煤矸石煅燒活化提取氧化鋁技術研究

賈敏，楊磊

( 神華準能資源綜合開發有限公司，內蒙古 鄂爾多斯 010300)

煤矸石是煤礦開采過程中排放的固體廢棄物，我國目前堆積的煤矸石約40億t。這些煤矸石大量堆積不僅占用土地資源、污染環境，而且造成地下水的污染以及煤矸石山體滑坡坍塌發生地質災害，嚴重威脅人類的生存環境。若實現該部分資源的綜合利用，不僅對該地區經濟的可持續發展具有重要意義，而且對于我國高嶺土資源綜合利用工業化，也具有極其重要的意義。

內蒙古鄂爾多斯市準格爾露天煤礦是我國北方的重點產煤區。長期以來，在煤碳開采過程中都將煤矸石拋棄，造成資源的嚴重浪費。該地區的煤矸石屬優質高嶺巖，極具開發利用價值。煤矸石經分析檢測，其主要為高嶺石和勃姆石，含少量石英。主要化學成分為Al2O3、SiO2、Fe2O3、TiO2、CaO、MgO、P2O5、K2O和Na2O等，其中 Al2O3含量可達40%以上。我國鋁土礦資源短缺和對氧化鋁需求量的增大之間的矛盾日益加劇，而煤矸石中含有大量的氧化鋁資源，因此，本文開展對煤矸石提取氧化鋁的研究具有重要的理論意義，對推進社會可持續發展具有重要現實意義。

1 試驗部分

1.1 原料及分析

煤矸石來自內蒙古準格爾露天煤礦。試驗首先對原料進行初步的破碎和球磨，然后進行化學分析和 XRD 物相分析。化學分析結果見表 1 ，XRD物相分析見圖1。

表1 煤矸石化學成分/%Table 1 Chemical composition of coal gangue

從原樣的化學分析和物相分析結果可以看出，其化學成分主要是 SiO2和 Al2O3，鋁硅比較高，鐵、鈦等雜質含量低。原樣的礦物成分基本上是以高嶺石為主，還含有礦物石英、一水鋁石等，樣品中的鋁硅摩爾比接近高嶺石的理論值，可視為高嶺石的單礦巖。

圖1 煤矸石XRD圖譜Fig. 1 Coal gangue XRD

1.2 試驗設備及儀器

表2 試驗設備及儀器Table 2 Test equipment and instruments

1.3 試驗方法

1.3.1 煅燒活化

煤矸石可以通過多種方法活化[1]，試驗采用煅燒熱激活法。 通過逐級破碎、研磨再粉磨，使煤矸石粒度達到大于 75 μm 粒子質量分數小于10%，見圖2。

圖2 煤矸石粒徑分布Fig .2 Coal gangue particle size distribution

粉磨之后的煤矸石測粒度，90%以上的粒徑都小于75 μm。采用 8 個溫度點（500～850 ℃間隔50 ℃）煅燒、7個時間點（20 ～ 150 min )保溫活化，然后自然冷卻。

1.3.2 溶出試驗

溶出條件采用“一步酸溶法”工藝中的溶出條件，條件為酸灰比0.88：1，反應溫度160℃，反應時間2 h[2]。煤矸石中氧化鋁溶出率計算公式如下：

1.3.3 制備氧化鋁試驗

煤矸石活化后，采用上述溶出條件溶出，之后采用神華準能集團自主研發出的“一步酸溶法”工藝流程[3]制備氧化鋁。流程如下：

圖3 煤矸石制備氧化鋁工藝流程Fig. 3 Coal gangue preparation alumina process

2 結果與討論

2.1 不同活化溫度對煤矸石中氧化鋁溶出率的影響

煅燒溫度和時間是影響活化效果最直接的因素。魏博[4]對比煅燒前后的煤矸石成分發現，煤矸石在 600～900℃的溫度下煅燒 2 h，礦物晶體結構會發生改變，原有高嶺土轉化為非晶態偏高嶺土，而在 800℃煅燒 4 h 后，其活化效果最好，活性硅鋁的溶出率可達到最大值。較優的煅燒溫度與時間是由煤矸石的種類直接決定的，王凱功等[5]認為煤矸石如果以高嶺石為主要礦物，則最合理的活化溫度為700 ～ 900℃，活化溫度過高，會產生莫來石相，使活性降低。

選取活化溫度在500 ～ 850℃范圍內每隔50℃對煤矸石進行活化，活化2 h，之后對活化后的煤矸石進行溶出試驗，活化后的煤矸石和酸溶后溶出渣化學成分見表3，化學成分采用X-熒光光譜分析儀測試。

