專利名稱：從粉煤灰中提取氧化鋁及利用廢渣生產(chǎn)水泥的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及由粉煤灰中提取氫氧化鋁或氧化鋁領(lǐng)域、涉及粉煤灰中提取氧化鋁后廢渣生產(chǎn)水泥領(lǐng)域、涉及降低煤粉爐環(huán)境污染和粉煤灰綜合利用領(lǐng)域，特別適用于從粉煤灰中提取氧化鋁及利用廢渣生產(chǎn)水泥的方法。
背景技術(shù)：
眾所周知，在粉煤灰中提取氧化鋁不僅可以增加粉煤灰利用的價值，同時解決粉煤灰污染環(huán)境的問題，對于高鋁粉煤灰的綜合利用具有很大的吸引力。全世界在粉煤灰中提取氧化鋁已經(jīng)有很多方法，其中可以工業(yè)化的方法之一是石灰燒結(jié)法，也就是波蘭科學(xué)家發(fā)明的石灰燒結(jié)自粉化法。而這種從粉煤灰中提取氧化鋁聯(lián)產(chǎn)水泥方法的突出問題是煅燒溫度高、設(shè)備投資大，直接導(dǎo)致氧化鋁生產(chǎn)能耗高、產(chǎn)品成本高。由于鎵和鋁具有相似的化學(xué)性質(zhì)，所以在粉煤灰中提取鎵也同樣存在上述問題。
煤粉鍋爐是廣泛使用的生產(chǎn)熱力的設(shè)備，它產(chǎn)生的高溫高壓蒸汽可用于發(fā)電或用作其它動力。其中的關(guān)鍵設(shè)備是煤粉鍋爐。煤粉經(jīng)噴嘴噴入爐膛內(nèi)，呈高度分散的懸浮狀態(tài)，在爐膛燃燒區(qū)與1300-1700℃的高溫氣流相遇后，急劇升溫并燃燒放熱；煤粉燃燒放熱而使鍋爐中產(chǎn)生的高溫高壓蒸汽可直接用于推動渦輪機和其它動力、熱工設(shè)備如發(fā)電設(shè)備。煤粉燃燒后形成的粉煤灰隨煙氣流離開爐膛，進入含塵煙氣輸送通道，在其中與供汽、鍋爐供水、供風(fēng)等設(shè)施進行間接熱交換，均勻而迅速地冷卻，然后進入電除塵器，粉煤灰即被收集下來。另外，沉落于爐膛底部的少量爐渣，經(jīng)水淬急冷后由撈渣機取出。收集的粉煤灰通常用水力輸送到專門修建的堆灰池中堆置，或用氣力輸送到儲庫中儲存；大量的粉煤灰除掉后，仍含少量粉煤灰灰塵和較大量的廢氣排入大氣中。這種煤粉鍋爐的運行帶來兩個較嚴重的問題，一是副產(chǎn)的大量的粉煤灰將對土地和水源等產(chǎn)生較嚴重的污染問題。二是煙氣中的二氧化硫和少量的粉煤灰也給大氣帶來環(huán)境污染問題。
“一爐兩用”的方法對于解決煤粉爐的污染問題具有巨大的潛力，已經(jīng)有不少研究，如專利申請?zhí)枮?6111664.1，專利名稱為“一爐兩用”同時出熱和生產(chǎn)水泥熟料的方法、產(chǎn)品、設(shè)備及應(yīng)用。
一爐兩用，在煤粉爐中形成水泥熟料必須解決三個主要問題第一、如何使煤粉鍋爐排出的產(chǎn)物的化學(xué)組成達到預(yù)期水泥熟料的化學(xué)組成；第二、如何使粉煤灰中的化學(xué)成分發(fā)生礦化反應(yīng)，大量生成具有良好水硬活性的礦物組成；第三、如何保證在煤灰質(zhì)之間發(fā)生礦化反應(yīng)時，不吸收煤粉燃燒時放出的熱量，以保持爐膛高溫，保證鍋爐出熱能力不降低。
