富氧流态化煅烧法提高硅灰白度的研究

陈明功，孙逸玫，陈明强，牛益民，颜凌燕，李广程

(安徽理工大学化学工程学院，安徽 淮南 232001)

富氧流态化煅烧法提高硅灰白度的研究

陈明功，孙逸玫，陈明强，牛益民，颜凌燕，李广程

(安徽理工大学化学工程学院，安徽 淮南 232001)

固定床煅烧硅灰虽然可脱除部分残炭，但煅烧温度过高易使颗粒结块降低比表面积。本研究中采用富氧流化床煅烧方法去除硅灰中残碳。实验发现随流化床煅烧温度和时间增加，硅灰白度增大。空气环境条件下流化床温度900 ℃、煅烧时间3 h，产品硅灰最大白度值为62.9°，粒径分布区间为0.01～0.3 mm，最可积直径约为0.150 mm。 在氧气浓度为32%的富氧环境中， 流化床温度为900 ℃煅烧1.2 h， 产品最大白度值为70.9°， 粒径范围0.001 2～0.11 mm，最可积直径约为0.03 mm。因此富氧流态化煅烧可有效提高硅灰白度脱除残碳，阻止微粒间熔融聚并。

硅灰；富氧；流态化；煅烧；白度

硅灰(硅微粉)是用还原电炉冶炼硅铁过程中产生并被烟气带出的无晶形细颗粒，主要成分为SiO2，因其具有较大比表面积，掺入塑料、橡胶等物质中可提高材料性能[1-4]。目前市售硅灰含较多残碳，颜色较深，其外观品质限制了应用范围，因此选择适当工艺提高白度受到研究者重视[5-7]。目前硅灰中残碳脱除方法有煅烧法[8]、浓硫酸氧化法、氢氟酸酸洗法、浮洗法[9]等。传统煅烧法是把硅灰放入固定床式煅烧炉中，在空气环境条件下把残碳氧化为二氧化碳；该法虽能有效去除残碳，提高硅灰白度，但高温煅烧容易使固定式装填的二氧化硅微颗粒间相互熔融黏结，颗粒变大，比表面积降低。浓硫酸氧化法是把硅灰浸泡在浓硫酸中，在加热条件下氧化残碳，该法浓硫酸成本较高，并具有强烈腐蚀性；氢氟酸酸洗法工艺流程较长，也具有腐蚀性；浮洗法对脱除残碳效果不太明显。

本研究采用在富氧环境条件下流化床煅烧炉氧化去除硅灰中残碳[10]，富氧条件能够有效提高残碳氧化速率，有效缩短煅烧时间，降低煅烧温度，阻止二氧化硅微粒间熔融聚并；流态化可提高气固相表面更新速率，充分氧化燃烧包裹在硅灰微粒间的残碳。

1 实验

1.1 试剂及仪器

主要试剂：工业硅微粉原料(福建产，深灰色，商品级)、去离子水等。

主要仪器：PN-PWT型粉体白度仪(杭州品享科技有限公司)，JJ-1型精密增力电动搅拌器，DHG-7240型电热恒温鼓风干燥箱，SHB-11型真空泵，富氧流态化煅烧炉(自制，如图1)，BT-1800动态图象颗粒分析系统(丹东市百特仪器有限公司)。

1.2 试验方法

富氧流态化煅烧实验装置如图1所示。流化床煅烧炉由内径100 mm、高度1200 mm刚玉管制做，刚玉管外部安装5 kW电加热器，外包保温材料减少热量损失。硅微粉原料经小型螺旋输送机喂料，煅烧后产品经旋风收集器循环煅烧。流化床煅烧炉底部设置底座，底座一侧与空压机连接提供流态化动力；下部通入氧气以有效促进硅灰中残碳氧化燃烧。煅烧后产品经手孔取出，用PN-PWT型粉体白度仪测量样品白度，用SEM分析硅灰原样以及煅烧后样品，用BT-1800动态图象颗粒分析系统测试颗粒粒径分布。

2 结果与讨论

2.1 煅烧温度对白度的影响

在大气环境条件下(氧浓度约21%)500 g硅灰原料分别在700 ℃、800 ℃、900 ℃、1 000 ℃温度条件下煅烧，煅烧时间分别为0.5 h、1 h、2 h、3 h、4和5 h，煅烧温度与白度关系如图2所示。

从图2中得到的结果是0 h、0.5 h、1 h、2 h、3 h、4 h、5 h的变化趋势基本一致，温度小于900 ℃时，白度增加较快，大于900℃时，白度增长趋势较平缓，其原因是随着温度升高，硅灰表面黏附的残炭被氧化燃烧当温度达到一定值时，硅灰颗粒内部包裹的微量残炭也被氧化燃烧，煅烧温度大于900 ℃煅烧3 h后白度基本趋于稳定，综合考虑本实验在空气环境条件下最佳温度选定900 ℃。

2.2 煅烧时间对白度的影响

在大气环境条件下(氧浓度约21%)500 g硅微粉原料分别在700 ℃、800 ℃、900 ℃、1 000 ℃温度条件下煅烧，煅烧时间分别为0.5 h、1 h、2 h、3 h、4 h、5 h，煅烧时间与白度关系如图3所示。

由图3知随煅烧时间增加样品白度增大，外观颜色从深灰色逐渐变成浅灰色，直至白色。无论煅烧温度高低，在开始煅烧的前0.5h白度增加速率较快，其原因是硅灰颗粒表面黏附的残炭较容易燃烧脱除；颗粒内部包裹的残炭需要更长的时间才能燃烧去除，因此曲线斜率逐渐变小。900 ℃煅烧3 h后白度基本趋于稳定，其白度最大值为62.9°，综合考虑本研究最佳煅烧时间为3 h。

