粉煤灰铝热法制备硅铁合金及提铝的研究

发布时间：2020-07-25 18:19

【摘要】：粉煤灰与铝灰均是工业固体废弃物,每年产生的数量十分巨大,两者的堆积处理不仅会占用大量土地,还会污染空气和水体,威胁到人类自身健康。粉煤灰的主要成分为Al_2O_3、SiO_2和Fe_2O_3,是良好的制备硅铁合金和提铝资源。铝灰含有金属铝和氧化铝,可作为铝热剂和提铝原料。本文采用铝灰作为铝热剂,开发出粉煤灰铝热还原法制备硅铁合金和富铝渣的工艺,并研究了粉煤灰与氯化钙焙烧提铝反应的动力学及机理。采用HSC热力学软件对反应体系中各个反应进行了热力学计算,计算各反应的可行性和反应起始温度。计算结果表明二氧化硅的碳热还原温度为1943K,但是在有铁存在的情况下,二氧化硅还原温度降到1752K,同时能有效破坏SiC的生成,减少还原过程中硅的损失。金属铝可以在实验温度下能顺利完成对氧化硅和氧化铁的还原,而AlN还原氧化硅需要在1914K的温度以上。采用FactSage热力学软件模拟在理论配料和不输入氧气体系下,金属铝完全还原粉煤灰和氧化铁的过程,模拟结果表明在1673K产物主要物相为硅铁合金、莫来石、刚玉和渣。研究了粉煤灰与铝灰混合烧结磁选得到磁性硅铁合金和非磁性富铝渣的工艺。在保温温度1673K,保温时间20min,配铝灰量为理论配比条件下,此时硅铁合金纯度为85.89%,氧化铝纯度为79.41%。熟料中的主要物相有Al_2O_3、FeSi、SiC、MgAl_2O_4、Fe_5Si_3。通过实验和热力学软件模拟,探索不同氧含量条件下碳热、铝热分别还原氧化硅和氧化铁的机理。在体系不输入氧气条件下,SiO_2和Fe_2O_3容易被还原出单质硅和单质铁,并形成硅铁合金。在体系输入少量氧气和体系输入足量氧气情况条件下,金属铝和碳优先与氧气反应,且金属铝的还原产物氧化铝会继续与氧化硅反应生成莫来石,影响产物的纯度。粉煤灰直接酸浸提铝的适宜实验条件为:浸出温度353K、浸出时间60min,液固比8:1,在此条件下铝的浸出率为8.44%。氯化钙与粉煤灰混合焙烧反应的实验优化条件为:焙烧温度1173K,焙烧时间30min,氯化钙与粉煤灰质量比1:1,在此条件下铝的浸出率为93.48%。证明粉煤灰中的铝集中在莫来石里且氯化钙是一种优质焙烧活化剂。氯化钙与粉煤灰混合焙烧反应受内扩散控制,焙烧温度到1173K及以上时,粉煤灰能被完全活化。CaCl_2在高温焙烧过程中很难分解,在有SiO_2存在下,CaCl_2可以被空气中组分所分解。
【学位授予单位】：昆明理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TF645;TF821
【图文】：

沸石分子筛,粉煤灰,方法

昆明理工大学硕士学位论文12去除空气和水体污染物领域。由于沸石分子筛的优秀性能，天然的沸石已经远远不能满足社会发展的需求，人们开始研究成本廉价、性能良好的合成沸石。沸石的骨架主要由硅、铝和氧原子构成，粉煤灰的主要元素与其相同，是一种制备沸石的潜在资源。1982年Hller和Wirsching首次以粉煤灰作为铝和硅离子源用碱性水热合成法制备出沸石分子筛[41]。图1.11为粉煤灰制备沸石分子筛的后续方法的总结[12]。目前常见的沸石分子筛有A型沸、X型沸石和Y型沸石等。粉煤灰合成沸石分子筛的主要方法有一步水热合成法、两步水热合成法、碱融—水热合成法和熔盐合成法等[42,43,44,45]。水热合成法是现在最常用的合成方法，流程短、成本低、技术成熟具有良好的应用前景。近年还开发出用微波取代传统加热的合成方法，具有反应迅速、加热均匀等特点，但是反应规模小和产品纯度低等缺陷限制了其后续发展[46]。图1.11粉煤灰制备沸石分子筛的方法总结[12]1.1.4.6陶瓷和玻璃工业粉煤灰的主要由SiO2、Al2O3、Fe2O3和CaO等氧化物组成，与黏土成分类似，可以作为一种制作陶瓷、微晶玻璃和玻璃材料的低成本材料[47]。Erol等人使用概述不添加任何添加剂条件下，使用CFA制造的陶瓷、微晶玻璃和玻璃材料的一般加热过程，见图1.12[47]。物理和机械性能测试表明，三种由废弃的粉煤灰制成的材料与以废物和非废物来源的玻璃和陶瓷的文献值相比良好[47]。CFA被认为是陶瓷堇青石的制造过程中高岭石的替代品。直径小于44μm的粉煤灰与工业氧化铝和碳酸镁粉末混合。该混合物用甲基纤维素研磨，然后将混合组分压入圆盘中，然后在900-1300℃的温度下烧结。结果表明，64~68%粉煤灰、10%氧化铝和22~26%碳酸镁的原料组合在超过1200℃的温度下

