基于硫酸热浸出从粉煤灰提取氧化铝的方法

摘要

本发明涉及基于硫酸热浸出从粉煤灰提取氧化铝的方法，在粉煤灰中加入硫酸，加热活化溶出，加碱沉淀，固液分离后滤饼再加入碱，形成偏铝酸钠溶液，过滤除杂，偏铝酸钠种分生成氢氧化铝，煅烧生成冶金级氧化铝；滤液硫酸钠溶液经苛化生成氢氧化钠和硫酸钙，硫酸钙与碳酸铵复分解生成硫酸铵和碳酸钙，硫酸铵催化分解成氨气和三氧化硫，碳酸钙烧解为氧化钙和二氧化碳，氨气和二氧化碳合成碳酸铵，物料实现全循环利用，过程能耗低，三氧化硫水吸收成硫酸。本发明建立了切实可行的工艺路线，实现了粉煤灰减量化利用，物料实现全循环利用，工艺能耗及成本显著下降，氧化铝提取率达到91.6～94.7%。

说明书

技术领域

本发明属于粉煤灰处理技术领域，具体涉及一种基于硫酸热浸出从粉煤灰提取氧化铝的方法。

背景技术

在我国内蒙古中西部、山西北部以及宁夏石嘴山等地区的部分煤炭资源中，煤层及矸石中有大量含铝矿物，这些高铝煤炭在火力发电厂燃烧后生成的粉煤灰中化学组成主要包括Al₂O₃、SiO₂、Fe₂O₃、CaO、K₂O、Na₂O等，其中Al₂O₃含量高达30~60%，相当于中级品位铝土矿。与此同时，随着我国铝产业的高速发展，氧化铝生产规模不断扩大，铝土矿消耗逐年增加，资源短缺矛盾日益突出。现已查明我国铝土矿资源储量仅有32亿吨，远不能满足铝产业可持续发展的需求。鉴于国内高铝煤炭资源储量十分丰富，已探明储量为319亿吨，远景资源量为1000亿吨，是我国重要的铝资源后备基地。因此，开发利用高铝粉煤灰资源，不但可部分替代铝土矿资源，有利于缓解国内铝土矿资源短缺的矛盾，而且可以实现粉煤灰高附加值综合利用，减少粉煤灰土地占用及对环境的污染，有利于资源与环境的可持续发展。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于硫酸热浸出从粉煤灰提取氧化铝的方法，去除残余杂质离子，所有物料都可循环利用。

本发明所采用的技术方案为：

基于硫酸热浸出从粉煤灰提取氧化铝的方法，其特征在于：

由以下步骤实现：

步骤一：向粉煤灰中加入硫酸，加热搅拌活化反应；

步骤二：进行固液分离，热硫酸回用于步骤一；

步骤三：分离后固相渣中加入水，加热溶出；

步骤四：进行固液分离；

步骤五：滤液即硫酸铝粗液中加入氢氧化钠生成偏铝酸钠；

步骤六：加氢氧化钙进行固液分离，除去杂质；

步骤七：种分生成氢氧化铝；

步骤八：氢氧化铝煅烧生成冶金级氧化铝；

步骤九：种分母液苛化生成氢氧化钠和硫酸钙，氢氧化钠回用于步骤五；

步骤十：硫酸钙和碳酸铵复分解生成硫酸铵和碳酸钙；

步骤十一：硫酸铵催化分解为氨气和三氧化硫，三氧化硫水吸收生成硫酸；硫酸回用于步骤一；

步骤十二：碳酸钙烧解为氧化钙和二氧化碳，氧化钙回用于步骤九的苛化，二氧化碳和氨气生成碳酸铵，碳铵回用于步骤十的复分解。

步骤一中，灰酸质量比为1：（3～6），硫酸质量分数为80～98%，活化反应温度为200～330℃，反应时间1.2～3小时。

步骤二中，固液分离采用倾析法，先粗倾，后细倾。

步骤三中，分离后固相按渣水质量比1：（2.2～7）的比例加入水，在80℃～200℃下于反应釜中反应0.5～3小时。

步骤五中，氢氧化钠加入量为理论等当量的1.2～1.5倍。

步骤六中，氧化钙的添加量为氢氧化铁理论质量的0.4～3%。

步骤十一中，硫酸铵催化分解的催化剂选自氧化铁、氧化锌、氧化铜、氧化铅中的一种，分解反应分步进行，300～500℃释放出氨气，将氨气与二氧化碳通入水中合成碳酸铵，600～850℃释放出三氧化硫，通入稀硫酸中生成浓硫酸。

