生产氧化铝的方法

技术领域

本发明涉及固废资源化利用领域。具体地，本发明涉及高铝粉煤灰提取氧化铝的方法，特别是粉煤灰酸法结晶氯化铝两段煅烧生产氧化铝的方法。

背景技术

我国西北大型煤电基地拥有丰富的高铝、富镓煤炭资源。以内蒙古准格尔煤田为例，其已探明的储量为267亿吨，该煤田所产煤炭燃烧后产生的每吨粉煤灰中包含氧化铝约0.5吨、镓约85克，因此，该煤田的氧化铝和镓的储量均非常大。氧化铝和镓均为国民经济重要资源，价值远超煤炭本身，如不能有效利用，会造成极大的资源浪费和环境压力。

传统的从粉煤灰提取氧化铝的常规技术存在能耗高、渣量大、伴生有价元素难以协同提取等问题。具体来说，粉煤灰中除含有氧化铝外，还含有钾、钠、铁、钙和镁等杂质。盐酸溶出过程中，这些杂质也会进入料浆中，最终影响氧化铝品质。现有工业化装置采用树脂除铁、除钙，其他杂质采用淋洗结晶氯化铝去除。除铁树脂及系统较成熟，且投资低，但是除钙树脂为专有技术，价格较高，导致投资成本过高。此外，采用盐酸淋洗去除钾钠等杂质，导致部分结晶氯化铝溶解，从而降低系统产能。

因此，如何实现伴生有价元素协同提取、提高氧化铝品质、降低生产成本并降低对环境的污染成为粉煤灰再利用生产氧化铝中的关键问题。

发明内容

因此，本发明的主要目的在于提供一种生产氧化铝的方法，其既提高了氧化铝的品质，又实现了对氧化铝生产中的中间产物进行了回收利用，极大的降低了投资成本并降低了对环境的污染，具有良好的社会效益和经济效益。

为了实现上述目的，根据本发明的第一方面，本发明提供了一种制备氧化铝的方法，其包括以下步骤：

(1)将由粉煤灰酸法生产的结晶氯化铝在250～450℃的温度下煅烧1-2小时获得无定型氧化铝和氯化氢；

(2)将所述无定型氧化铝和水以1:2～1:8的重量比混合，加温至80～100℃进行反应，过滤，得到第一粗氧化铝；

(3)将所述第一粗氧化铝和水以1:2～1:8的重量比混合，加温至160～200℃进行反应，过滤，得到第二粗氧化铝；和

(4)将所述第二粗氧化铝在900～1100℃的温度下焙烧。

进一步地，步骤(1)中的所述煅烧的温度为300～400℃，优选350℃，煅烧的时间为1-2小时，优选1小时、1.5小时或2小时。

进一步地，步骤(2)中的所述无定型氧化铝和水以1:3.5～1:7的重量比混合；步骤(2)中的所述无定型氧化铝和水被加温至90℃；步骤(2)中的所述无定型氧化铝和水的反应进行0.75～2.5小时，步骤(2)中的所述过滤为平盘过滤。

进一步地，步骤(2)中的所述无定型氧化铝和水以1:3.5、以1:5或以1:7的重量比混合；步骤(2)中的所述无定型氧化铝和水的反应进行1小时或2小时。

进一步地，步骤(3)中的所述第一粗氧化铝和水以1:3.5～1:7的重量比混合；步骤(3)中的所述第一粗氧化铝和水优选被加温至180℃；步骤(3)中的所述第一粗氧化铝和水的反应使进行0.75～2.5小时。

进一步地，步骤(3)中的所述第一粗氧化铝和水以1:3.5、以1:5或以1:7的重量比混合；步骤(3)中的所述第一粗氧化铝和水的反应进行1小时或2小时。

进一步地，步骤(4)中的焙烧温度为950℃或1050℃。

进一步地，步骤(4)中的焙烧时间为1.5～2.5小时，优选2小时。

进一步地，将步骤(1)中产生的所述氯化氢回收。

进一步地，将步骤(4)中产生的烟气用于步骤(1)、步骤(2)和/或步骤(3)中反应物的加温。

应用本发明的技术方案提供了一种生产氧化铝的方法，其既提高了氧化铝的品质，又实现了高温、高浓度盐酸、高固含复杂体系下防腐耐磨工业化设备开发。此外，本发明的方法对氧化铝生产中的中间产物进行了回收利用，极大的降低了投资成本并降低了对环境的污染，具有良好的社会效益和经济效益。