顯然，要解決上述問題，單從技術(shù)上是可以達到的。在實際應(yīng)用中，要保證鍋爐出熱能力不降低并不太困難。但是，由于水泥應(yīng)用的特殊性，人們對水泥化學(xué)成分和礦物組成含量的波動要求嚴格，所以水泥生產(chǎn)質(zhì)量控制要求也非常嚴格，電力生產(chǎn)和水泥生產(chǎn)兩個完全不同的部門要整合在一起并非易事。因此上述方法在現(xiàn)有生產(chǎn)力狀況下產(chǎn)業(yè)化推廣并不理想。
恰恰相反，從粉煤灰中提取氧化鋁的石灰燒結(jié)法對氧化鋁熟料煅燒的技術(shù)要求遠沒有水泥熟料高，主要原因是水泥熟料首先要生成硅酸二鈣，然后在更高的溫度下生成硅酸三鈣。而要生成硅酸三鈣，這在煤粉爐中實現(xiàn)起來較困難。不僅如此，還要保證水泥熟料中硅酸二鈣、硅酸三鈣、鐵鋁酸四鈣和鋁酸三鈣晶體礦物之間保持一定的比例關(guān)系，才能達到水泥質(zhì)量穩(wěn)定的要求，這種要求要在煤粉爐中實現(xiàn)起來確實難上加難。而氧化鋁熟料只要生成七鋁酸十二鈣和硅酸二鈣就可以了。氧化鋁熟料的質(zhì)量控制主要針對七鋁酸十二鈣含量也就可以了，用煤粉爐生產(chǎn)氧化鋁熟料顯然控制起來較水泥熟料容易多了。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的針對傳統(tǒng)石灰燒結(jié)法粉煤灰提取氧化鋁聯(lián)產(chǎn)水泥存在的投資大、能耗高、成本高等問題，尋找降低粉煤灰中提取氧化鋁投資和生產(chǎn)能耗的途徑，發(fā)明了從粉煤灰中提取氧化鋁的方法。
本發(fā)明的另一目的是提供一種利用廢渣生產(chǎn)水泥的方法。
解決煤粉爐一爐兩用生產(chǎn)熱力和水泥存在的水泥質(zhì)量不易控制、不易生產(chǎn)高標號水泥的問題。
本發(fā)明的另一目的是在從粉煤灰中提取氧化鋁及利用廢渣生產(chǎn)水泥的過程中，還同時解決煤粉爐容易造成環(huán)境污染的問題。
本發(fā)明解決技術(shù)問題的技術(shù)方案包括氧化鋁熟料是采用一爐兩用的方法獲得的，一爐是指煤粉熱力鍋爐，兩用是指煤粉鍋爐同時生產(chǎn)熱力和氧化鋁熟料，煤粉在鍋爐中燃燒產(chǎn)生的高溫高壓蒸汽輸送給熱力用戶，其突出的進步在于根據(jù)煤粉灰分含量和化學(xué)成分情況，向煤中配入氧化鈣質(zhì)原料和礦化劑，使得配煤混合物燃燒后得到的氧化鋁熟料的化學(xué)組成(摩爾比)為CaO/Al2O3＝0.9-1.1，CaO/SiO2＝1.6-2.2；礦化劑的用量為氧化鈣質(zhì)原料的0-2％(重量百分比)，將這種配煤混合物充分混勻并磨細，其粉末粒度應(yīng)達到小于100μm，將這種配煤混合物粉末噴入煤粉鍋爐的爐膛內(nèi)，使其在1300-1700℃的高溫區(qū)充分燃燒，同時灰質(zhì)間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，得到氧化鋁熟料，氧化鋁熟料經(jīng)過磨細、浸出、脫硅、碳化等工序獲得氫氧化鋁，氫氧化鋁經(jīng)過煅燒獲得氧化鋁，提取氧化鋁后的廢渣用于水泥的生產(chǎn)。
其具體方法按下述步驟進行(1)石灰石的煅燒和配煤混合物的制備石灰石堆場的石灰石經(jīng)過石灰爐煅燒成石灰，塊狀石灰經(jīng)過破碎進入石灰倉，石灰爐產(chǎn)生的廢氣用于碳化，碎石灰和經(jīng)過破碎的碎煤按照氧化鋁熟料最終成份(摩爾比)為CaO/Al2O3＝0.9-1.1，CaO/SiO2＝1.6-2.2分別計量加入煤磨機中。