步骤十二中，碳酸钙的烧解温度850～920℃，采用悬浮态煅烧。本发明具有以下优点：

本发明采用浓硫酸热浸出活化粉煤灰，浆料反应，方便物料运作及工业化大生产；溶出滤液加碱沉淀后添加少量氢氧化钙，破坏了氢氧化铁胶体，实现快速过滤并大大降低了滤饼含水率；过程产物硫酸钙经苛化实现氢氧化钠再生循环利用，硫酸钙经碳酸铵复分解生成硫酸铵和碳酸钙，硫酸铵催化分解成氨气和三氧化硫，三氧化硫水吸收成硫酸（循化利用），碳酸钙烧解为氧化钙和二氧化碳，氨气和二氧化碳合成碳酸铵（循化利用），由于硫酸钙烧解温度高，并分解不完全，烧解出的氧化钙活性不足，转化为碳酸钙烧解，采用悬浮态烧解，大降低烧结温度，氧化钙活性高，能耗低，该工艺实现了粉煤灰减量化利用，物料实现全循环利用，工艺能耗及成本显著下降，氧化铝提取率达到91.6.～94.7%（由于种分效率，单次试验获得的氢氧化铝不能作为提取率依据，该提取率是连续运行结果）。

附图说明

图1为本发明的工艺流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行详细的说明。

本发明涉及的基于硫酸热浸出从粉煤灰提取氧化铝的方法，由以下步骤实现：

步骤一：向粉煤灰中加入硫酸，加热搅拌活化反应；

步骤二：进行固液分离，热硫酸回用于步骤一；

步骤三：分离后固相渣中加入水，加热溶出；

步骤四：进行固液分离；

步骤五：滤液即硫酸铝粗液中加入氢氧化钠生成偏铝酸钠；

步骤六：加氢氧化钙进行固液分离，除去杂质；

步骤七：种分生成氢氧化铝；

步骤八：氢氧化铝煅烧生成冶金级氧化铝；

步骤九：种分母液苛化生成氢氧化钠和硫酸钙，氢氧化钠回用于步骤五；

步骤十：硫酸钙和碳酸铵复分解生成硫酸铵和碳酸钙；

步骤十一：硫酸铵催化分解为氨气和三氧化硫，三氧化硫水吸收生成硫酸；硫酸回用于步骤一；

步骤十二：碳酸钙烧解为氧化钙和二氧化碳，氧化钙回用于步骤九的苛化，二氧化碳和氨气生成碳酸铵，碳铵回用于步骤十的复分解。

步骤一中，灰酸质量比为1：（3～6），硫酸质量分数为80～98%，活化反应温度为200～330℃，反应时间1.2～3小时。

步骤二中，固液分离采用倾析法，先粗倾，后细倾。

步骤三中，分离后固相按渣水质量比1：（2.2～7）的比例加入水，在80℃～200℃下于反应釜中反应0.5～3小时。

步骤五中，氢氧化钠加入量为理论等当量的1.2～1.5倍。

步骤六中，氧化钙的添加量为氢氧化铁理论质量的0.4～3%。

步骤十一中，硫酸铵催化分解的催化剂选自氧化铁、氧化锌、氧化铜、氧化铅中的一种，分解反应分步进行，300～500℃释放出氨气，将氨气与二氧化碳通入水中合成碳酸铵，600～850℃释放出三氧化硫，通入稀硫酸中生成浓硫酸。

步骤十二中，碳酸钙的烧解温度850～920℃，采用悬浮态煅烧。

本发明采用硫酸作为活化剂在一定条件下来破除粉煤灰中的Si-O-Al键，以提高后续溶出反应的反应效率。

活化反应是基于以下反应实现的：

Al₂O₃>2SO₄>2(SO₄)₃>2O

活化后物料经溶出、固液分离得硫酸铝粗液，加入过量氢氧化钠后生成偏铝酸钠溶液，加入少量氧化钙，破坏氢氧化铁胶体，过滤除去铁、镁、钙等杂质，种分生成氢氧化铝，滤液为硫酸钠及氢氧化钠溶液；氢氧化铝煅烧生成氧化铝。硫酸钠及氢氧化钠滤液加入氢氧化钙苛化生成氢氧化钠和硫酸钙，硫酸钙转化为碳酸钙烧解，基于以下反应实现：

