粉煤灰制备活性硅酸钙过滤试验研究

公彦兵, 孙俊民, 张战军, 张 生, 周立波

(1.大唐国际高铝煤炭研发中心， 内蒙古 呼和浩特 010050；2.大唐国际再生资源科技开发有限公司， 内蒙古 呼和浩特 010206；3.山东莱芜煤矿机械有限公司， 山东 莱芜 271100)



试验研究

粉煤灰制备活性硅酸钙过滤试验研究

公彦兵1, 孙俊民1, 张战军1, 张 生2, 周立波3

(1.大唐国际高铝煤炭研发中心， 内蒙古 呼和浩特 010050；2.大唐国际再生资源科技开发有限公司， 内蒙古 呼和浩特 010206；3.山东莱芜煤矿机械有限公司， 山东 莱芜 271100)

针对微孔活性硅酸钙产品含水高、粒度小、难过滤等特点，以大唐再生资源公司氧化铝分厂生产的活性硅酸钙为原料，采用立盘加压过滤机、水平带式过滤机、立式压滤机进行过滤半工业试验。结果表明，立盘加压过滤机具有产能高、滤饼水分低、自动化程度高等优点，是较好的活性硅酸钙末端过滤设备。

活性硅酸钙； 过滤； 立盘加压过滤机； 含水率； 半工业试验

0 前言

我国内蒙古西部和山西北部有大量的高铝煤炭资源，这些煤种经过火电厂发电燃烧后形成了氧化铝含量高达45%～50%的高铝粉煤灰，是一种宝贵的铝硅矿物资源[1]。由于高铝粉煤灰中硅含量较高，铝硅比较低，单一提取氧化铝资源的工艺经济性有限，研发高铝粉煤灰铝硅资源高效共提的新技术，不但是粉煤灰高值化利用、发展循环经济的必要举措，更具有促进我国氧化铝工业可持续发展的重要现实意义[2]

大唐国际再生资源开发有限公司的预脱硅- 碱石灰石，烧结法高铝粉煤灰提取氧化铝联产活性硅酸钙工艺采用铝硅共提的资源化利用技术[3-5]，目前已建成年产20万t氧化铝产业化工程，且整体工艺逐步趋于稳定。其中预脱硅工艺不但有效提取了高铝粉煤灰中的硅资源，还提高了粉煤灰的铝硅比，减少了氧化铝提取工艺物流量并降低了渣量。

预脱硅工艺采用碱溶脱硅方法，其中高铝硅比脱硅粉煤灰进入氧化铝生产，硅酸钠溶液则加入石灰乳生产活性硅酸钙，工艺流程图见图1。

图1 活性硅酸钙制备主要流程图

所合成的硅酸钙产品为多孔结构，具有质软、比表面积大、沉降体积高、比重小、白度性能好等特征，目前在造纸和高附加值建材行业的应用已取得显著的成果。由于活性硅酸钙微粒的内部及表面呈孔隙发育，通过扫描电镜观察到其表面呈现蜂窝状聚集，多孔状结构以及附着结晶水，粒度分布不均匀，平均粒径为15～17 μm等，该特性导致活性硅酸钙生产过程中的过滤分离过程存在脱水困难的问题。本文旨在通过对不同类型过滤方式的设备进行半工业试验，从而找到适合过滤活性硅酸钙的过滤设备。

1 试验

1.1 试验原料

试验原料为大唐再生资源公司活性硅酸钙工段所产硅酸钙产品，大部分试验直接在现场车间连接管道取料化浆，部分试验取活性硅酸钙滤饼运至设备厂家重新加水化浆加热。

1.2 试验设备及仪器

试验主要设备为：2 m2的立盘加压过滤机，1.5 m2的立式压滤机，2.4 m2的水平带式压滤机，若干蒸汽管道、搅拌槽、磅秤、烘箱、真空抽滤泵等。

分析设备主要是：X’Pert PRO MPD 型多功能X射线衍射仪(荷兰PANalytical公司(帕纳科))、JEOL5800SV扫描电子显微镜(SEM)(日本电子株式会社公司)、HELOS/BR- OASIS全自动干湿法激光粒度仪(德国新帕泰克)、IR35电子水分测定仪(美国丹佛)。