根據(jù)需要，將用量為石灰用量的0-2％(重量百分比)的礦化劑也加入石灰和煤粉球磨機中進行球磨，獲得的煤粉混合物的細度為小于100μm。
(2)熱力的生產(chǎn)和氧化鋁熟料的制備將磨細的配煤混合物噴入煤粉爐中燃燒，燃燒溫度為1300-1700℃，燃燒后得到的灰質(zhì)物即為含有七鋁酸十二鈣和硅酸二鈣晶體、用于提取氧化鋁的熟料，簡稱氧化鋁熟料，由于原料采用石灰而并非石灰石，氧化鈣和氧化硅以及氧化鋁之間所發(fā)生的固相反應(yīng)都是放熱反應(yīng)，所以配煤混合物的噴入，不影響煤粉爐的熱力輸出。
(3)氧化鋁的生產(chǎn)將獲得的氧化鋁熟料送入溶出球磨機中，在50-95℃的溫度下球磨溶出后進行固液初步分離，對廢渣進行洗滌后再固液分離。獲得的液體為偏鋁酸鈉浸出液，用于生產(chǎn)氧化鋁。固體廢渣為硅鈣渣，用于生產(chǎn)制備水泥；將偏鋁酸鈉溶液加入石灰乳進行脫硅，獲得偏鋁酸鈉精液，脫硅時的硅鈣比為(20-200)∶1；將偏鋁酸鈉精液進行碳化，碳化溫度為40-90℃，碳化終點為pH＝8-10，碳化析出氫氧化鋁，經(jīng)過固液分離，液體用于碳酸鈉再生和循環(huán)使用；氫氧化鋁在700-1200℃的溫度下煅燒為氧化鋁。
(4)水泥的生產(chǎn)對硅鈣渣進行必要的成分調(diào)整，加入調(diào)整原料后，進行球磨混合，達到水泥生產(chǎn)的原料配比和均勻度后，送入水泥窯進行水泥煅燒。石灰石飽和系數(shù)為0.8-0.98，硅率為1.7-2.7，鋁率為1.0-1.9，煅燒溫度為1300-1400℃。
水泥熟料再加入混合材和石膏后進行球磨，制得符合國家標準的硅酸鹽水泥。本發(fā)明中所述的水泥生產(chǎn)工藝，可以采用干法、半干法或者濕法水泥生產(chǎn)工藝，視實際情況而定。
本發(fā)明有益效果是將燃煤生產(chǎn)熱力的煤粉爐設(shè)備和石灰燒結(jié)法粉煤灰中氧化鋁提取的煅燒設(shè)備“合二為一”，使得煤粉鍋爐不僅生產(chǎn)熱力同時生產(chǎn)氧化鋁熟料；首先，這種方法簡化了粉煤灰中氧化鋁提取的石灰燒結(jié)法中高溫煅燒工藝和設(shè)備，縮短了粉煤灰中提取氧化鋁的工藝流程，達到了降低粉煤灰中提取氧化鋁成本的目的；第二，通過將提取氧化鋁后的廢渣再用來生產(chǎn)水泥，這樣，這種方法就克服了“一爐兩用”生產(chǎn)熱力和水泥方法中存在的水泥質(zhì)量不易控制和不易獲得高標號水泥的問題，可以獲得滿足市場要求的不同標號的水泥；第三，由于，在煤粉燃燒過程中添加了石灰，這樣就為固定煤燃燒產(chǎn)生的二氧化硫提供方便，在實現(xiàn)粉煤灰的綜合利用的目的的同時，降低了煤粉爐排放廢氣中的二氧化硫的含量，減輕了煤粉爐對環(huán)境的污染程度。
第四，由于鎵和鋁具有相似的化學(xué)性質(zhì)，所以本發(fā)明工藝同樣適合于在高鋁粉煤灰中提取鎵。
第五，本發(fā)明實現(xiàn)了粉煤灰低成本高附加值的綜合利用。


