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高铁低铝煤矸石综合利用的基础研究

作　者: 师垒垒
导　师: 夏举佩
学　校: 昆明理工大学
专　业: 化学工程
关键词: 煤矸石氧化铝氧化铁红酸浸
分类号: TD849.5
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

煤矸石是在煤炭生产和加工过程中产生的一种固体废弃物,同时也是现阶段我国排放量最大的工业废弃物之一。煤矸石的大量堆存不仅占用土地,也对周边环境造成污染,同时在一定程度上造成了资源的浪费。因此,煤矸石资源化综合利用问题将成为我国可持续发展中必须解决的重大资源和环境问题。目前,煤矸石在发电、生产建筑材料和充填造田等方面己取得广泛应用,但普遍存在技术含量不高、附加值低、经济效益不明显等问题,有时还存在严重的二次污染。煤矸石中含有丰富的铝铁硅等资源,对煤矸石中有价元素的提取,将是煤矸石综合利用的热点。本文以贵州盘县某矿区的煤矸石为研究对象,采用机械活化的方法激发其活性,与一定浓度的硫酸在加热的情况下进行铝铁矿物的浸出,再用煤矸石调节酸浸液的pH值到1.5左右制备了酸浸中和液,并用水解沉淀法对酸浸中和液中的铝铁进行了分离,制备出了氧化铝和氧化铁红产品。研究表明：(1)机械活化增大了煤矸石的比表面积,使其颗粒表面自由能增加,破坏了煤矸石中矿物的有序结构,使其反应活性提高,为煤矸石中有价元素的溶出创造了条件。(2)研究了机械粉磨后的煤矸石是否经过热活化处理,确定了煤矸石酸浸时不需经热活化处理就使其中的有价元素达到较高的溶出率。(3)通过单因素和正交试验考察了酸浓度、反应时间、温度和液固比等因素对煤矸石中有价元素浸出率的影响,确定了煤矸石浸出铝铁的最优工艺条件为酸浓度65%,反应时间4h,温度125℃,液固比3：1,在此条件下,煤矸石中氧化铝和氧化铁的浸出率分别为89.15%,94.24%。(4)验证了煤矸石中氧化铝酸浸动力学的模型,在硫酸浓度为65%、液固比3：1、反应温度在35℃-95℃的条件下,硫酸浸取煤矸石中氧化铝的化学反应符合粒径缩小收缩芯模型,该化学反应的动力学方程为1—(1—ω)2/3=kt,反应活化能Ea=42.78kj/mol。(5)通过实验得到了酸浸液制备酸浸中和液的工艺条件：煤矸石用量为反应液质量的35%,反应温度80℃,反应时间2h。(6)用水解沉淀法对酸浸中和液中的铝铁进行了分离,分离铝后制得的粗制氢氧化铝用氢氧化钠溶液溶解后,进行碳化,得到了纯度高的氢氧化铝,经高温煅烧后得到了氧化铝产品,经化学组成分析知,其含量达到了GB/T24487-2009中二级品的要求；由其XRD图可知,1000℃下煅烧得到的氧化铝主要特征峰与γ-A12O3相符。(7)脱铝后的酸浸中和液在常温、搅拌并通入空气氧化的条件下制得了氧化铁的过度产物Fe(OH)3,该产物在850℃下煅烧半个小时制得了氧化铁红产品,对其进行化学组成及性能分析知,氧化铁红产品的各项性能指标均达到了GB1863-89中一级品的要求。由其XRD图可知,其衍射峰位置和强度与标准图谱相吻合,没有出现其它杂质峰,说明制得的氧化铁纯度较高。(8)技术经济分析表明,以煤矸石为原料,采用硫酸浸取的方式制备氧化铝和氧化铁有着巨大的发展潜力。且具有良好的经济效益和社会效益,为煤矸石资源化综合利用提供了一个广阔的平台。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-8
目录  8-11
第一章绪论  11-21
  1.1 煤矸石简介  11-15
    1.1.1 煤矸石的产生  11
    1.1.2 煤矸石的分类  11-12
    1.1.3 煤矸石的物理化学性质  12-13
    1.1.4 煤矸石对环境的影响  13-15
  1.2 煤矸石资源化利用现状  15-19
    1.2.1 国外煤矸石资源化利用现状  15-16
    1.2.2 国内煤矸石资源化利用现状  16-19
  1.3 煤矸石综合利用过程中存在的问题  19
  1.4 本论文立项依据及研究意义  19-21
第二章实验原理、内容及方法  21-33