1.3 试验方法

将活性硅酸钙浆液在搅拌状态下输送至过滤设备进行过滤，具体步骤如下：

(1)化浆。开启搅拌30 min至搅拌均匀，加热至试验指定温度(70～80 ℃)。

(2)过滤。通过料浆泵将浆液打入过滤设备中进行过滤。

(3)取样分析。分别对滤液及滤饼取样分析，重点测试滤饼水分并考察设备产能。

2 试验结果及讨论

2.1 试验原料物性测定

对试验原料活性硅酸钙进行SEM和XRD分析，结果分别见图2、图3。

图2 活性硅酸钙SEM分析

图3 活性硅酸钙XRD分析

由图2活性硅酸钙SEM分析可以看出，活性硅酸钙呈蜂窝状，内含大量微孔，微孔具有很高的蓄水性能，导致湿滤饼含水率高。数据表明，含水85%左右时，其流动性已大大下降，形成膏体，含水80%时，已经形成成型滤饼。

由图3可以看出，活性硅酸钙物相主要为钙硅化合物，但非单一物相，由于生产过程钙硅比例控制使石灰乳部分残留在产品中，导致杂相生成，其中还含有部分滤饼附碱。

2.2 活性硅酸钙立盘加压过滤机过滤试验

2.2.1 工作原理

加压过滤机是将过滤机置于一个密封的加压仓中，待过滤的悬浮液通过料泵给到过滤机的槽体中，在加压仓内压力作用下，滤饼经过干燥降水后，卸入排料装置的上仓中，当滤饼达到一定量后，由排料装置间歇排出到大气中，整个过程自动进行[6-8]。

2.2.2 试验结果

调整活性硅酸钙料浆固含至150 g/L，在料浆总体积1 m3、蒸汽加热至80～90 ℃、140目滤布条件下进行试验，试验结果见表1。试验所得滤饼水分均为试验过程中每个循环取样后测定的平均水分。

表1 立盘加压过滤机试验结果

注：固含150 g/L

由表1可以看出，各批次滤饼水分平均值在61.9%，且计算得设备处理量达450 kg/(m2·h)。

图4为立盘加压过滤机滤饼，可以看出，过滤所得滤饼极为分散，流动性好，不但水分低降低了运输及烘干能耗，其分散性更利于包装及提高烘干效率。

图4 立盘加压过滤机滤饼

2.2.3 工作参数对过滤效果的影响分析

2.2.3.1 工作压差对脱水效果的影响

工作压差是加压过滤机最重要也是最基本的参数。理论和实践均证明，过滤效果的好坏，与过滤介质两侧的压差关系密切，压差越高，产品的水分越低，过滤机的产能越高。由于加压过滤试验机使用时间较久，性能有所下降，压差不很明显。根据该活性硅酸钙的特性，工作压差宜控制在0.02～0.04 MPa。

2.2.3.2 入料浓度对脱水效果的影响

入料浓度是影响加压过滤机过滤效果的主要因素。一般情况下，入料浓度高时，形成的滤饼厚，过滤耗风量低，处理能力高；入料浓度低时，形成的滤饼薄，过滤耗风量高，处理能力低。如果入料浓度过低，在过滤机的滤盘上成饼困难，生产效率严重下降。因此选用加压过滤机时，要结合工艺系统的特点，采取相应措施，待过滤物料在进入加压过滤机前进行浓度调整处理，最大限度地发挥加压过滤机优势。

本试验调整活性硅酸钙最高浓度为150 g/L，此时设备处理能力约为450 kg/(m2·h)。

2.2.3.3 主轴转速对脱水效果的影响

主轴转速也是影响加压过滤机过滤效果的因素之一。对于易过滤物料，随着转速的增大，其处理能力有增加的趋势，但如果转速快，滤饼在干燥区的干燥时间较短，会造成滤饼水分增加。对于过滤性差的物料，则由于在成饼区成饼时间短，造成滤饼薄。根据该活性硅酸钙的特性，主轴的转速宜控制在0.8 r/min左右。

2.2.4 小结

(1)通过本次加压过滤机对活性硅酸钙料浆的过滤试验，可以看出，滤饼水分可以控制在60%～63%之间，并且活性硅酸钙料浆浓度越高，其水分越低，设备最高处理能力(干基)可达450 kg/(m2·h)。可见，加压过滤机用于该活性硅酸钙的固液分离是可行的，且效果比较理想。

(2)工作压力是影响处理能力的重要因素，提高工作压力可以较大幅度地提高加压过滤机的处理能力，同时降低滤饼水分。

(3)滤布的选择很重要，滤布孔径的大小直接影响滤饼的水分以及过滤机的耗风量。对于该种物料，在相同的过滤条件下，不同的滤布对产品的水分和设备的处理能力都有一定的影响。考虑到物料的特性及滤液情况，宜选用单丝丙纶滤布，推荐单丝滤布孔径为180～200目。

