世界有色金属 2020年4期

吴永峰

（神华准能资源综合开发有限公司，内蒙古鄂尔多斯 010300）

准格尔矿区的煤炭含有超常富集的勃姆石[1]，经燃煤电厂煅烧后得到高铝粉煤灰。高铝粉煤灰已经作为一种潜在的铝土矿替代资源受到越来越多人的关注。如果将这部分粉煤灰中的铝提取出来，不仅可以缓解粉煤灰对环境污染等问题，同时还可以缓解国内铝土资源不足的现状，具有很大的现实意义。

在煤炭煅烧过程中，因煅烧温度的不同，勃姆石会分解生成氧化铝，氧化铝会随煅烧温度的变化发生物相的转变，氧化铝也会与煤炭中的其他矿物成分共同作用生成新的矿物，进而影响了粉煤灰中氧化铝的活性。

因此，本论文研究了煤炭煅烧过程中勃姆石的高温相变及煅烧产物提铝活性的关系，找到了使煤炭中勃姆石具有最高铝活性的煅烧条件。

1 实验部分

1.1 实验样品和药品

准格尔矿区原煤，浓盐酸、二甲酚橙、醋酸锌、冰醋酸、乙二胺四乙酸、醋酸铵、氟化钾等化学试剂，化学试剂纯度为分析纯。

1.2 实验仪器

实验用品及仪器主要有高铝坩埚、反应釜、干燥箱、循环水式真空泵、箱式电阻炉、NEXUS 670智能型傅立叶变换红外光谱仪、Rigaku D/max 2500 X射线衍射仪。

1.3 实验步骤

1.3.1 不同温度煅烧样品的制备

将块状的准格尔矿区原煤粉碎，研磨至200目，称取20g煤样于高铝坩埚中，放入箱式电阻炉中加热，升温至预设实验温度，实验焙烧温度分别设定为300℃、400℃、500℃、600℃、700℃、800℃、850℃、900℃、950℃、1000℃、1050℃、1100℃、1150℃、1200℃、1300℃，煅烧时间2小时，以保证煤粉能充分燃烧，最后样品随炉冷却至室温，得到不同煅烧温度下的样品。一部分样品进行X射线物相分析和红外光谱分析，一部分样品作为进行铝溶出实验的原料备用。

1.3.2 煤系勃姆石的铝活性实验

称取灰分5g，量取浓盐酸20ml、去离子水10ml放入反应釜中，将反应釜放入烘箱中，并逐步升温至120℃，在此反应温度下进行反应2小时，并定期对反应釜进行手动摇动，防止样品沉底。

反应结束后对反应液进行抽滤，将滤得的溶液定容到250ml的容量瓶中，测试溶液中的铝含量；同时将滤得的残渣转移到烧杯中，放入烘箱中烘干，称取残渣的质量。

重复以上试验步骤，分别完成300℃-1300℃煅烧样品的铝活性溶出实验。

2 结果与讨论

2.1 X射线衍射分析

从图1可以看出，原煤勃姆石在15°左右有很尖锐的峰，在300℃此峰仍然存在，但是在400℃就消失了。这说明了勃姆石在温度400℃发生了相转变。从400℃开始在40°、47°相继出现了新峰，这证明了有新相生成[2]。在700℃时，40°的新峰消失，说明此相又开始向新相转变。

从图2可以看出，800℃到900℃时，25°峰先出现后消失；而900℃后，37°峰逐渐尖锐，说明相的转变在逐渐进行，直到1100°C转化完毕。

图1 原煤及300℃-700℃煅烧后灰的XRD图

从图3可以看出，当温度达到1200°C时，主要物相已转变为α氧化铝相。

2.2 红外光谱测试分析

1080 cm-1左右为Al-O四面体片和Al-O八面体片键震动频率范围，800 cm-1左右为四配位Al-O键震动范围，从煅烧样品红外光谱图4、5可以看出，Al-O四面体片和Al-O八面体片[3-4]键随温度的升高逐渐消失，其中700°C是一个过渡温度，也就是说700°C以后这两个键开始消失。这说明了700°C开始发生相的转变。在1200°C 500 cm-1左右形成一个很尖锐的峰值。这是三方Al-O键，说明此温度下开始生成了α-氧化铝。

2.3 热重及差热结果分析

此实验采用500℃煅烧样品进行差热测试。从TG和DTA曲线图可以看出：开始升温的阶段（低于200℃）有一部分质量损失，这个损失是样品吸收的水。到高温阶段质量基本没有变化，说明煤在500℃就可以煅烧充分，基本可以除去所有的有机质。同时，可以看到在680℃、900℃及1100℃左右有很明显的放热峰，说明在此对应温度下发生了相转变[5]，这与前面的XRD、IR测试结果相匹配。

2.4 煅烧样品铝活性实验结果讨论

煤系勃姆石煅烧温度的不同，直接影响煅烧样品中铝的物相状态，进行影响铝的溶出活性。从图7不同煅烧温度样品溶出活性曲线图可以看出，850℃之前，铝的溶出活性相对保持在较高的水平上，并且在700℃达到最高。而随着煅烧温度的继续升高，铝的活性出现断崖式的下降，这主要是由于氧化铝物相转化为稳定的α氧化铝相，在此酸溶条件下无法溶出。