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综合利用高灰分废弃焦粉制备碳质还原剂的研究

作　者: 宁哲
导　师: 马文会
学　校: 昆明理工大学
专　业: 冶金物理化学
关键词: 高灰分焦粉还原剂湿法冶金热力学动力学
分类号: TQ421
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

本论文对高灰分废弃焦粉采用湿法工艺脱灰制备碳质还原剂的工艺和理论进行了系统的研究。论文中首先对工业硅和电石行业用碳质还原剂进行概述,指出目前云南省工业硅和电石产业快速发展与碳质还原剂供应不足的现状之问存在的矛盾。同时归纳了焦炭作为还原剂的悠久历史,高灰分焦粉的来源和利用现状。总结了国内外现有脱灰技术的研究成果和工业应用状况,提出高灰分焦粉脱灰制备工业硅还原剂的研究方向,从而明确提出了本论文的研究意义和主要研究内容。本论文以云南地区焦化企业生产过程中产生的焦粉为研究对象,研究了焦粉中灰分杂质的存在形态及焦粉湿法脱灰热力学,据此提出了高压碱浸-常压酸浸联合浸出的焦粉脱灰技术路线,并对脱灰过程的有关的基础问题和相关机理进行了研究。(1)利用现代分析检测技术,研究了焦粉中灰分杂质元素的种类及含量、物相组成和分布特征。焦粉中主要的灰分杂质元素为Si、Al、Fe、Ca、Ti, S,通常以氧化物的形式存在于焦粉中。灰分矿物质的主要物相为石英(Quartz)、方石英(Cristobalite)、莫来石(Mullite)、赤铁矿(Hematite)、石膏(Anhydride)。焦粉中灰分矿物质大部分呈颗粒状与碳颗粒夹杂分布,少部分镶嵌于炭基体中。由于焦粉的物理性质与煤不同,利用物理方法很难使焦粉中的灰分颗粒与碳分离,化学浸出更适于去除焦粉灰分。(2)分析焦粉湿法浸出脱灰过程中的热力学规律,分别绘制了主要灰分元素Si、Al、Fe、Ca、Ti和Mg水溶物种的Igα-pH图,不同温度条件下Al-Si-H2O系的(p-pH图和Si-H2O系、Al-H2O系和Al-Si-H2O系的lg(c)-pH图。(3)从工艺角度研究了浸出剂种类及其浓度、焦粉粒度、反应温度、反应时间、液固比等多种因素对焦粉脱灰的影响。确定了合理的工艺参数为：碱浸：粒度<75μm,温度180～200℃, NaOH溶液浓度15wt.%,保温时间30min,液固比4：1～8：1,自蒸汽压；酸浸：温度90℃；H2SO4溶液浓度12wt.%；保温时间30min;液固比6：1。在此浸出条件下,进行了扩大试验,结果证明本工艺具有良好的放大效果和适用性。焦粉灰分去除率超过84%,灰分含量低于4.5%,焦粉中Si、Al、Mg去除率>85%,Ca去除率>97%,Fe去除率>70%。(4)在确定的条件下,对焦粉脱灰过程动力学进行了研究,利用“有固态产物层的固-液反应模型”建立了碱浸温度对焦粉灰分中含硅矿物和含铝矿物脱除率的动力学方程,研究Si和Al去除过程中的限制性环节。研究结果表明：Si和Al脱除反应的表观活化能分别为27.635kJ/mol和36.041kJ/mol,都属于内扩散控制。温度对含硅矿物和含铝矿物溶出率影响的动力学方程如下：Ink’si=0.51792+3.3239×103×T/1Ink’al=-1.13402+4.33495×103×T/1(5)研究了焦粉脱灰前后物理化学性质的变化,与现有工业硅和电石生产用碳质还原剂进行比较,提出脱灰焦粉在工业硅和电石生产中的应用方式。通过脱灰焦粉物理化学性质分析和还原实验证明了脱灰焦粉作为工业硅和电石生产碳质还原剂的可行性。(6)对工艺的经济性和环境影响进行了评价。经济性分析表明脱灰焦粉制备碳质还原剂生产成本为1855.25元/t,低于目前工业硅和电石生产用碳质还原剂的价格,具有比较可观的经济效益,在经济上是可行的。环境分析表明本项目产生的废水、废渣可得到很好的二次利用,对环境影响小,从环保角度考虑是可行的。(7)利用高灰分焦粉脱灰制备碳质还原剂,提高了高灰分焦粉的附加值,解决焦炭废弃堆存带来的环境问题,为工业硅和电石生产提供一种新的碳质还原剂,实现了焦煤资源的综合回收利用。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-13
第一章绪论  13-43
  1.1 焦粉概况  13-28
    1.1.1 焦粉的来源  13
    1.1.2 焦炭行业概况  13-16
    1.1.3 焦炭的生产工艺  16-18
    1.1.4 焦炭的性质及用途  18-24
    1.1.5 焦粉利用现状  24-25
    1.1.6 焦粉脱灰研究现状  25-28
  1.2 工业硅用碳质还原剂研究现状  28-37
    1.2.1 工业硅行业概况  28-31
    1.2.2 现代工业硅生产工艺  31-34