(4)对于该物料，加压过滤机的过滤压力建议控制在0.16～0.20 MPa之间，入料浓度宜控制在120～160 g/L，主轴转速控制在0.8 r/min左右。

2.3 活性硅酸钙水平带式过滤机过滤试验

2.3.1 工作原理

料浆从动滚筒端通过专用布料器均匀地分布到做水平运动的滤布上，粗粒级的固体颗粒首先自然沉降到滤布表面。在真空箱内负压的作用下，滤液透过滤布进入真空箱中，通过管道进入滤液分离器。滤液从汽液分离器排出，不凝气(主要是空气)则由汽液分离器的气体出口进入真空泵，由真空泵排入大气。滤带继续向前运动，进入洗涤段，洗涤水均匀喷洒在滤饼上，然后穿过滤布，进入真空箱，滤饼进入脱水段，最终刮刀卸料得到滤饼。滤布运动至底部时冲洗再生，进入下一个过滤、洗涤、脱水过程[9-10]。

2.3.2 试验结果

将生产现场活性硅酸钙反应沉降槽直接连接水平带式过滤机的布料器进行过滤试验，试验结果见表2。

2.3.3 小结

(1)水平带式过滤机滤饼厚度17 mm左右。

(2)水平带式过滤机按进料流量1.475 m3/(m2·h)计，根据滤饼厚度计算水平带式过滤机平均产能为175.83 kg/(m2·h)，滤饼水分为75.16%。

2.4 活性硅酸钙立式压滤机过滤试验

2.4.1 工作原理

立式压滤机工作模式有六个过程：过滤，泵入物料悬浮液；一次隔膜挤压，挤压成形滤饼；滤饼洗涤，清水洗滤；二次隔膜挤压，重新挤压滤饼；滤饼吹干，高压风吹干，带走少量水分；滤饼排出与滤布洗涤，两侧落下滤饼、卸料，同时洗涤滤布[11-12]。

2.4.2 试验结果

将洗涤反应槽活性硅酸钙浆液物料导入混合

表2 水平带式过滤机试验结果

槽，调控料浆固含进行试验，并且调整洗水量、吹风次数和吹风时间，取样分析滤饼水分等相应指标，试验结果见表3。

2.4.3 小结

(1)滤饼水分含量较低，平均值为63.8%。

(2)设备洗涤效果较差，氧化钠含量相对较高并且波动大，不稳定，洗水耗量较大。

(3)由于洗水量大、洗涤时间长，单位产能较低，平均为75 kg/(m2·h)。

表3 立式压滤机试验结果

3 结论

(1)产能方面，立盘式加压过滤机产能为真空带式过滤机的2.6倍，为立式压滤机的6倍，具有明显的优势；

(2)从滤饼水分看，立盘式加压过滤机滤饼平均水分61.9%，真空带式过滤机滤饼平均水分75.16%，立式压滤机滤饼平均水分63.8%，真空带式过滤机过滤效果远低于另外两类设备；

(3)对于洗涤效果，水平带式过滤机洗涤效果一般，立式压滤机洗涤效果较差，而立盘式加压过滤机不能洗涤；

(4)自动化方面，立盘式加压过滤机进料、过滤、排料全部为电脑程序远端控制，自动化程度最高；

(5)占地面积方面，水平带式过滤机占地面积最大，立盘式加压过滤机和立式压滤机由于其立式结构很好地利用了空间，占地面积小。

综合考虑，立盘式加压过滤机在产能、滤饼水分、自动化程度、占地面积等方面具有明显优势，是很好的活性硅酸钙产品末端过滤设备，可以与洗涤槽配合使用。根据物料平衡测算，大唐再生资源公司活性硅酸钙工段仅需两台60 m2(开一备一)立盘加压过滤机即可满足生产需求，从年产50万t氧化铝远期规划来看，两台140 m2设备即可。

