一种铝灰苏打烧结脱氮同步制备铝酸钠的方法

摘要

本发明公开了一种铝灰苏打烧结脱氮同步制备铝酸钠的方法，该方法将铝灰与由碳酸钠、碳酸氢钠和过氧化钠组成的混合钠盐混匀，压制成团块；所得团块经过干燥后，依次置于空气气氛中焙烧进行一段低温焙烧、置于强氧化性气氛中进行二段高温焙烧，焙烧产物经过冷却，破碎后，采用碱性溶液浸出，得到铝酸钠溶液，该方法利用工业废渣为主要原料，原料来源广，成本低，铝回收率高，且操作简单、生产成本低、环境友好，满足工业化生产要求。

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用铝灰制备铝酸钠的方法，具体涉及一种利用铝灰为原料通过与苏打进行高温烧结脱氮同步制备铝酸钠的方法，属于矿物加工和有色冶金领域。

背景技术

铝灰是氧化铝电解、铝材加工及废料再生过程中产生的含铝废渣，据不完全统计，每生产一吨电解铝会形成30-50kg铝灰，我国每年产生铝灰总量高达100-200万吨。铝灰中主要金属元素是铝，主要以金属铝、三氧化二铝和氮化铝形式存在，此外还含有少量的硅、镁、钠、钙等元素。铝灰中的氮化铝是金属铝高温过程中与氮气反应生成，氮化铝结构稳定、熔点高，但是氮化铝在堆存过程中与雨水反应，缓慢产生氨气，严重污染环境。因此，《国家危险废物名录》将铝灰分类为危害废物，排放每吨铝灰将征收1000元的环保税。

铝灰中含有30-70％的金属铝，具有极高的回收价值，最常见的处理方法是“炒灰法”，其基本原理是利用金属铝熔点低的特性，添加少量氯盐增加铝熔体颗粒和铝灰界面的张力，再利用物理翻炒作用使铝熔体颗粒快速的积聚，实现金属铝与其他组分分离。炒灰法操作简单、可回收铝灰中大部分金属铝组分，但是该方法需要添加氯化钠等氯盐，在操作过程中会产生大量粉尘污染物及有害气体，此外该方法会产生组分更复杂、更难处理的二次铝灰，目前该工艺已被政府限制。为实现铝灰的综合利用，研究人员开发了倾动回转窑处理法、重选法、电选法、离心法、机械筛分法等。为脱除铝灰中氮元素，避免加工过中产生氨气等有害气体，将铝灰在催化剂及碱液作用下进行脱氮，通过加温促进氨气溢出并回收制备氨水；但是湿法工艺需要投入高密闭性大型反应设备，增加了生产成本。

发明内容

针对现有技术中铝灰综合利用工艺中普遍存在的生产成本高、工艺复杂、容易产生二次污染等缺陷，本发明的目的是提供一种利用铝灰作为原料，通过控制温度及气氛进行苏打高温烧结高效脱除杂质元素同步获得铝酸钠的方法，该方法将铝灰氮化铝组分中的氮转化为环境无害的氮气，避免形成NOx造成二次环境污染；同时将铝灰中的铝组分高效转化为铝酸钠，直接返回氧化铝生产流程，该方法操作简单、生产成本低、环境友好，满足工业化生产要求。

为了实现上述技术目的，本发明提供了一种铝灰苏打烧结脱氮同步制备铝酸钠的方法，该方法是将铝灰与混合钠盐混匀，压制成团块；所得团块经过干燥后，依次置于空气气氛中焙烧进行一段低温焙烧、置于强氧化性气氛中进行二段高温焙烧，焙烧产物经过冷却，破碎后，采用碱性溶液浸出，得到铝酸钠溶液；所述混合钠盐包括碳酸钠、碳酸氢钠和过氧化钠。

优选的方案，铝灰与混合钠盐按铝钠元素摩尔比例为1:1.1～1:1.3配料。

优选的方案，所述混合钠盐由以下质量份组成：碳酸钠70份～85份；碳酸氢钠17份～25份；过氧化钠5份～15份。一方面，混合钠盐可以降低体系熔点，而碳酸钠、碳酸氢钠及过氧化钠在高温焙烧过程中可以释放氧化性气体，促进氮化铝氧化为氧化铝和氮气。特别是过氧化钠可以在低于金属铝熔点(660℃)的温度下，将铝灰中金属铝单质氧化成三氧化二铝，可以避免温度过高而导致金属铝熔融聚集，造成体系元素偏析，反应不均匀，不利于后续含铝组分与钠盐反应生成铝酸钠等问题。