具体实施方式

呈现以下描述以使本领域普通技术人员能够获得和使用各种实施方式。特定装置、技术和应用程序的描述仅作为实例提供。对本文描述的实例的各种修改对于本领域普通技术人员将是显而易见的，并且在不脱离各种实施方式的范围的情况下，本文中定义的一般原理可以应用于其他实例和应用。因此，各种实施方式不旨在限于本文描述和示出的实例，而是与符合权利要求的范围相一致。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合实施例来详细说明本发明。

如背景技术部分所描述的，传统的从粉煤灰提取氧化铝的常规技术存在能耗高、渣量大、伴生有价元素难以协同提取等问题。此外，传统的方法成本较高，而系统产能较低，并且存在对环境污染较大的问题。

由于上述问题，因此需要对传统的从粉煤灰提取氧化铝的方法进行改造，以提高氧化铝的品质、回收有价伴生元素，同时也克服了传统的方法成本高、产能低和对环境存在污染的问题。

为了达到上述目的，在一种典型的实施方式中，制备氧化铝的方法包括以下步骤：

(1)将由粉煤灰酸法生产的结晶氯化铝在250～450℃的温度下煅烧获得无定型氧化铝和氯化氢；

(2)将所述无定型氧化铝和水以1:2～1:8的重量比混合，加温至80～100℃进行反应，过滤，得到第一粗氧化铝；

(3)将所述第一粗氧化铝和水以1:2～1:8的重量比混合，加温至160～200℃进行反应，过滤，得到第二粗氧化铝；和

(4)将所述第二粗氧化铝在900～1100℃的温度下焙烧。

在一个实施方式中，首先进行煅烧处理，即将由粉煤灰酸法生产的结晶氯化铝在250～450℃的温度下煅烧获得无定型氧化铝、氯化氢和一定量的水蒸气。结晶氯化铝的煅烧处理用于脱氯。若煅烧温度低于250℃，则产品中结晶氯化铝含量偏大，水溶时产品损失较高。若煅烧温度高于450℃，则产品中α相产物增多，水热反应的效率随之下降。在250～450℃的温度下煅烧，既可以保证结晶氯化铝的充分分解，防止后续水热反应操作造成产品大量损失，又可以保证获得产品活性较强，可以用于水热反应。与传统方法的高温焙烧相比，由于此煅烧温度较低，对设备的腐蚀性更小，并且传统方法的高温焙烧获得的产品以α相为主，无法进行水热反应。在此，粉煤灰酸法生产的结晶氯化铝的方法没有特别限制，只要能获得结晶氯化铝即可。

随后，进行第一段水热除杂处理，即将所述无定型氧化铝和水以1:2～1:8的重量比混合，加温至80～100℃进行反应，过滤，得到第一粗氧化铝。在此，反应指两部分：一部分是加热溶解部分可溶性物质(大部分钾钠和少部分钙镁)，一部分是开始初步的化学反应。在此重量比和温度下进行第一段水热除杂处理可以保证杂质的大部分溶解。

此后，进行第二段水热除杂处理，即将所述第一粗氧化铝和水以1:2～1:8的重量比混合，加温至160～200℃进行反应，过滤，得到第二粗氧化铝。在此，反应主要是生产新物质的化学反应。在此重量比和温度下进行第二段水热除杂处理可以促进第一段残留杂质的进一步溶解并获得适合后续操作的氧化铝产物。

之后，进行焙烧处理，即将所述第二粗氧化铝在900～1100℃的温度下焙烧。在这样的温度下进行焙烧，可以充分除去残留杂质，获得冶金级氧化铝产品。

通过水热除杂处理除去碱金属杂质，不但避免了盐酸淋洗造成部分结晶氯化铝溶解的问题从而提高了系统产能，还避免了盐酸的应用从而降低了生产成本并对环境更加友好。此外，本发明的水热除杂采用先在较低温度下处理，随后再升高至较高温度的“两段式”处理方式，实现了如下技术效果：(1)在低温段处理时去除大部分杂质(如钾钠)，从而极大降低能耗；(2)在通过低温段去除大部分杂质后，可以将剩余杂质的影响最大程度降低，从而可以在高温段充分去除，进一步提高了杂质的溶出效果。