表3 不同活化溫度煤矸石和溶出渣化學成分/%Table 3 Chemical composition of coal gangue and dissolution slag at different activation temperature

分別將500 ℃、550℃、600℃、650℃、700℃、750℃、800℃、850℃活化后的煤矸石為原料，固定鹽酸/煤矸石質量比0.88：1，反應溫度160℃，酸溶時間2 h，在均相反應器中反應，反應結束后測定渣中氧化鋁和氧化硅含量并根據上述溶出率計算公式得出鋁的溶出率，結果見表4和圖4。

表4 不同活化溫度煤矸石中氧化鋁溶出率Table 4 Alumina dissolution rate in coal gangue with different activation temperature

圖4 不同活化溫度煤矸石中氧化鋁溶出率對比Fig .4 Alumina dissolution rate in coal gangue with different activation temperature

從表4和圖4可以看出，未活化煤矸石溶出率為86.04%，與采用同一條件溶出下的粉煤灰溶出率相當；隨著活化溫度的升高，煤矸石溶出率整體呈增大趨勢，但增加幅度比較平緩。

圖5 未活化和活化煤矸石XRDFig. 5 Unactivated and activated coal gangue XRD

從圖5可以看出，在850℃煅燒活化后的煤矸石中主要物相變成了非晶態，說明煅燒活化使煤矸石中高嶺石變成了非晶態偏高嶺石，偏高嶺石活性較高，致使其中的鋁易溶解出來，溶出率增大。在600～850℃煅燒之后溶出率趨于穩定，溶出率都在95%左右；溫度繼續升高至900℃時，溶出率下降。

圖6 900℃活化時煤矸石XRDFig .6 XRD of coal gangue at 900 °C activation

從圖6中可以看出，溫度升高至900℃時，活化后的煤矸石有部分莫來石相生成，使活性降低，氧化鋁溶出率降低。從節能角度考慮，將600℃選取為較優活化溫度。

2.2 不同活化時間對煤矸石中氧化鋁溶出率的影響

在較佳活化溫度600℃下，考察了不同活化時間對煤矸石中氧化鋁溶出率的影響。活化時間分別為20、30、40、60、90、120、150 min，活化后的煤矸石進行溶出試驗，溶出條件與上述一致。不同活化時間煤矸石溶出渣化學成分見表5。酸溶法”工藝生產氧化鋁[7]，緩解鋁土礦資源相對短缺問題。

表5 不同活化時間煤矸石溶出渣化學成分/%Table 5 Chemical composition of coal gangue dissolution slag at different activation time

表6 不同活化時間氧化鋁溶出率Table 6 Alumina dissolution rate at different activation time

2.3 煤矸石酸溶制備氧化鋁

從表6和圖7可以看出，隨著活化時間延長，氧化鋁溶出率整體呈增大趨勢，但增大不明顯，從經濟性角度考慮，選擇較優活化時間為20 min。因此，煤矸石的較優活化溫度為600℃，較優活化時間為20 min，在此條件下，煤矸石溶出率就可以達到94.09%，遠遠優于粉煤灰中氧化鋁溶出率(85%)[6]，說明準格爾礦區煤矸石可以采用“一步

煤矸石在上述較佳條件下，溫度600℃，時間20 min活化后，在均相反應器中加入鹽酸/煤矸石質量比0.88：1，反應溫度160℃，反應時間2 h，之后經過樹脂除鐵、除鈣、蒸發結晶、煅燒得到冶金級一級品氧化鋁，Fe2O3含量為0.007%（小于國標要求0.02%）、SiO2含量為0.014%（小于國標要求0.02%）、LOI含量為0.64%（小于國標要求1%），氧化鋁含量為99.07%（大于國標要求98.6%），所以煤矸石活化后采用“一步酸溶法”工藝可以生產出冶金級氧化鋁，生產氧化鋁化學成分見表7。

表7 氧化鋁成分分析/%Table 7 Alumina composition analysis

3 結 論

準格爾礦區煤矸石經過活化后，采用“一步酸溶法”工藝可以成功生產出冶金級氧化鋁，并且在同樣溶出條件下，煤矸石活化后的活性高于粉煤灰，氧化鋁溶出率可達到94%左右，高于粉煤灰中氧化鋁溶出率。這樣，不僅可以利用煤矸石生產氧化鋁，解決鋁土礦資源短缺問題，還可以消除煤矸石存儲、排放對環境的影響，解決了煤矸石帶來的環境問題。