硼泥加压碳化提镁应用基础研究

发布时间：2020-10-11 03:13

　　 本论文以高压碳化法处理碱解法硼泥回收其中的镁资源,解决传统碳化工艺中富镁液浓度低(以MgO计5～12g/L)的问题,获得杂质含量低的高浓镁浸出液,以提高后续热解工序中设备利用效率、降低能耗。另外,从动力学、热力学方面重点研究加压碳化体系中镁、钙(主要杂质)的溶解规律,为实际生产操作提供现实指导和理论依据。论文主要研究内容与成果如下:进行了硼泥加压碳化提镁工艺方面的研究。考察了二氧化碳压强、原料固液比、搅拌强度及温度对碱解法硼泥碳化提镁的影响。在二氧化碳压强5MPa、固液比0.18、搅拌强度500r/min、温度50℃的条件下,将碱解法硼泥碳化1.5h,获得了氧化镁浓度为26.63g/L的浸出液,其中氧化钙、硼、铁、铝、硅的浓度分别为 0.16g/L、0.11g/L、0.23g/L、0.01g/L 和 0.06g/L,氧化镁浸出率为 38.80%。考察了加压碳化法对其他富镁原料的适用性,以菱镁矿轻烧粉、白云石轻烧粉、碳碱法硼泥轻烧粉为原料,经加压碳化获得了氧化镁浓度分别为32.96g/L、18.04g/L、28.76g/L的浸出液,氧化镁浸出率分别为82.21%、45.17%、35.99%,浸出液中杂质含量低。对氢氧化镁高压碳化溶解过程的动力学进行了研究。阐述了氢氧化镁在高压下碳化溶解过程的机理,推导了动力学模型,并利用所推模型和Arrhenius方程对氢氧化镁加压溶解过程进行了动力学分析,溶解过程受氢氧化镁颗粒周围渐进液膜内扩散的控制,200r/min、300r/min、400r/min下的表观活化能分别为17.10kJ/mol、25.11kJ/mol和25.39kJ/mol。计算了氢离子在液膜中的表观扩散系数,回归得到了氢离子表观扩散系数与搅拌强度、温度之间关系的经验方程。为得到高溶出率、高浓度的溶出液,优化了原料固液比、二氧化碳压强、搅拌强度、温度等溶解条件,在固液比0.10、二氧化碳压强5MPa、搅拌强度700r/min、温度30 ℃的条件下溶解40min,得到了溶出率86.83%、氧化镁浓度59.88g/L的溶出液。测定了 20～70℃下二氧化碳压强为1～5MPa时三水碳酸镁在水中的溶解度,其随温度的升高而减小、随二氧化碳压强的增大而增大。对MgCO·3H2O-CO2-H2O体系中三水碳酸镁溶解度与温度、二氧化碳压强之间的关系进行了拟合,得到形式简洁的经验方程。研究了杂质钙的高压碳化溶解。考察了不同实验条件对氢氧化钙碳化溶解的影响。测定了 20～70℃下二氧化碳压强为1～5MPa时碳酸钙在水中的溶解度,其随温度的升高而减小、随二氧化碳压强的增大而增大。对CaCO3-CO2-H2O体系中碳酸钙溶解度与温度、二氧化碳压强之间的关系进行了拟合,得到形式简洁的经验方程。研究了高压碳化体系中镁与钙之间的影响。考察了氢氧化镁与氢氧化钙在碳化溶解过程中的相互影响:氢氧化钙的存在对氢氧化镁溶解影响较小,原料中钙镁比越高氢氧化镁初始溶解速率越慢;氢氧化镁的存在对氢氧化钙溶解影响较大,原料中镁钙比越高溶液中能达到的氧化钙浓度越低。测定了 20～70℃、二氧化碳压强为1～5MPa下于水中共存时三水碳酸镁、碳酸钙的溶解度,前者与单独存在体系中相差不大,后者降低了 1个数量级,两者都随温度的升高而减小、随二氧化碳压强的增大而增大。对MgCO3·3H2O-CaCO3-CO2-H2O体系中三水碳酸镁、碳酸钙溶解度与温度、二氧化碳压强之间的关系进行了拟合,得到形式简洁的经验方程。
【学位单位】：中国科学院大学(中国科学院过程工程研究所)
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TQ132.2
【部分图文】：

