粉煤灰是火力發(fā)電廠燃煤鍋爐排出的一種工業(yè)廢渣，是目前世界上排放量最大的工業(yè)固體廢棄物之一，不僅嚴重污染環(huán)境，而且還占用土地。一般說來，每燃燒1t煤，就能產(chǎn)出250～300kg的粉煤灰。長期以來，粉煤灰作為燃煤電廠的主要污染源，嚴重影響了燃煤電廠周圍居民的日常生活，同時，它對周邊的自然環(huán)境也產(chǎn)生了巨大的影響。粉煤灰是工業(yè)固體廢棄物，但同時又是巨大的可再生資源。因此如果能對粉煤灰中有用組分加以利用，一方面，可以解決粉煤灰?guī)淼恼加猛恋?、污染環(huán)境等問題，緩解粉煤灰廢置給環(huán)境帶來的壓力，同時也可以使之成為一種廉價的再生資源。粉煤灰中一般含有15%～55%的氧化鋁，如果能合理加以利用，將是一種很好的氧化鋁資源。
一、試樣原及方法
試樣為某燃煤電廠濕排粉煤灰，選鐵后試樣的化學成分見表1。
表1 粉煤灰化學成分（質(zhì)量分數(shù)）%
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SiO2 |
Al2O3 |
TFe |
燒失量 |
其他 |
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44.78 |
30.10 |
4.70 |
11.78 |
8.64 |
試驗利用碳酸鈉及生石灰與粉煤灰在一定的溫度下進行燒結(jié)，考察燒結(jié)劑種類、燒結(jié)機協(xié)同作用。燒結(jié)溫度、燒結(jié)時間、堿比、鈣比等因素對粉煤灰中氧化鋁溶出率的影響。并對影響燒結(jié)過程的因素進行正式試驗，從而對燒結(jié)過程的條件進行優(yōu)化，得出最佳的粉煤灰提取氧化鋁的燒結(jié)工藝條件。燒結(jié)熟料用80g／L的氫氧化鈉稀溶液在100℃條件下溶出5min，赤泥先用8g／L氫氧化鈉稀溶液洗滌兩次，然后用100℃熱水洗滌一次，溶出的鋁酸鈉溶液經(jīng)過濾棄赤泥后經(jīng)鹽酸化測定溶出的氧化鋁含量。
二、試驗結(jié)果與討論
（一）燒結(jié)劑種類對粉煤灰中Al2O3溶出率的影響
將粉煤灰與碳酸鈉和生石灰以質(zhì)量比為1∶1分別進行混合，在一定的溫度進行燒結(jié)，考察粉煤灰燒結(jié)熟料中氧化鋁溶出率隨燒結(jié)溫度的變化。燒結(jié)劑種類對粉煤灰中氧化鋁溶出率的影響結(jié)果如圖1所示。
圖1 燒結(jié)劑種類對粉煤灰中氧化鋁溶溶出率的影響
從圖1可以看出，隨著溫度的升高，碳酸鈉和生石灰的燒結(jié)結(jié)果逐漸變好。但隨著溫度的升高，利用碳酸鈉進行燒結(jié)時，粉煤灰燒結(jié)熟料中氧化鋁溶出率增長速度要快得多，而利用生石灰燒結(jié)時，其氧化鋁溶出率隨溫度增長及其緩慢。采用碳酸鈉和生石灰作為燒結(jié)劑，在700℃時，粉煤灰中氧化鋁溶出率分別只有23.88%和9.95%；850℃時，粉煤灰中氧化鋁溶出率分別增加到了77.53%和16.28%。
（二）燒結(jié)劑的協(xié)同作用
試驗中采用碳酸鈉與生石灰進行協(xié)同作用試驗，主要考慮燒結(jié)生料中的堿比、鈣比。燒結(jié)溫度及燒結(jié)時間等因素對粉煤灰中氧化鋁溶出率的影響。
1、堿比低粉煤灰燒結(jié)熟料中氧化鋁溶出率的影響
堿比對粉煤灰中氧化鋁溶出率的影響如圖2所示。試驗條件鈣比0.5∶1，燒結(jié)溫度850℃，燒結(jié)反應(yīng)時間30min。
圖2 生料中堿比對粉煤灰中氧化鋁溶出率的影響