2.3 氧气浓度对白度的影响

硅灰原料500 g在900 ℃条件下富氧循环煅烧1.2 h，氧气浓度(V/V)分别为21%、24%、27%、31%、32%、34%，氧气浓度与白度关系如图4所示。

从图4可见在相同条件下随着加入氧气浓度增加煅烧后样品白度增大，当氧气浓度大于32%后其浓度对白度影响已不太显著，本实验最大白度值为70.9°。其原因是当氧浓度小于32%之前，提高氧气含量可以有效提高残碳的氧化反应速率，但当硅灰颗粒表面附着残碳被完全氧化后，包裹在颗粒内部的残碳氧化反应速率受到内外扩散的影响，其白度增加速率变缓。从图4知本实验最佳氧气浓度约为32%。

2.4 SEM分析

不同煅烧温度条件下样品的SEM扫描分析图如图5所示。其中图5(a)为原始样品，图5(b)为流化床煅烧炉(900 ℃煅烧3 h，空气环境条件)样品，图5(c)为富氧流化床煅烧炉(900 ℃煅烧1.2 h，氧气浓度32%)样品。

从图5可见未煅烧硅微粉原样因含残碳表面呈现深灰色，煅烧后颗粒表面较亮，表明部分残碳已被煅烧氧化脱除。未煅烧原样(图5(a))颗粒粒度比较细小；在900 ℃条件下空气环境中流化床煅烧3h后的样品(图5(b))虽然颜色变白，但在煅烧过程中颗粒间发生融合聚并现象，使颗粒直径增大；在900 ℃条件下32%富氧环境中流化床煅烧1.2 h后的样品(图5(c))颜色变白，颗粒间发生少量聚并现象，颗粒直径范围变宽。

2.5 粒度分布分析

采用BT-1800动态图象颗粒分析系统(丹东市百特仪器有限公司)测试样品的粒度分布，超声时间2 s，样品折射率1.60，干法进样。粒度分布如图6所示，其中图6a为原始样品，图6b为流化床煅烧炉(温度900 ℃煅烧3 h，空气环境)样品，图6c为富氧流化床煅烧炉(900 ℃煅烧1.2 h，氧气浓度32%)样品。

从图6可见，未煅烧的原样(图6a)颗粒直径较小，直径分布较集中在0.003～0.02 mm之间，最可积直径为0.008 mm；在900 ℃条件下空气环境中流化床煅烧3h后的样品(图6b)颗粒直径变大，直径分布区间在0.01～0.3 mm范围，最可积直径约为0.15 mm；在900 ℃条件下32%富氧环境中流化床煅烧1.2 h后的样品(图6c)0.001 2～0.11 mm范围，最可积直径约为0.03 mm，由于高速流化状态，颗粒间高速撞击摩擦，因此可以产生更细小的颗粒，同时颗粒粒径范围变的更大。因此富氧流态化煅烧方法可缩短煅烧时间，有效防止硅灰在煅烧过程中颗粒间发生融合聚并现象。

3 结论

采用富氧流化床煅烧方法可去除硅灰中残炭，提高硅灰白度，缩短煅烧时间，阻止硅灰中二氧化硅微粒间的熔融以及粘合聚并，有效避免了传统固定床煅烧炉产生结块难题。实验发现在空气条件下随流化床煅烧炉煅烧温度、煅烧时间的增加，煅烧后的硅灰白度增大，但产品的颗粒粒度变大；本研究中最佳煅烧温度为900 ℃、煅烧时间3 h， 最大白度值为62.9°， 颗粒粒径分布区间为0.01～0.3 mm，最可积直径约为0.15 mm。在富氧条件下采用流化床煅烧炉可有效缩短煅烧时间，进一步提高产品白度，并能有效防止煅烧的产品结块，提高了产品质量；本研究当氧气浓度为32%条件下，在900 ℃煅烧1.2 h， 其产品最大白度值为70.9°， 粒径分布范围为0.001 2～0.11 mm，最可积直径约为0.03 mm。因此，富氧流态化煅烧不仅缩短了时间， 节约能源， 同时还有效阻止颗粒间融合， 提高产品质量。

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(责任编辑：李 丽)

Research on Whiteness Improvement of Silica Fume by Oxygen-enriched Fluidized Calcination Method

CHEN Ming-gong,SUN Yi-mei, CHEN Ming-qiang, NIU Yi-min, YAN Ling-yan, LI Guang-cheng

( School of Chemical Engineering, Anhui University of Science and Technology，Huainan Anhui 232001, China)

Although the traditional fixed bed calciner could remove partial residual carbon in silicon fume, it's easy to agglomerate under the condition of high temperature, which reduces the particle specific surface area. The oxygen-enriched fluidized calcination method was adopted in this research. In the experiments it found that the whiteness of silicon fume increases with increasing of calcination temperature and calcination time. Under the condition of atmosphere, calcination temperature of 900 ℃and calcination time of 3 h, the maximum whiteness value is 62.9°, the range of particle size distribution is from 0.01～ 0.3 mm,the integrable diameter is about 0.15 mm. When the oxygen-enriched fluidized calcination method is used under the conditions of oxygen concentration of 32%, calcination temperature of 900 ℃ and calcination time of 1.2 h, the maximum whiteness value is 70.9°, the range of particle size distribution is 0.001 2～0.11 mm and the integrable diameter is about 0.03 mm. Therefore, oxygen-enriched fluidized calcination method can improve the whiteness, remove the residual carbon, and effectively prevents molten coalescence between silica particles.

silica fume; enriched oxygen; fluidization; calcination; whiteness

2015-03-26

陈明功(1966-)，男，安徽太和人，教授，博士，博士生导师，研究方向：环境化工。

TU528

A

1672-1098(2015)03-0040-04