圖1從粉煤灰中提取氧化鋁及利用廢渣生產(chǎn)水泥的方法的工藝流程圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳細說明氧化鋁熟料是采用一爐兩用的方法獲得的，一爐是指煤粉熱力鍋爐，兩用是指煤粉鍋爐同時生產(chǎn)熱力和氧化鋁熟料，煤粉在鍋爐中燃燒產(chǎn)生的高溫高壓蒸汽輸送給熱力用戶，其突出的進步在于根據(jù)煤粉灰分含量和化學(xué)成分情況，向煤中配入氧化鈣質(zhì)原料和礦化劑，使得配煤混合物燃燒后得到的氧化鋁熟料的化學(xué)組成(摩爾比)為CaO/Al2O3＝0.9-1.1，CaO/SiO2＝1.6-2.2；礦化劑的用量為氧化鈣質(zhì)原料的0-2％(重量百分比)，將這種配煤混合物充分混勻并磨細，其粉末粒度應(yīng)達到小于100μm，將這種配煤混合物粉末噴入煤粉鍋爐的爐膛內(nèi)，使其在1300-1700℃的高溫區(qū)充分燃燒，同時灰質(zhì)間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，得到氧化鋁熟料，氧化鋁熟料經(jīng)過磨細、浸出、脫硅、碳化等工序獲得氫氧化鋁，氫氧化鋁經(jīng)過煅燒獲得氧化鋁，提取氧化鋁后的廢渣用于水泥的生產(chǎn)。
首先將可以產(chǎn)生氧化鋁含量大于30％(重量百分比)的高鋁粉煤灰的煤粉和煅燒好的氧化鈣(也可采用主要含有氫氧化鈣的電石渣代替石灰)按照氧化鋁熟料最終成份(摩爾比)為CaO/Al2O3＝0.9-1.1，CaO/SiO2＝1.6-2.2的要求進行配比。
其次，將按比例配好的煤粉和石灰加入煤粉磨機中進行球磨，獲得的配煤混合物的細度要求小于100μm。
第三，將磨細的配煤混合物，噴入煤粉爐，進行熱力生產(chǎn)，配煤混合物粉體在1300-1700℃的溫度下燃燒，煤灰質(zhì)和氧化鈣同時發(fā)生反應(yīng)，形成氧化鋁熟料顆粒，經(jīng)過電收塵將生成的氧化鋁熟料收集下來。
第四，將合格熟料進行低濃度碳酸鈉溶液浸取。浸取溶出使用濃度為4-12％的碳酸鈉水溶液作為浸取溶出液。浸取溶出溫度為50-95℃，浸取溶出時間為15-45分鐘，固液比為1∶(5-40)。浸取溶出結(jié)束后，進行固液分離，獲得鋁酸鈉粗液和以硅酸二鈣和碳酸鈣為主要成分的硅鈣渣。
第五，按照(20-200)∶1的鈣硅比進行脫硅處理，獲得鋁酸鈉精液，繼而在40-60℃的溫度下進行碳化分解處理，碳分終點為pH＝8-10。過濾后獲得氫氧化鋁，濾液經(jīng)過處理再生循環(huán)使用。碳化所用二氧化碳氣體可以從石灰爐中獲得。
第六，將氫氧化鋁進行煅燒，獲得冶金級氧化鋁。煅燒溫度為1100-1200℃，煅燒設(shè)備可采用傳統(tǒng)的氧化鋁煅燒設(shè)備，也可以采用流態(tài)化煅燒設(shè)備或先進的沸騰煅燒設(shè)備。
第七，對硅鈣渣進行必要的成分調(diào)整，加入調(diào)整原料(粉煤灰或石灰或鐵粉)后，進行球磨混合，達到水泥生產(chǎn)的原料配比和均勻度后，送入水泥窯進行水泥煅燒。石灰石飽和系數(shù)為0.8-0.98，硅率為1.7-2.7，鋁率為1.0-1.9，煅燒溫度為1300-1400℃。
水泥熟料可以采用濕法、半干法或干法工藝進行生產(chǎn)。
工藝實施舉例1原料化學(xué)成分原煤中灰分為8％(重量比)

工藝配比石灰/煤粉＝16/100，將石灰加入煤粉中進行球磨。配煤混合物粒度200目篩篩余小于5％。
將配煤混合物噴入煤粉爐中，中心溫度為1550℃，燃燒后經(jīng)過電收塵收集，獲得可用作提取氧化鋁的熟料粉煤灰。
將氧化鋁熟料進行8％碳酸鈉溶液球磨兩次浸出，每次15分鐘，浸出后按照50∶1的鈣硅比脫硅后進行碳化，碳化溫度為60℃，碳化終點pH＝9，固液分離，測得氧化鋁浸出率為80％。提取的氧化鋁符合冶金級氧化鋁的技術(shù)標準。