热加工,粉煤灰,微晶玻璃,陶瓷

第一章绪论13和粉煤灰一起制备玻璃，以降低熔化温度和促进内部结晶。最佳条件下制备的玻璃~陶瓷具有良好机械性能（硬度、强度、断裂韧性、弹性常数和磨损率），表明在结构材料中使用的良好可能性，是一种很有潜力的建筑材料[50]。图1.12粉煤灰制备陶瓷、微晶玻璃和玻璃的热加工概述[47]1.1.4.7提取氧化铝和二氧化硅粉煤灰的主要成分为SiO2和Al2O3，是一种提取SiO2和Al2O3的潜在资源。粉煤灰的主要矿物组成是莫来石和石英，其中Al2O3大部分在莫来石中，以Al-Si键连接，具有稳定的结构，降低粉煤灰活性，而SiO2主要以石英形式存在。因为单纯提取SiO2和Al2O3的工艺经济效益不高，一般是提取SiO2和Al2O3同时进行。提取SiO2和Al2O3的实质就是活化粉煤灰，破坏牢固的Al-Si键，使粉煤灰中的Al2O3容易被浸出，SiO2不溶于酸留在渣中，实现Al和Si的分离和提龋目前提取Al2O3的方法有很多，具体见1.3.2小节。提取SiO2方法主要有气相法、溶胶-凝胶法和化学沉淀法，三种方法的优缺点见表1.6[51]。表1.6三种制备SiO2方法的优缺点[51]制备SiO2方法优点缺点气相法纯度高、粒径孝性能优越工艺复杂溶胶-凝胶法纯度较高、比表面积较大工艺过程和提取率较难控制化学沉淀法工艺简单、容易操作产品品级不高徐洁明等研究了用气相法直接制备纳米白炭黑工艺，以粉煤灰、浓硫酸和氟化钙一起加热反应，然后用乙醇作为分散剂，制备出纯白疏松的白炭黑。实验结果显示，纳米白炭黑具有良好的性质，样品形状大小均匀，纯度高达99.95%[52]。

工艺流程图,硫酸,工艺流程图,聚合氯化铝

?Sialon材料，该方法具有原料来源广，成本低，产品纯度高、性能良好的优点[94]。1.2.4.6制备净水剂铝灰是制备净水剂的原料，主要包括聚合氯化铝和硫酸铝，广泛应用在水处理领域。胡保国等以铝灰为原料采用酸溶法制备了聚合氯化铝（PAC）。以铝灰：HCl:H2O=10:20:40混合在锥形瓶中，在搅拌转速为80r/min、体系温度为85℃温度条件下反应2.5h，，然后在60℃下熟化30h，成功制备出性能良好聚合氯化铝（PAC），对废水中COD去除率高达64.7%，效果优于市面上出售产品[95]。康文通等用硫酸酸浸铝灰制备硫酸铝，具体工艺流程见图1.14。用超出理论用量5%质量分数30%的工业硫酸酸浸铝灰，pH控制在3，在90~100℃的温度下反应3h，再在添加一定量的高锰酸钾和添加剂A，冷却结晶生成硫酸铝，回收率达93.2%[96]。图1.14铝灰生产硫酸铝的工艺流程图[96]1.2.4.7其他用途

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