從圖2看出，碳酸鈉與氧化鈣混合燒結(jié)劑與粉煤灰進行燒結(jié)時，生料中堿比對粉煤灰燒結(jié)熟料中氧化鋁溶出率的影響很大。當堿比1∶1、鈣比0.5∶1，在850℃條件下燒結(jié)30min，粉煤灰中的氧化鋁只有23.22%被溶出，而當堿比為3∶1在同樣條件下進行燒結(jié)時，卻有68.71%的氧化鋁被溶出。這與利用碳酸鈉燒結(jié)時的反應(yīng)機理有關(guān)，堿石灰燒結(jié)時，粉煤灰中的氧化鋁與碳酸鈉主要發(fā)生以下反應(yīng)：
Al2O3＋Na2CO3→NaO·Al2O3＋CO2↑
當提高生料中堿比時，相當于增大生料中氧化鋁與碳酸鈉的接觸面積及燒結(jié)劑的過飽和度，有利于提高粉煤灰中氧化鋁與碳酸鈉的反應(yīng)速率。因此堿比高的生料可以在相同的燒結(jié)條件下溶出粉煤灰中更多的氧化鋁。
2、鈣比對粉煤灰燒結(jié)熟料中氧化鋁溶出率的影響
鈣比對粉煤灰燒結(jié)熟料中氧化鋁溶出率的影響結(jié)果如圖3所示。試驗條件堿比3∶1，燒結(jié)溫度850℃，燒結(jié)反應(yīng)時間30min。
圖3 鈣比對粉煤灰中氧化鋁溶出率的影響
圖3表明利用碳酸鈉與氧化鈣的混合物與粉煤灰進行燒結(jié)時，生料中的鈣比對粉煤灰燒結(jié)熟料中氧化鋁溶出率有較大影響。當生料中鈣比0.25∶1、堿比3∶1，在850℃條件下燒結(jié)30min時，粉煤灰中有65.78%氧化鋁被溶出，隨著生料中鈣比的增大，粉煤灰燒結(jié)熟料中氧化鋁溶液出率也隨之增大，粉煤灰燒結(jié)熟料中氧化鋁溶出增大到72.21%。但隨著生料中鈣比的進一步增大，粉煤灰中氧化鋁溶出率反而減小。適量的氧化鈣可以促進燒結(jié)過程的進行，有利于粉煤灰中氧化鋁的溶出。而當生料中氧化鈣過量時，則過量的氧化鈣反而阻礙粉煤灰中氧化鋁的溶出。
3、燒結(jié)溫度對粉煤灰中氧化鋁溶出率的影響
燒結(jié)溫度對粉煤灰燒結(jié)熟料中氧化鋁溶出率的影響如圖4所示。試驗條件堿比3∶1、鈣比1∶1、燒結(jié)時間為30min。
圖4 燒結(jié)溫度對粉煤灰中氧化鋁溶出率的影響
圖4表明隨著燒結(jié)溫度的升高，粉煤灰燒結(jié)熟料中氧化鋁溶出率迅速增大。當堿比3∶1、鈣比1∶1的生料在700℃條件下燒結(jié)30min，粉煤灰燒結(jié)熟料中氧化鋁溶出率僅為27.68%，在850℃時，粉煤灰中氧化鋁溶出率為72.21%。資料表明，碳酸鈉與氧化鋁在500～700℃才開始反應(yīng)，800℃才能感應(yīng)完全，提高溫度反應(yīng)加快，在1100℃下在60min內(nèi)可以完成。
4、燒結(jié)時間對粉煤灰中氧化鋁溶出率的影響
燒結(jié)時間對粉煤灰燒結(jié)熟料中氧化鋁溶出率的影響如圖5所示。其中堿比3∶1、鈣比1∶1、燒結(jié)溫度為850℃。
圖5 燒結(jié)時間對粉煤灰中氧化鋁溶出率的影響
從圖5可以看出，燒結(jié)時間對粉煤灰燒結(jié)熟料中氧化鋁溶出率的影響較小。當燒結(jié)時間為30min時，粉煤灰中氧化鋁溶出率為72.21%，隨著時間的增長，氧化鋁溶出率出率增長緩慢，即使將燒結(jié)時間延長到120min，溶出率也僅為73.82%。這說明利用堿石灰燒結(jié)法溶出粉煤灰中氧化鋁時，當生料中堿比3∶1、鈣比1∶1時，物料在850℃條件下燒結(jié)30min已經(jīng)能溶出粉煤灰中能夠溶出的絕大部分氧化鋁，而不能溶出的那部分氧化鋁在該條件下是惰性的。
（三）燒結(jié)反應(yīng)的正交試驗