提取氧化鋁的熟料和提取氧化鋁之后形成的硅鈣渣的化學(xué)組成見下表

水泥配料及水泥熟料的化學(xué)組成如下表

以上配料所得結(jié)果KH＝0.89，SM＝2.29，IM＝1.31均符合濕法長窯煅燒水泥的要求。按上述配比獲得的水泥28天抗壓強度大于52.5MPa，抗折大于7MPa，達到52.5號水泥的強度等級。生產(chǎn)氧化鋁熟料之前后比較，煤粉爐排出的煙氣中二氧化硫下降40％。
工藝實施舉例2原料化學(xué)成分

工藝配比石灰/煤粉＝16/100，螢石為石灰用量的1％。將石灰、螢石和原煤加入煤磨中進行球磨，獲得的配煤混合物粒度200目篩篩余小于5％。
將配煤混合物噴入煤粉爐中，中心溫度為1500℃，燃燒后經(jīng)過電收塵收集，獲得的粉煤灰可用作提取氧化鋁，稱為氧化鋁熟料。
將氧化鋁熟料分兩次用8％碳酸鈉溶液球磨浸出，每次15分鐘，浸出后按照40∶1的鈣硅比脫硅后進行碳化，碳化溫度為55℃，碳化終點pH＝10，固液分離，測得氧化鋁浸出率為75％。提取獲得的氧化鋁符合冶金級氧化鋁的技術(shù)標準。
提取氧化鋁的熟料和提取氧化鋁之后形成的硅鈣渣的化學(xué)組成見下表

水泥配料及水泥熟料的化學(xué)組成

以上配料所得結(jié)果KH＝0.89，SM＝2.25，IM＝1.63均符合預(yù)熱預(yù)分解干法窯煅燒水泥的要求。按上述配比獲得的水泥28天抗壓強度大于52.5MPa，抗折大于7MPa，達到52.5號水泥的強度等級。生產(chǎn)氧化鋁熟料之前后比較，煤粉爐排出的煙氣中二氧化硫下降39％。
權(quán)利要求
1.一種從一爐兩用粉煤灰中提取氧化鋁的方法，氧化鋁熟料是采用一爐兩用的方法獲得的，一爐是指煤粉熱力鍋爐，兩用是指煤粉鍋爐同時生產(chǎn)熱力和氧化鋁熟料，煤粉在鍋爐中燃燒產(chǎn)生的高溫高壓蒸汽輸送給熱力用戶，其特征在于根據(jù)煤粉灰分含量和化學(xué)成分情況，向煤中配入氧化鈣質(zhì)原料和礦化劑，使得配煤混合物燃燒后得到的氧化鋁熟料的化學(xué)組成(摩爾比)為CaO/Al2O3＝0.9-1.1，CaO/SiO2＝1.6-2.2；礦化劑的用量為氧化鈣質(zhì)原料的0-2％(重量百分比)，將這種配煤混合物充分混勻并磨細，其粉末粒度應(yīng)達到小于100μm，將這種配煤混合物粉末噴入煤粉鍋爐的爐膛內(nèi)，使其在1300-1700℃的高溫區(qū)充分燃燒，同時灰質(zhì)間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，得到氧化鋁熟料，氧化鋁熟料經(jīng)過磨細、浸出、脫硅、碳化等工序獲得氫氧化鋁，氫氧化鋁經(jīng)過煅燒獲得氧化鋁，提取氧化鋁后的廢渣用于水泥的生產(chǎn)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1從一爐兩用粉煤灰中提取氧化鋁的方法，其特征在于，所說的熱力用戶包括熱電廠，所說煤粉熱力鍋爐包括煤粉爐或旋風(fēng)爐。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2從一爐兩用粉煤灰中提取氧化鋁的方法，其特征在于，配煤混合物粉末在煤粉鍋爐內(nèi)高溫燃燒并發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，爐膛高溫區(qū)的溫度為1300-1700℃，煤粉燃燒和煤灰質(zhì)與外加鈣質(zhì)原料之間化學(xué)反應(yīng)后生成的氧化鋁熟料離開爐膛后，從1200℃冷卻到200℃以下。