１０?２０?３０?４０?５０?６０?７０?８０?９０??Ｐｏｓｉｔｉｏｎ（°２Ｔｈｅｔａ）??图２．２其他富镁原料ＸＲＤ图：ａ．菱镁矿轻烧粉；ｂ．白云石轻烧粉；ｃ．碳碱法硼泥轻烧粉??Ｆｉｇｕｒｅ?２．２?ＸＲＤ?ｐａｔｔｅｒｎｓ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｏｔｈｅｒ?ｒａｗ?ｍａｔｅｒｉａｌｓ?ｕｓｅｄ?ｉｎ?ｔｈｅ?ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ：?ａ．?ｃａｌｃｉｎｅｄ?ｍａｇｎｅｓｉｔｅ；??ｂ．?ｃａｌｃｉｎｅｄ?ｄｏｌｏｍｉｔｅ；?ｃ．?ｃａｌｃｉｎｅｄ?ｂｏｒｏｎ?ｍｕｄ?ｂｙ?Ｃ〇２－ｓｏｄａ?ｐｒｏｃｅｓｓ??实验中作为原料的硼泥为硼精矿加压碱解（Ｑｉｎ等，２０１５；殷保稳，２０１４；殷??保稳等，２０１４ｂ）的尾渣。物相分析（图２．１）显示其中的氧化镁主要以蛇纹石和水??镁石的形式存在

３?１％?ｘ?４０／５８?…（２．１）??菱镁矿轻烧粉、白云石轻烧粉及碳碱法硼泥轻烧粉的物相分析如图２．２所示。??各原料的化学成分列于表２．３中。??表２．３实验所用原料化学成分??Ｔａｂｌｅ?２．３?Ｃｈｅｍｉｃａｌ?ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｓ?ｏｆ?ｒａｗ?ｍａｔｅｒｉａｌｓ?ｕｓｅｄ?ｉｎ?ｔｈｅ?ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ??化学成分（ｗｔ％）??原料??ＭｇＯ?ＣａＯ?Ｂ２０３?ＴＦｅ?Ａ１２０３?Ｓｉ０２??碱解法硼泥?３８．１３?１．３０?０．８２?６．８７?１．７７?１３．８??菱镁矿轻烧粉?８５．８５?１．７６?．．．?０．８５?１．６?５．５４??白云石轻烧粉?３６．９８?５７．９７?．．．?１．２５?１．０２?４．７７??碳碱法硼泥轻烧粉?４４．４０?１．５５?５．０５?６．３５?２．１９?１８．２７??２．２．２实验试剂及仪器??实验所用的试剂及仪器如表２．４、表２．５所示。??实验装置如图２．３所示。反应釜内浆料温度通过釜夹套与超级恒温槽（或低温冷??却液循环泵）之间的水循环控制。搅拌强度不低于３００ｒ／ｍｉｎ以保证反应体系的充??分混合。进气与取样共用一根深入釜底部的管，取样后可通气反吹洗，以免管内??高浓度溶液析出固相堵管，并减少不同反应时间下取样时前次残留于管内浆料对??后次取样准确性的影响。??２．２．３实验方法??按照实验固液比取一定量原料与７５ｇ纯水混合配成反应浆料，装入高压反应釜??中，开启搅拌及水循环使反应浆料到达一定温度（反应剧烈放热，通气后温度迅??速大幅度上升，所以预热温度应低于实验温度，具体数值根据不同条件下实验经??验确定）后

ＳｏｉｉｄＡｉｑｕｉｄ?ｒａｔｉｏ??ｂ??图２．６固液比对浸出液浓度及浸出率的影响．？?ａ．?ＭｇＯ浓度及浸出率；ｂ．杂质浓度及浸出率??Ｆｉｇｕｒｅ?２．６?Ｅｆｆｅｃｔ?ｏｆ?ｓｏｌｉｄ／ｌｉｑｕｉｄ?ｒａｔｉｏ?ｏｎ?ｔｈｅ?ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｓ?ｉｎ?ｔｈｅ?ｌｅａｃｈｉｎｇ?ｌｉｑｕｏｒ?ａｎｄ?ｌｅａｃｈｉｎｇ??ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ：?ａ．?ｔｈｅ?ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ?ａｎｄ?ｌｅａｃｈｉｎｇ?ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ?ｏｆ?ＭｇＯ；?ｂ．?ｔｈｅ?ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｓ?ａｎｄ?ｌｅａｃｈｉｎｇ??ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｍａｉｎｌｙ?ｉｍｐｕｒｉｔｉｅｓ??在温度２０°Ｃ、二氧化碳压强５ＭＰａ、搅拌强度５００ｒ／ｍｉｎ、浸出时间１．５ｈ的条件??下，将原料与纯水配制成不同固液比的浆料进行反应，结果如图２．６所示。浸出??液中氧化镁、氧化钙、铁、硅的浓度随固液比增大而增大。当固液比由０．１４升??至０．１６时，氧化镁的浸出率几乎不变且接近硼泥中以水镁石形式存在的氧化镁??含量值，固液比继续升高，氧化镁浸出不完全，浸出率下降。图２．６ｂ中硼的浸??出率与其他杂质相比较高是由于其在原料中含量很低。原料固液比对铝的浸出影??响不明显。为了获得高氧化镁浸出率下的高浓度富镁浸出液
【参考文献】

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本文编号：2835970