對燒結(jié)過程進行正交試驗，考察粉煤灰燒結(jié)過程中各因素對粉煤灰中氧化鋁溶出率的影響，以及確定燒結(jié)過程的各種藥劑用量的最佳配比。
試驗利用碳酸鈉與氧化鈣的混合物作為燒結(jié)劑進行燒結(jié)反應(yīng)的正交試驗。正交試驗因素水平表如表2。
表2 正交試驗因素水平
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水平 |
因素 |
|||
|
堿比 |
鈣比 |
燒結(jié)溫度℃ |
燒結(jié)時間min |
|
|
1 |
1∶1 |
2∶1 |
750 |
30 |
|
2 |
2∶1 |
1∶1 |
800 |
60 |
|
3 |
3∶1 |
0.5∶1 |
850 |
90 |
根據(jù)表2試驗采用L9（34）正交試驗表，方案設(shè)計及試驗結(jié)果見表3。
表3 燒結(jié)過程正交試驗方案及試驗結(jié)果
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編號 |
因素 |
Al2O3 |
|||
|
堿比 |
鈣比 |
燒結(jié)溫度℃ |
燒結(jié)時間min |
||
|
1 |
1∶1 |
2∶1 |
750 |
30 |
18.98 |
|
2 |
1∶1 |
1∶1 |
800 |
60 |
30.72 |
|
3 |
1∶1 |
0.5∶1 |
850 |
90 |
34.52 |
|
4 |
2∶1 |
2∶1 |
800 |
90 |
54.64 |
|
5 |
2∶1 |
1∶1 |
850 |
30 |
66.94 |
|
6 |
2∶1 |
0.5∶1 |
750 |
60 |
45.40 |
|
7 |
3∶1 |
2∶1 |
850 |
60 |
62.43 |
|
8 |
3∶1 |
1∶1 |
750 |
90 |
62.85 |
|
9 |
3∶1 |
0.5∶1 |
800 |
30 |
66.19 |
|
Ⅰj |
84.22 |
136.05 |
127.23 |
152.11 |
|
|
Ⅱj |
166.98 |
160.51 |
151.55 |
138.55 |
|
|
Ⅲj |
191.47 |
146.11 |
163.89 |
152.01 |
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|
Rj |
107.25 |
24.46 |
36.66 |
13.56 |
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從表3中可以看出，各種因素對粉煤灰燒結(jié)熟料中氧化鋁溶出率影響大小順序為：堿比＞燒結(jié)溫度＞鈣比＞燒結(jié)時間。因此，在該燒結(jié)過程中要特別控制生料中碳酸鈉的用量。通過對利用碳酸鈉與氧化鈣的混合物作為燒結(jié)劑的燒結(jié)過程進行方案優(yōu)化，得到最佳工藝為：堿比堿比3∶1、鈣比1∶1，850℃條件下燒結(jié)30min，在此條件下Al2O3浸出率可以達到72.21%。
三、結(jié)論
（一）隨著溫度升高，碳酸鈉和生石灰的燒結(jié)效果逐漸變好。但隨著溫度升高，利用碳酸鈉進行燒結(jié)時，粉煤灰燒結(jié)熟料中氧化鋁溶出率增長速度要快得多，而利用生石灰燒結(jié)時，其氧化鋁溶出率隨著溫度增長及其緩慢。
（二）碳酸鈉與氧化鈣的混合物作為燒結(jié)劑，在燒結(jié)過程中的主要影響因素為堿比，其次為燒結(jié)溫度和鈣比，影響最弱的是燒結(jié)時間。