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項從一爐兩用粉煤灰中提取氧化鋁的方法，其特征在于，氧化鈣質(zhì)原料是石灰石經(jīng)過煅燒得到的生石灰，或為富含氧化鈣成分的物質(zhì)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項從一爐兩用粉煤灰中提取氧化鋁的方法，其特征在于，所說礦化劑為降低氧化鋁熟料生成反應(yīng)溫度、增加反應(yīng)速度的物質(zhì)如螢石、AlF3、Na2SO4、CaSO4中選取一種或多種。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一項從一爐兩用粉煤灰中提取氧化鋁的方法，，其特征在于，所生成的氧化鋁熟料含有七鋁酸十二鈣和硅酸二鈣晶體。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6中任一項從一爐兩用粉煤灰中提取氧化鋁的方法，，其特征在于，所生成的氧化鋁熟料經(jīng)過濃度為4-12％(重量百分比)碳酸鈉溶液在50-95℃溫度下浸出；硅鈣比為20-200的條件下進行脫硅，石灰石煅燒爐產(chǎn)生的富含二氧化碳煙氣用于碳化，碳化溫度為40-90℃，碳化終點為pH＝8-10，獲得的氫氧化鋁在700-1200℃的溫度下煅燒為氧化鋁。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7中任一項從一爐兩用粉煤灰中提取氧化鋁的方法，，其特征在于該方法也適合高鋁粉煤灰中鎵的提取。
9.一種權(quán)利要求1從粉煤灰中提取氧化鋁后的廢渣生產(chǎn)水泥的方法，其特征在于，提取氧化鋁后的廢渣為硅鈣渣，用于生產(chǎn)硅酸鹽水泥，硅酸鹽水泥生產(chǎn)可以是傳統(tǒng)水泥生產(chǎn)方法如濕法、半干法或干法。
10.根據(jù)權(quán)利要求9從粉煤灰中提取氧化鋁后的廢渣生產(chǎn)水泥的方法，其特征在于，生產(chǎn)水泥的配料石灰石飽和系數(shù)為0.8-0.98，硅率為1.7-2.7，鋁率為1.0-1.9，煅燒溫度為1300-1400℃。
全文摘要
從粉煤灰中提取氧化鋁及利用廢渣生產(chǎn)水泥的方法，該方法是包括在火力發(fā)電廠煤粉鍋爐上采用“一爐兩用”同時出熱和生產(chǎn)氧化鋁熟料的工藝。獲得的氧化鋁熟料經(jīng)過氧化鋁提取工藝獲得氧化鋁產(chǎn)品后，廢渣用于生產(chǎn)水泥。該發(fā)明方法具有降低粉煤灰中提取氧化鋁的能耗與生產(chǎn)成本的特點。該方法所生產(chǎn)的氧化鋁熟料不僅具有良好的氧化鋁浸出特性，而且提取氧化鋁后的廢渣可用于高標號水泥的生產(chǎn)，同時可以降低煤粉爐煙氣中二氧化硫的排放，實現(xiàn)粉煤灰高附加值的綜合利用和環(huán)境保護的目的。該工藝同樣適合粉煤灰中鎵的提取。
文檔編號C04B7/00GK101041449SQ20071001745
公開日2007年9月26日 申請日期2007年2月26日 優(yōu)先權(quán)日2007年2月26日
發(fā)明者趙鵬 申請人:長安大學(xué)