优选的方案，所述一段低温焙烧的条件为：温度为300～500℃，焙烧时间120～180min。在优选的温度和气氛下，充分利用混合钠盐降低体系熔点，实现破坏铝灰中金属铝、氧化铝和氮化铝紧密的结构的破坏，同时促进金属铝组分充分氧化成氧化铝。

优选的方案，所述二段高温焙烧的条件为：温度为700～875℃，时间为120～180min，焙烧气氛为强氧化气氛，氧气的体积百分比为O₂/(O₂+N₂)＝40～65％。在优选的温度和气氛下，可以促进氮化铝氧化为氧化铝和氮气，在利用新生成高活性氧化铝与钠盐反应生产铝酸钠。

优选的方案，所述团块的直径为15mm左右。

本发明的碱性溶液浸出过程中采用磨浸的方法。

本发明利用铝灰制备铝酸钠过程中关键在于采用了由碳酸钠、碳酸氢钠和过氧化钠组成的混合钠盐，并通过调控焙烧温度和焙烧气氛，以实现铝灰中稳定氮化铝组分的充分裂解以及促进铝高效转化成铝酸钠。本发明采用的由碳酸钠、碳酸氢钠和过氧化钠组成的混合钠盐，在高温煅烧过程中三种钠盐存在交互作用，降低体系熔点，可以在相对较低温度条件下破坏铝灰中金属铝、氧化铝和氮化铝紧密的结构，以保证铝灰在一段低温焙烧过程中金属铝组分充分氧化成氧化铝，为避免金属铝组分熔融凝聚影响气体扩散，一段焙烧温度最好控制在金属铝熔点以下，在此基础上，通过调焙烧气氛中的氧位及升高温度进行二段焙烧，充分利用碳酸钠、碳酸氢钠和过氧化钠高温分解生成CO₂、O₂等氧化性气体，共同作用下促进氮化铝氧化为氧化铝和氮气，新生成的氧化铝活性高，很容易与钠盐反应生产铝酸钠，从而大大提高铝灰中铝的利用率。

相对现有技术，本发明的技术方案带来的有益效果：

1)本发明技术方案提供的混合钠盐添加剂中各个组分之间有明显的协同作用，通过降低体系熔点、分解生成氧化性气体等方式破坏铝灰内部结构，强化氮化铝组分氧化分解，促进含铝组分转化为铝酸钠，铝酸钠转化率高达90％以上。

2)本发明的技术方案通过钠盐结合气体调控多段焙烧，强化氮化铝氧化分解，其中氮元素主要转化为环境无害的氮气，NOx生成量满足排放标准。

3)本发明的铝灰综合利用技术方法操作简单、能耗低、成本低，易于实现工业化生产。

具体实施方式

以下实施例旨在进一步说明本发明内容，而不是限制本发明权利要求的保护范围。

对比实施例1：

以某铝冶金厂铝灰(铝含量58.6％、氮含量8.3％)为原料，首先将铝灰与混合钠盐按照铝钠元素比1:1.1进行配料，混合钠盐配比为碳酸钠、碳酸氢钠和过氧化钠质量比例为85:17:8，原料混匀然后压制成直径15mm的团块；团块充分干燥后，将其置于空气气氛中进行焙烧，焙烧温度为800℃，焙烧时间为180min，焙烧气氛为O₂/(O₂+N₂)＝40％；焙烧结束后，将冷却后的团块破碎、在碱性溶液中磨浸、固液分离获得铝酸钠溶液。整个工艺过程铝回收率68.5％，氮脱除率为48.3％，氮元素转化为氮气的比例为90.3％。

对比实施例2：

以某铝冶金厂铝灰(铝含量58.6％、氮含量8.3％)为原料，首先将铝灰与碳酸钠按照铝钠元素比1:1.2进行配料，原料混匀然后压制成直径15mm的团块；团块充分干燥后，将其置于空气气氛中进行一段焙烧，焙烧温度为500℃，焙烧时间为120min，焙烧气氛为空气；二段焙烧温度为700℃，焙烧时间为120min，焙烧气氛为O₂/(O₂+N₂)＝50％；焙烧结束后，将冷却后的团块破碎、在碱性溶液中磨浸、固液分离获得铝酸钠溶液。整个工艺过程铝回收率85.1％，氮脱除率为68.3％，氮元素转化为氮气的比例为99.3％。

