煤矸石制取聚合氯化铝原理及工艺

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刘圣勇

提要　介绍了固体废物煤矸石制取混凝剂聚合氯化铝的基本原理及工艺流程, 通过技术与经济分析, 确立了煤矸石开发利用的新领域.

关键词　固体废弃物　煤矸石　聚合氯化铝

1　引言

煤矸石是煤炭开采与加工利用过程中所伴生的一种煤中夹石, 含碳量低、灰分高, 发热量一般在10450kJ/k g以下; 主要成份是高岭石、蒙脱石、伊利石、石英、长石等矿物质, 主要化学成份是SiO 2 为50～ 60%、A l2O 3 为15～35%、Fe2O 3 为3～ 5%、CaO 1～ 3%、M gO 1～2%.

目前, 我国煤矸石的利用率很低, 仅在20% 以下. 随着能源供需矛盾的加剧和对环境保护的要求日益严格, 对煤矸石的综合开发利用具有重大的经济效益和社会效益. 正是基于此目的, 本文重点介绍煤矸石制取混凝剂聚合氯化铝的方法和原理以及采用的加工工艺.

2　聚合氯化铝的作用及特点

聚合氯化铝是一种优质的高分子混凝剂,具有优良凝结性能, 广泛应用于造纸、制革、源水及废水处理等许多领域. 其主要特点有: (1) 聚合氯化铝的混凝效果优于目前常用的无机混凝剂A l2 (SO 4) 3、FeSO 4、FeCl3 等, 当混凝效果相同时, 固体聚合氯化铝的投药量分别是上述三种混凝剂的1/8～ 1/3、1/2～ 1/5 、1/2～1/4. 5.

 (2) 聚合氯化铝絮凝体形成快、絮凝团大、沉降速度高、过滤效果好, 在同等条件下可提高处理能力1. 5～ 3 倍.

(3) 当投药量相同时, 聚合氯化铝混凝时消耗水中碱度低于其它无机混凝剂; 因此, 在水处理时, 特别是在处理高浊度水时, 可不加或少加碱性助剂.

(4) 聚合氯化铝的适宜投药量范围宽, 残留浊度及残余铝的上升为A l2 (SO 4) 3 的1/3. 5～1/4, 因而对于源水水质急剧变化的安全性大, 投加过量也不会产生相反效果.

(5) 聚合氯化铝的最优混凝效果的适宜pH值范围大, 腐蚀性小.

3　煤矸石生产聚合氯化铝的原理及工

艺

　　制取聚合氯化铝的方法很多, 大至可分为:热解法、酸溶法、电解法、电渗法等. 本文所介绍的用煤矸石制取聚合氯化铝的方法就是其中的酸溶法, 整个原理及工艺流程可分为粉碎、焙烧、连续酸溶、浓缩结晶、沸腾分解、配水聚合五道工序. 其原理及工艺流程如图1 所示.

3. 1　粉碎焙烧

粗碎后的煤矸石在焙烧过程中, 随着温度的升高, 高岭石成为非晶质或半晶质, 进一步升温使高岭石逐渐转化为r- A l2O 3 和SiO 2, 其化学反应式如下:

在这一过程中温度不能过高, 当温度超过850℃时, r- A l2O 3 逐渐转化为A- A l2O 3 使反应失去活性, 煤矸石中A l2O 3 一般最高溶出率的焙烧温度控制范围为600～ 800℃.

3. 2　连续酸溶

焙烧后的煤矸石应细粉至60 目左右, 以便使氧化铝溶出率较高且最经济. 然后连续酸溶.其工艺条件是:

(1) 选用在恒沸点附近浓度为20% 盐酸溶液较佳, 这时氧化铝的溶出率较高, 但制备结晶A lCl3 中间产物的成化度较高. 为降低结晶A lCl3 中间产物的成化度, 允许盐酸的浓度可适当增加, 当盐酸浓度增加到0. 8M 以上时, 结晶A lCl3 中间产物的成化度下降很快, 但氧化铝溶出率增长幅度并不大。

(2) 酸溶设备采用四釜, 用蒸汽直接加热,在常压温度为100～ 110℃的条件下连续酸溶并压风搅拌.

(3) 溶出液采用混凝沉淀法进行分离. 从反应釜连续流出的溶出液进入沉淀池, 待沉淀池充满后加混凝剂聚丙烯酰胺或动物胶进行混合, 静止4h, 清液转入存贮池, 沉渣即可排出.

3. 3　浓缩结晶

从连续酸溶工序中得来的酸溶母液进入搪瓷釜内呈负压状态, 然后用蒸汽加热以实现浓缩. 当蒸出液为母液体积的45～ 50% 时, 即停止加热浓缩, 浓缩周期为10h. 然后出料经滞留槽冷却过滤后可得结晶A lCl3. 蒸发出的水蒸汽和部分盐酸气经文丘里吸收, 可循环使用.

3. 4　沸腾热解

浓缩结晶的A lCl3 用热网加热到170～180℃条件下进行热分解, 使产品碱化度控制在70～ 75%. 热分解的HCl 气体在吸收塔内循环吸收, 用以配制稀盐酸, 可在连续酸溶工序中重复利用. 每分解1t 结晶A lCl3 可得300kgHCl 气体, 有明显的经济效益.

3. 5　配水聚合

从沸腾热解工序中得到的A lCl3, 加水溶解混合并加以搅拌, 产品由稀变稠, 到一定浓度, 从容器中倒出, 经风干龟裂后即得固体聚合氯化铝混凝剂.

4　煤矸石生产聚合氯化铝效益分析

(1) 生产1t 聚合氯化铝产品成本为741. 45元、税金为135 元, 市场每t 产品售价1350 元,每t 产品纯利润473. 55 元, 一个年产20 万t 聚合氯化铝的工厂, 一年纯利润可达9471 万元,半年之内可收回全部投资, 经济效益可观.

(2) 用煤矸石为原料制取聚合氯化铝, 不但充分利用了工业废物、节约大量的土地与能源而且减少了环境污染, 具有重大的社会环境效益.

5　结语

(1) 煤矸石中A l2O 3 的含量在15% 以上,有的可达40% , 提取其中的铝分在数量上是有保障的. 从原理及工艺可看出, 从煤矸石中制取聚合氯化铝, 技术上是成熟的, 经济上是合理的;

(2) 在煤矸石中Fe2O 3 含量在3～ 5% , 在酸溶时可把铁同时溶出, 使聚合氯化铝中的含铁量增加, 这在一定程度上, 可能对混凝效果会更好;

(3) 在煤矸石中碳含量一般在10～ 30% ,发热量为3273～ 9819kJök g, 在沸腾焙烧过程中不需增加任何燃料就能满足工艺要求, 可节省大量的煤炭;

(4) 煤矸石焙烧后的矸石颗粒有微孔, 不需用球磨机细粉即可酸溶, 可节约大量电力, 且溶出率高, 可达80% 以上;

(5) 煤矸石酸溶后, 渣中成分为SiO 2, 不但可作为水泥添料, 而且还可制取水玻璃、白炭黑等产品.该项技术有较大的经济效益与重大的社会环境效益, 值得推广应用.