Na₂SO₄>2→CaSO₄↓+>2CO₃

CaSO₄+(NH₄)₂CO₃→CaCO₃↓+(NH₄)₂SO₄

CaCO₃→CaO+CO₂↑

(NH₄)₂SO₄+Fe₂O₃→Fe₂(SO₄)₃+NH₃+H₂O↑(500℃)

CO₂+>3+H₂O→(NH₄)₂CO₃

Fe₂(SO₄)₃→Fe₂O₃+SO₃↑(850℃)

SO₃+>2O→H₂SO₄

具体工艺流程见图1。

实施例一：

取1 t煤灰（含氧化铝53.3%），加入3t80%硫酸，330℃活化反应1.2小时，倾析固液分离，先粗倾，后细倾；倾出的热硫酸循环使用，分离后固相加水2.2t，80℃加热搅拌，反应3小时，固液分离，用0.6t水洗涤滤渣，洗涤水用于再次溶出反应。滤液中加入6.5千克氧化钙搅拌加入2t氢氧化钠，过滤除去铁、镁、钙等，种分得氢氧化铝，煅烧氢氧化铝得氧化铝0.248 t，纯度99.1%。种分滤液加入0.88t氧化钙，分离出含水硫酸钙2.96t，加入5.2 t水、1.62t碳酸铵，抽提硫酸铵溶液，固液分离得到碳酸钙沉淀，900℃下流化态煅烧10分钟，得到氧化钙0.86t；硫酸铵溶液中加入1.9 t三氧化铁，加热到500℃，恒温0.5小时，（放出的氨气和碳酸钙煅烧放出的二氧化碳共同通入水中，生成碳酸铵），继续加热到900℃，恒温20分钟，释放出的气体通入稀硫酸吸收成浓硫酸。

实施例二：

取1 t煤灰（含氧化铝53.3%），加入4t98%硫酸，300℃活化反应2小时，倾析固液分离，先粗倾，后细倾；倾出的热硫酸循环使用，分离后固相加水4t，150℃加热搅拌，反应1.2小时，固液分离，用0.6t水洗涤滤渣，洗涤水用于再次溶出反应。滤液中加入9.5千克氧化钙搅拌加入2.5t氢氧化钠，过滤除去铁、镁、钙等，种分得氢氧化铝，煅烧氢氧化铝得氧化铝0.28t，纯度99.3%。种分滤液加入0.88t氧化钙，分离出含水硫酸钙2.93 t，加入5.2 t水、1.62t碳酸铵，抽提硫酸铵溶液，固液分离得到碳酸钙沉淀，950℃下流化态煅烧5分钟，得到氧化钙0.85t；硫酸铵溶液中加入1.9 t三氧化铁，加热到500℃，恒温0.5小时，（放出的氨气和碳酸钙煅烧放出的二氧化碳共同通入水中，生成碳酸铵），继续加热到900℃，恒温20分钟，释放出的气体通入稀硫酸吸收成浓硫酸。

实施例三：

取1 t煤灰（含氧化铝53.3%），加入5t90%硫酸，280℃活化反应2小时，倾析固液分离，先粗倾，后细倾；倾出的热硫酸循环使用，分离后固相加水4.2t，150℃加热搅拌，反应2小时，固液分离，用0.6t水洗涤滤渣，洗涤水用于再次溶出反应。滤液中加入8.5千克氧化钙搅拌加入2t氢氧化钠，过滤除去铁、镁、钙等，种分得氢氧化铝，煅烧氢氧化铝得氧化铝0.243 t，纯度99.2%。种分滤液加入0.88t氧化钙，分离出含水硫酸钙2.93t，加入5.2 t水、1.62t碳酸铵，抽提硫酸铵溶液，固液分离得到碳酸钙沉淀，920℃下流化态煅烧8分钟，得到氧化钙0.88t；硫酸铵溶液中加入1.9 t三氧化铁，加热到500℃，恒温0.5小时，（放出的氨气和碳酸钙煅烧放出的二氧化碳共同通入水中，生成碳酸铵），继续加热到900℃，恒温20分钟，释放出的气体通入稀硫酸吸收成浓硫酸。

本发明的内容不限于实施例所列举，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。