    1.2.3 工业硅生产对还原剂的要求  34-37
  1.3 电石用碳质还原剂研究现状  37-40
    1.3.1 电石行业概况  38-39
    1.3.2 现代电石生产工艺  39-40
    1.3.3 电石生产对还原剂的要求  40
  1.4 本论文的研究背景及研究的主要内容  40-43
    1.4.1 论文研究背景及意义  40-41
    1.4.2 本论文主要研究内容  41-43
第二章焦粉中灰分成分及赋存状态研究  43-54
  2.1 焦粉中灰分的来源及行为研究  43-46
    2.1.1 焦粉中灰分的来源  43-45
    2.1.2 灰分在炼焦过程中的行为  45-46
  2.2 焦粉中灰分赋存状态研究  46-50
  2.3 焦粉中灰分分布状态研究  50-53
  2.4 本章小结  53-54
第三章焦粉湿法提纯过程的热力学分析  54-77
  3.1 溶液的性质  54-58
    3.1.1 溶液蒸汽压  54-56
    3.1.2 溶液的活度系数  56-58
  3.2 焦粉湿法脱灰过程热力学  58-75
    3.2.1 焦粉中灰分元素的Me-H_2O系lgα-pH图绘制  58-66
    3.2.2 焦粉湿法浸出脱灰Al-Si-H_2O系φ-pH图绘制  66-70
    3.2.3 焦粉湿法浸出脱灰log(c)-pH图绘制  70-75
  3.3 本章小结  75-77
第四章试验研究方案  77-85
  4.1 试验目的  77
  4.2 试验方案  77-79
    4.2.1 原料准备  78
    4.2.2 探索试验  78
    4.2.3 条件试验  78-79
    4.2.4 脱灰动力学研究  79
    4.2.5 脱灰焦粉还原性研究  79
  4.3 试验原料  79
  4.4 试验试剂和设备  79-80
  4.5 试验方法  80-84
    4.5.1 试验原料预处理  80-81
    4.5.2 常压浸出  81
    4.5.3 高压浸出  81-84
  4.6 分析检测与表征  84-85
    4.6.1 焦粉工业分析  84
    4.6.2 物相分析  84
    4.6.3 微观结构分析  84
    4.6.4 化学元素分析  84-85
第五章浸出脱灰试验研究  85-128
  5.1 焦粉脱灰探索试验  85-99
    5.1.1 碱浸脱灰试验  85-91
    5.1.2 两段浸出脱灰试验  91-95
    5.1.3 酸浸脱灰试验  95-99
    5.1.4 探索试验小结  99
  5.2 影响因素条件研究  99-116
    5.2.1 焦粉碱浸影响因素研究  99-112
    5.2.2 焦粉酸浸影响因素研究  112-116
  5.3 焦粉脱灰动力学研究  116-127
    5.3.1 动力学研究介绍  117-120
    5.3.2 湿法浸出过程动力学研究原理与方法  120-122
    5.3.3 动力学研究结果及讨论  122-126
    5.3.4 小结  126-127
  5.4 本章小结  127-128
第六章脱灰扩大试验和工业应用分析  128-143
  6.1 焦粉脱灰扩大试验  128-132
    6.1.1 公斤级扩大试验  128-130
    6.1.2 工艺适用性试验  130-131
    6.1.3 碱浸液循环试验  131-132
  6.2 脱灰焦粉性能研究  132-139
    6.2.1 脱灰焦粉化学成分研究  132-133
    6.2.2 脱灰焦粉的物理性质研究  133-136
    6.2.3 脱灰焦粉还原硅石试验  136-138
    6.2.4 脱灰焦粉的工业应用分析  138-139
  6.3 生产成本估算  139-141
  6.4 环境评价  141-142
    6.4.1 主要环境保护目标  141
    6.4.2 使用执行环境标准  141
    6.4.3 废水  141-142
    6.4.4 废渣  142
    6.4.5 噪声  142
  6.5 本章小结  142-143
第七章结论及展望  143-146
  7.1 结论  143-144
  7.2 本论文创新点  144-145
  7.3 展望  145
  7.4 本论文有待进一步深入研究的问题  145-146
致谢  146-147
参考文献  147-154
附录  154

综合利用高灰分废弃焦粉制备碳质还原剂的研究

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