  2.1 实验原理  21-24
    2.1.1 煤矸石的活化  21-22
    2.1.2 煤矸石机械活化机理  22
    2.1.3 煤矸石提取有价元素机理  22-23
    2.1.4 酸浸液铝铁分离原理  23-24
    2.1.5 氢氧化铝煅烧生成氧化铝原理  24
    2.1.6 水合氧化铁煅烧生成氧化铁红原理  24
  2.2 实验原料  24-28
    2.2.1 实验主要原料  24-26
    2.2.2 化学试剂  26-27
    2.2.3 实验主要仪器设备  27-28
  2.3 测试方法  28-29
    2.3.1 酸浸液中氧化铝含量的测定  28
    2.3.2 三氧化二铁的测定  28
    2.3.3 二氧化硅的测定  28
    2.3.4 氧化铝成品的测定  28-29
    2.3.5 氧化铁红的测定  29
  2.4 实验内容和方法  29-30
    2.4.1 实验内容  29
    2.4.2 实验方法  29-30
  2.5 实验路线  30-33
第三章煤矸石中有价元素溶出率的研究  33-47
  3.1 煤矸石的活化  33-35
    3.1.1 煤矸石的机械活化  33
    3.1.2 煤矸石是否经热处理的探讨  33-35
  3.2 煤矸石中有价元素的酸浸反应实验  35-40
    3.2.1 酸浸反应单因素的研究  35-37
    3.2.2 酸浸反应的工艺条件优化  37-40
    3.2.3 验证实验  40
  3.3 酸浸反应过滤洗涤方式的研究  40-41
  3.4 煤矸石中氧化铝的酸浸动力学研究  41-45
    3.4.1 反应模型的选择  41-42
    3.4.2 动力学模型的验证  42-45
  3.5 本章小结  45-47
第四章酸浸中和液的铝铁分离及产品分析  47-61
  4.1 酸浸中和液的制备  47-50
    4.1.1 调节pH值制酸浸中和液的主要影响因素  47-49
    4.1.2 在优化条件下制备酸浸中和液的实验研究  49-50
  4.2 沉淀分离净化机理  50-52
  4.3 酸浸中和液铝铁分离的研究  52-57
    4.3.1 酸浸中和液中铝的分离  52-54
    4.3.2 水解沉淀酸浸中和液中铝的验证实验  54-55
    4.3.3 氧化铝的制备  55-56
    4.3.4 脱铝后溶液制备铁红的研究  56-57
  4.4 氧化铝及氧化铁红产品  57-58
    4.4.1 产品氧化铝的化学分析  57
    4.4.2 氧化铝产品的XRD图  57-58
    4.4.3 氧化铁红产品的化学分析  58
    4.4.4 氧化铁红产品的XRD图  58
  4.5 本章小结  58-61
第五章技术经济分析  61-73
  5.1 煤矸石提取有价元素生产化工产品的发展潜力  61
  5.2 氧化铝及氧化铁红的应用前景分析  61-63
    5.2.1 氧化铝的应用前景  61-62
    5.2.2 氧化铁红的应用前景  62-63
  5.3 经济分析  63-71
    5.3.1 生产纲领  63
    5.3.2 配套条件  63
    5.3.3 主要投资  63-64
    5.3.4 成本估算  64-66
    5.3.5 盈亏平衡分析  66-67
    5.3.6 经济效益分析  67
    5.3.7 敏感性分析  67-70
    5.3.8 投资回收期分析  70-71
  5.4 产品市场预测  71-72
    5.4.1 氧化铝市场预测  71
    5.4.2 氧化铁红市场预测  71-72
  5.5 小结  72-73
第六章结论与建议  73-75
  6.1 结论  73-74
  6.2 建议  74-75
致谢  75-77
参考文献  77-81
附录  81-83

高铁低铝煤矸石综合利用的基础研究

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