对比实施例3：

以某铝冶金厂铝灰(铝含量58.6％、氮含量8.3％)为原料，首先将铝灰与碳酸氢钠按照铝钠元素比1:1.1进行配料，原料混匀然后压制成直径15mm的团块；团块充分干燥后，将其置于空气气氛中进行一段焙烧，焙烧温度为500℃，焙烧时间为120min，焙烧气氛为空气；二段焙烧温度为850℃，焙烧时间为120min，焙烧气氛为O₂/(O₂+N₂)＝65％；焙烧结束后，将冷却后的团块破碎、在碱性溶液中磨浸、固液分离获得铝酸钠溶液。整个工艺过程铝回收率80.1％，氮脱除率为72.1％，氮元素转化为氮气的比例为96.3％。

实施例1：

以某铝冶金厂铝灰(铝含量58.6％、氮含量8.3％)为原料，首先将铝灰与混合钠盐按照铝钠元素比1:1.1进行配料，混合钠盐配比为碳酸钠、碳酸氢钠和过氧化钠质量比例为85:17:8，原料混匀然后压制成直径15mm的团块；团块充分干燥后，将其置于空气气氛中进行一段焙烧，焙烧温度为500℃，焙烧时间为120min，焙烧气氛为空气；二段焙烧温度为700℃，焙烧时间为120min，焙烧气氛为O₂/(O₂+N₂)＝40％；焙烧结束后，将冷却后的团块破碎、在碱性溶液中磨浸、固液分离获得铝酸钠溶液。整个工艺过程铝回收率92.3％，氮脱除率为98.3％，氮元素转化为氮气的比例为99.3％。

实施例2：

以某铝冶金厂铝灰(铝含量58.6％、氮含量8.3％)为原料，首先将铝灰与混合钠盐按照铝钠元素比1:1.3进行配料，混合钠盐配比为碳酸钠、碳酸氢钠和过氧化钠质量比例为70:25:5，原料混匀然后压制成直径15mm的团块；团块充分干燥后，将其置于空气气氛中进行一段焙烧，焙烧温度为300℃，焙烧时间为180min，焙烧气氛为空气；二段焙烧温度为875℃，焙烧时间为150min，焙烧气氛为O₂/(O₂+N₂)＝65％；焙烧结束后，将冷却后的团块破碎、在碱性溶液中磨浸、固液分离获得铝酸钠溶液。整个工艺过程铝回收率94.2％，氮脱除率为99.0％，氮元素转化为氮气的比例为98.8％。

实施例3：

以某铝冶金厂铝灰(铝含量58.6％、氮含量8.3％)为原料，首先将铝灰与混合钠盐按照铝钠元素比1:1.2进行配料，混合钠盐配比为碳酸钠、碳酸氢钠和过氧化钠质量比例为70:17:13，原料混匀然后压制成直径15mm的团块；团块充分干燥后，将其置于空气气氛中进行一段焙烧，焙烧温度为500℃，焙烧时间为150min，焙烧气氛为空气；二段焙烧温度为850℃，焙烧时间为180min，焙烧气氛为O₂/(O₂+N₂)＝55％；焙烧结束后，将冷却后的团块破碎、在碱性溶液中磨浸、固液分离获得铝酸钠溶液。整个工艺过程铝回收率95.1％，氮脱除率为98.8％，氮元素转化为氮气的比例为99.2％。

实施例4：

以某铝冶金厂铝灰(铝含量58.6％、氮含量8.3％)为原料，首先将铝灰与混合钠盐按照铝钠元素比1:1.22进行配料，混合钠盐配比为碳酸钠、碳酸氢钠和过氧化钠质量比例为78:17:5，原料混匀然后压制成直径15mm的团块；团块充分干燥后，将其置于空气气氛中进行一段焙烧，焙烧温度为400℃，焙烧时间为160min，焙烧气氛为空气；二段焙烧温度为800℃，焙烧时间为150min，焙烧气氛为O₂/(O₂+N₂)＝50％；焙烧结束后，将冷却后的团块破碎、在碱性溶液中磨浸、固液分离获得铝酸钠溶液。整个工艺过程铝回收率95.9％，氮脱除率为98.9％，氮元素转化为氮气的比例为99.4％。