在一个优选的实施方式中，煅烧的温度为300～400℃。在一个特别优选的实施方式中，煅烧的温度为350℃。在一个优选的实施方式中，煅烧的时间为1-2小时。在一个特别优选的实施方式中，煅烧的时间为1小时、1.5小时或2小时。在此煅烧温度和煅烧时间下进行处理，可以保证结晶氯化铝的充分分解而不会增加设备的腐蚀。

在一个优选的实施方式中，在第一段水热除杂处理中，无定型氧化铝和水以1:3.5～1:7的重量比混合。在一个优选的实施方式中，无定型氧化铝和水被加温至90℃。在一个优选的实施方式中，无定型氧化铝和水的反应进行0.75～2.5小时。在一个优选的实施方式中，过滤为平盘过滤。在上述重量比、温度和反应时间下进行操作，可以保证杂质的大部分溶解。平盘过滤不需要淋洗等其他操作，不但避免了盐酸淋洗造成部分结晶氯化铝溶解的问题，提高了系统产能，还避免了盐酸的应用，从而降低了生产成本并对环境更加友好。

在一个优选的实施方式中，在第一段水热除杂处理中，无定型氧化铝和水以1:3.5、以1:5或以1:7的重量比混合；在一个优选的实施方式中，在第一段水热除杂处理中，无定型氧化铝和水的反应进行1小时或2小时。上述重量比和反应时间对残杂质的溶解是特别有利的。

在一个优选的实施方式中，在第二段水热除杂处理中，第一粗氧化铝和水以1:3.5～1:7的重量比混合。在一个优选的实施方式中，所述第一粗氧化铝和水优选被加温至180℃。在一个优选的实施方式中，所述第一粗氧化铝和水的反应进行0.75～2.5。在上述重量比、温度和反应时间下进行操作，可以促进第一段处理后残留的杂质的进一步溶解，提高产品的纯度。

在一个优选的实施方式中，在第二段水热除杂处理中，第一粗氧化铝和水1:3.5、以1:5或以1:7的重量比混合。在一个优选的实施方式中，第一粗氧化铝和水的反应进行1小时或2小时。上述重量比和反应时间对残留的杂质的进一步溶解是特别有利的。

在一个优选的实施方式中，焙烧温度优选950℃或1050℃。在一个优选的实施方式中，焙烧时间为1.5～2.5小时。在一个特别优选的实施方式中，焙烧时间为2小时。在上述温度和时间下进行操作，可以保证残留杂质的充分燃烧去除。

在一个优选的实施方式中，将所获得的氯化氢进行回收，从而减少对环境的污染。

在一个优选的实施方式中，将焙烧中产生的高温空气用于煅烧、第一段水热除杂和/或第二段水热除杂中反应物的加温。由于本发明的方法中焙烧只产生高温空气，因此，将产生的高温空气用于前述煅烧和水热除杂处理的热源，由此降低了能量消耗，从而减少对环境的污染。

以下结合具体实施例对本发明作进一步详细描述，这些实施例不能理解为限制本发明所要求保护的范围。

实施例1：

按照如下操作进行本实施例：

(1)结晶氯化铝的煅烧温度为350℃；煅烧后的烟气进行回收利用。

(2)将步骤(1)获得的无定型氧化铝与水以1:5的重量比混合，加温至90℃，使反应进行1h，过滤，得到第一粗氧化铝；

(3)将步骤(2)获得的第一粗氧化铝与水以1:5的重量比混合，加温至180℃，使反应进行1h，过滤，得到第二粗氧化铝；

(4)将第二粗氧化铝在950℃焙烧2h得到氧化铝。

经检测，氧化铝纯度为99.9％。

如下表1列出主要杂质含量(wt.％)：

表1主要杂质含量(wt.％)

实施例2：

按照如下操作进行本实施例：

(1)结晶氯化铝的煅烧温度为350℃；煅烧后的烟气进行回收利用。

(2)将步骤(1)获得的无定型氧化铝与水以1:3.5的重量比混合，加温至90℃，使反应进行2h，过滤，得到第一粗氧化铝；

(3)将步骤(2)获得的第一粗氧化铝与水以1:3.5的重量比混合，加温至180℃，使反应进行2h，过滤，得到第二粗氧化铝；

(4)将第二粗氧化铝在1050℃焙烧2h得到氧化铝。

经检测，氧化铝纯度为99.6％。

如下表2列出主要杂质含量(wt.％)：

表2主要杂质含量(wt.％)