[1] 张战军．从高铝粉煤灰中提取氧化铝等有用资源的研究[D]．西安：西北大学，2007．

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世界最大废旧铝罐回收厂在德投产

全球最大的铝平轧产品(FRPS)企业——诺贝丽斯铝业公司(Novelis)建在德国纳希特斯德(Nachterstedt)轧制厂的废旧全铝罐再生中心(recyling centre)建成投产，在相关类企业中这是全世界最大的企业，每年可用从社会上回收的铝罐经预处理后熔炼成制罐用的3104合金210 kt，再生的3104合金的各项性能与用重熔用铝锭熔炼完全相同。诺贝丽斯铝业公司不但是世界最大的铝平轧产品企业，产品生产能力4 200 kt/a，工厂遍布欧洲、北美洲、亚洲与南美洲，而且也是全球最大的废旧易拉罐回收再生企业，回收的易拉罐废料既有新的也有旧的，所谓新的废料就是制罐企业生产过程中产生的废料与废品，而旧废料则是消费者饮完饮料后抛弃的罐。

废旧易拉罐是一种附加值很高的再生循环利用的金属资源。诺贝丽斯铝业公司的理念是，一方面要把企业建成世界一流的铝平轧产品生产与供应者，另方面要立志成为全球铝废料回收与再生的领跑者，着力向环保、安全、健康(ESH)的绿色企业发展，成为优秀的循环经济企业。

诺贝丽斯铝业公司自2011年以来就积极关注再生铝板块，已投资约500M美元改扩建回收与再生铝，再生铝生产能力已翻了一番，达到2010年2 100 kt/a，产品中的再生铝含量从2011年的30%上升到2014年的46%，公司的中期目标是2020年产品中再生铝的含量争取达到80%，与提取原铝相比，生产再生铝的能耗及排放物可分别减少95%。

诺贝丽斯铝业公司的这种发展战略不但有利于公司在汽车轻量化方面做出更出色的成就，而且可加速铝的循环利用，更重要的是产品中的“弹含量”(embedded Carbon)大大下降，显著减少能源消耗与碳对环境污染，这对铝材生产者与用户都是有利的。

新落成的纳希特斯德废铝回收再生中心的分类、脱漆、熔炼、铸造装备都是当今一流的，因而可以高效地处理各种废铝，成为有效的循环经济链，显著提升欧洲的废铝消费，减少出口，并且可录用新员工200名。

诺贝丽斯铝业公司为新的回收中心开发出的一系列的新技术、新工艺、新装备，使回收再生效率大大提升，再生锭品质大为上升，另外，排放物的各项指标能完全满足欧洲当前的环保法规条例要求。铸造的再生铝扁锭无论是化学成分还是外形尺寸都完全符合轧制优质罐体料要求。

纳西特斯特德废铝回收再生中心地处欧洲中心地带，交通便利，四通八达，有利于废铝回收与扁锭外运，所产扁锭运往德国诺伊斯市诺夫(Aluminium Norf in Neuff/Germany)轧制厂与瑞士谢尔轧制(Sierre)厂，对诺夫轧制厂诺贝丽斯公司与海德鲁铝业公司各占50%股份，谢尔轧制厂为诺贝丽斯铝业的独资企业，它们用这些再生扁锭轧制罐料与汽车板带材及通用带板材，但以前者为主，占80%以上，诺夫轧制厂是当今最大的平轧铝产品企业，有两条热连轧线，生产能力1 200 kt/a，(1+3)式热连轧线建于上世纪70年代，2014年经过全面的现代化技术改造，该厂的冷轧铝带材实际产量900 kt/a，生产的合金达八九十种，主导产品为罐料、PS及CTP板带、铝箔带坯、汽车板带等。中国忠旺(天津)铝板带有限公司于2018年全部建成投产后，总生产能力可达2 000 kt/a，将取代诺夫轧制厂，可能成为世界最大的单一平轧铝产品厂。

Filtration experiment of active calcium silicate preparation with fly ash

GONG Yan-bing, SUN Jun-min, ZHANG Zhan-jun, ZHANG Sheng, ZHOU Li-bo

According to characteristics of micro-porous activated calcium silicate products such as high water content, small particle size, difficult filtration etc., taking active calcium silicate produced by alumina branch factory of Datang Regeneration Resources Ltd as raw material, semi-commercial filtration experiment was conducted with equipment including vertical disc pressure filter, horizontal band filter, vertical pressure filter etc.. The results show that vertical disc pressure filter have advantages of high productivity and low cake moisture, high level of automation, it is a better terminal filtration equipment of active calcium silicate.

active calcium silicate; filtration; vertical disc pressure filter; moisture content; semi-commercial experiment

公彦兵(1982—)，男，硕士研究生，工程师。

2014-- 07-- 24

国家“十一五”科技支撑项目“高铝粉煤灰提取氧化铝多联产工艺技术集成与产业化示范”资助项目(2009BAB49B00)。

TF821

B

1672-- 6103(2015)04-- 0065-- 06