基于高温焙烧条件下赤泥还原和磁选实验研究

摘要

赤泥是从铝土矿中提取出来氧化铝之后的剩余废弃物。目前,全世界的氧化铝工业每年产生的赤泥总量超过7000万吨。赤泥具有颗粒小、碱性强的特点,由于缺乏通用的、公认的、成熟的赤泥综合利用技术,目前绝大部分赤泥只能以筑坝堆积的形式处理,这种处理方式极易造成赤泥泄漏或者溃坝等安全事故,也会带来严重的环境污染。由于赤泥中含有氧化铁、氧化硅、氧化钙、氧化铝等有用矿物,赤泥堆积不仅消耗了大量的土地和维护费用,而且造成了资源的浪费。
　　本研究旨在提选赤泥中的铁矿物。本文以山东茌平的拜耳法赤泥和焦作铝业的烧结法赤泥为研究对象,分别分析了山东赤泥和焦作赤泥的基本性质,在此基础上对赤泥样品进行了破碎和筛分处理,并选取了赤泥中120-140目,140-160目,160-200目的粒度级进行了高温焙烧直接还原实验和磁选实验,并以此工艺提选赤泥中的铁矿物。本文重点研究了两种赤泥的高温焙烧直接还原实验,山东赤泥采用的是以CO和H2O混合气体为还原剂的赤泥气基高温直接还原实验,焦作赤泥采用的是以煤中固定碳为还原剂的赤泥固基高温直接还原实验,并分别进行了赤泥的磁选实验提纯赤泥中的铁矿物,通过还原和磁选实验实现了赤泥中铁矿物与其他矿物的分离。对赤泥的高温直接还原过程进行了热力学分析,指出了赤泥高温直接还原的实质,并综合运用XRD分析、Raman分析、SEM和EDS分析等方法表征了赤泥还原和磁选过程中的产物性质,揭示了赤泥高温直接还原的机理,为磁选提纯赤泥中铁矿物提供了理论指导。
　　(1)运用了X荧光光谱法、化学滴定法、XRD、Raman等方法分析了山东赤泥和焦作赤泥的化学组成、粒度分布、矿物组成等,指出了赤泥中铁矿物的类型和存在状态。实验表明:山东赤泥中全铁(TFe)含量高达23.57％,主要的铁矿物是磁赤铁矿(γ-Fe2O3)、赤铁矿(α-Fe2O3)和褐铁矿,是理想的还原原料。焦作赤泥中铁元素含量仅为6.44%,铁的氧化物为赤铁矿(α-Fe2O3)、纤铁矿(γ-FeO(OH))和少量的磁赤铁矿(γ-Fe2O3),主要是以磁性比较弱的赤铁矿和纤铁矿的形式存在。
　　(2)山东赤泥气基高温焙烧直接还原实验表明,温度是影响赤泥直接还原的主要因素,随着温度的升高,还原产品的磁选效果明显提高。分别在850℃、950℃和1050℃条件下对山东赤泥进行高温焙烧,通入的还原气体的速率为0.7 m3/min,焙烧时间为90min。实验表明,1050℃的时候,120-140目粒度级的铁的回收率达到99.23%,140-160目粒度级的铁回收率达到97.05%,140-200目粒度级的铁的回收率达到99.53%。XRD技术和 Raman分析表明,高温焙烧条件下,赤泥中的Fe2O3转化成了 Fe3O4,并被磁选出来成为了铁精矿。烧结温度的提高,有利于获得较高的铁回收率和铁矿质量。
　　(3)焦作赤泥固基高温焙烧直接还原实验表明,焙烧温度、焙烧时间和掺炭量都是影响赤泥直接还原的重要因素。通过正交试验表明,焦作赤泥的最佳直接还原实验条件为:还原温度为1050℃,还原时间为30min,掺炭量为9%
　　(4)赤泥的直接还原行为研究表明,对于焦作赤泥的固基还原反应,其反应需要的温度比较高(T>771℃~873℃),其反应实质是赤泥中铁的氧化物在高温和还原剂的作用下被还原为金属铁Fe和磁铁矿(Fe3O4)的过程。赤泥在高温还原过程中,铁的氧化物还原生成了铁橄榄石(FeSiO4)和铁尖晶石(FeAl2O4)等中间低熔点产物,这些低熔点物的存在阻碍了还原反应的进行,不利于Fe相的生成。对于气基反应,其反应所需要温度较低(T<1000℃),固基还原反应的实质是赤铁矿(α-Fe2O3)在高温和还原剂的作用下被还原为磁铁矿(Fe3O4)和磁赤铁矿(γ-Fe2O3)的过程。
　　(5)XRD和Raman实验证明了在气基还原过程中有磁铁矿(Fe3O4)的存在,在固基还原过程中有铁尖晶石(FeAl2O4)的生成,这都验证了赤泥高温焙烧直接还原理论的合理性。

目录

封面

声明

致谢

中文摘要

英文摘要

目录

1.文献综述

1.1 赤泥概述

1.2 国内外赤泥的综合回收利用现状

1.3 当前赤泥综合回收中存在的问题及解决方案

1.4 相关的还原理论研究现状

1.5 相关的磁选理论

1.6 本研究的目的意义、研究内容和创新点

2 原料的基本性质和实验研究方法

2.1 赤泥基本性质的表征

2.2 赤泥微观分析实验

2.3 赤泥的焙烧还原实验

2.4 赤泥的磁选实验

2.5 本章小结

3 赤泥的直接还原和磁选实验研究

3.1 实验原理和实验条件

3.2 实验设备和方法

3.3 实验结果和讨论

3.4 本章小结

4 赤泥的直接还原行为研究

4.1 磁化焙烧和还原焙烧

4.2 赤泥固基直接还原和气基直接还原的热力学研究

4.3 焦作赤泥直接还原的行为研究

4.4 焦作赤泥的固基还原反应行为

4.5 山东赤泥的气基还原反应行为

4.6 本章小结

5 主要结论

参考文献

作者简历

学位论文数据集