实施例3：

按照如下操作进行本实施例：

(1)结晶氯化铝的煅烧温度为350℃；煅烧后的烟气进行回收利用。

(2)将步骤(1)获得的无定型氧化铝与水以1:7的重量比混合，加温至90℃，使反应进行1h，过滤，得到第一粗氧化铝；

(3)将步骤(2)获得的第一粗氧化铝与水以1:7的重量比混合，加温至180℃，使反应进行2h，过滤，得到第二粗氧化铝；

(4)将第二粗氧化铝在1050℃焙烧2h得到氧化铝。

经检测，氧化铝纯度为99.7％。

如下表3列出主要杂质含量(wt.％)：

表3主要杂质含量(wt.％)

实施例4(比较例)：

按照如下操作进行本实施例：

(1)结晶氯化铝的煅烧温度为200℃；煅烧后的烟气进行回收利用。

(2)将步骤(1)获得的无定型氧化铝与水以1:5的重量比混合，加温至90℃，使反应进行1h，过滤，得到第一粗氧化铝；

(3)将步骤(2)获得的第一粗氧化铝与水以1:5的重量比混合，加温至180℃，使反应进行1h，过滤，得到第二粗氧化铝；

(4)将第二粗氧化铝在950℃焙烧2h得到氧化铝。

经检测，第(2)步操作中产品损失过大，后续操作无法进行。

本实施例表明，在200℃下煅烧导致结晶氯化铝反应不充分，其结果是大量反应物溶入水中形成氯化铝溶液，使得后续操作无法进行。由此表明，在低于250℃的煅烧温度下获得的产品不能用于水热除杂反应。

实施例5(比较例)：

按照如下操作进行本实施例：

(1)结晶氯化铝的煅烧温度为470℃；煅烧后的烟气进行回收利用。

(2)将步骤(1)获得的无定型氧化铝与水以1:5的重量比混合，加温至90℃，使反应进行1h，过滤，得到第一粗氧化铝；

(3)将步骤(2)获得的第一粗氧化铝与水以1:5的重量比混合，加温至180℃，使反应进行1h，过滤，得到第二粗氧化铝；

(4)将第二粗氧化铝在950℃焙烧2h得到氧化铝。

经检测，氧化铝纯度为98.59％。

如下表4列出主要杂质含量(wt.％)：

表4主要杂质含量(wt.％)

本实施例表明，在进行水热反应时，在470℃下煅烧获得产物活性差，大量产物仍以氧化铝状态存在，不生成新物质，水热反应效率较低，导致最终产物中杂质含量升高。由此表明，在高于450℃的煅烧温度下获得的产品不能用于水热除杂反应。

实施例6(比较例)：

按照如下操作进行本实施例：

(1)结晶氯化铝的煅烧温度为950℃；煅烧后的烟气进行回收利用。

(2)将步骤(1)获得的无定型氧化铝与水以1:5的重量比混合，加温至90℃，使反应进行1h，过滤，得到第一粗氧化铝；

(3)将步骤(2)获得的第一粗氧化铝与水以1:5的重量比混合，加温至180℃，使反应进行1h，过滤，得到第二粗氧化铝；

(4)将第二粗氧化铝在950℃焙烧2h得到氧化铝。

经检测，氧化铝纯度为94.1％。

如下表5列出主要杂质含量(wt.％)：

表5主要杂质含量(wt.％)

与实施例5的结果相比，在进行水热反应时，本实施例的在950℃下煅烧获得产物活性更差，大量产物仍以氧化铝状态存在，不生成新物质，水热反应效率更低，导致最终产物中杂质含量明显升高。

以上实施例的结果表明，本发明的方法利用两段煅烧和水热除杂的方式组合，不但提高了氧化铝的品质，而且实现了对氧化铝生产中的中间产物进行了回收利用，极大的降低了投资成本并降低了对环境的污染，具有良好的社会效益和经济效益。

从以上的描述中，可以看出本发明提供一种生产氧化铝的方法，具体而言，其利用两段煅烧和水热除杂的方式组合，不但提高了氧化铝的品质，而且实现了对氧化铝生产中的中间产物进行了回收利用，极大的降低了投资成本并降低了对环境的污染，具有良好的社会效益和经济效益。