煤矸石煅烧活化提取氧化铝技术研究

贾敏，杨磊

( 神华准能资源综合开发有限公司，内蒙古 鄂尔多斯 010300)

煤矸石是煤矿开采过程中排放的固体废弃物，我国目前堆积的煤矸石约40亿t。这些煤矸石大量堆积不仅占用土地资源、污染环境，而且造成地下水的污染以及煤矸石山体滑坡坍塌发生地质灾害，严重威胁人类的生存环境。若实现该部分资源的综合利用，不仅对该地区经济的可持续发展具有重要意义，而且对于我国高岭土资源综合利用工业化，也具有极其重要的意义。

内蒙古鄂尔多斯市准格尔露天煤矿是我国北方的重点产煤区。长期以来，在煤碳开采过程中都将煤矸石抛弃，造成资源的严重浪费。该地区的煤矸石属优质高岭岩，极具开发利用价值。煤矸石经分析检测，其主要为高岭石和勃姆石，含少量石英。主要化学成分为Al2O3、SiO2、Fe2O3、TiO2、CaO、MgO、P2O5、K2O和Na2O等，其中 Al2O3含量可达40%以上。我国铝土矿资源短缺和对氧化铝需求量的增大之间的矛盾日益加剧，而煤矸石中含有大量的氧化铝资源，因此，本文开展对煤矸石提取氧化铝的研究具有重要的理论意义，对推进社会可持续发展具有重要现实意义。

1 试验部分

1.1 原料及分析

煤矸石来自内蒙古准格尔露天煤矿。试验首先对原料进行初步的破碎和球磨，然后进行化学分析和 XRD 物相分析。化学分析结果见表 1 ，XRD物相分析见图1。

表1 煤矸石化学成分/%Table 1 Chemical composition of coal gangue

从原样的化学分析和物相分析结果可以看出，其化学成分主要是 SiO2和 Al2O3，铝硅比较高，铁、钛等杂质含量低。原样的矿物成分基本上是以高岭石为主，还含有矿物石英、一水铝石等，样品中的铝硅摩尔比接近高岭石的理论值，可视为高岭石的单矿岩。

图1 煤矸石XRD图谱Fig. 1 Coal gangue XRD

1.2 试验设备及仪器

表2 试验设备及仪器Table 2 Test equipment and instruments

1.3 试验方法

1.3.1 煅烧活化

煤矸石可以通过多种方法活化[1]，试验采用煅烧热激活法。 通过逐级破碎、研磨再粉磨，使煤矸石粒度达到大于 75 μm 粒子质量分数小于10%，见图2。

图2 煤矸石粒径分布Fig .2 Coal gangue particle size distribution

粉磨之后的煤矸石测粒度，90%以上的粒径都小于75 μm。采用 8 个温度点（500～850 ℃间隔50 ℃）煅烧、7个时间点（20 ～ 150 min )保温活化，然后自然冷却。

1.3.2 溶出试验

溶出条件采用“一步酸溶法”工艺中的溶出条件，条件为酸灰比0.88：1，反应温度160℃，反应时间2 h[2]。煤矸石中氧化铝溶出率计算公式如下：

1.3.3 制备氧化铝试验

煤矸石活化后，采用上述溶出条件溶出，之后采用神华准能集团自主研发出的“一步酸溶法”工艺流程[3]制备氧化铝。流程如下：

图3 煤矸石制备氧化铝工艺流程Fig. 3 Coal gangue preparation alumina process

2 结果与讨论

2.1 不同活化温度对煤矸石中氧化铝溶出率的影响

煅烧温度和时间是影响活化效果最直接的因素。魏博[4]对比煅烧前后的煤矸石成分发现，煤矸石在 600～900℃的温度下煅烧 2 h，矿物晶体结构会发生改变，原有高岭土转化为非晶态偏高岭土，而在 800℃煅烧 4 h 后，其活化效果最好，活性硅铝的溶出率可达到最大值。较优的煅烧温度与时间是由煤矸石的种类直接决定的，王凯功等[5]认为煤矸石如果以高岭石为主要矿物，则最合理的活化温度为700 ～ 900℃，活化温度过高，会产生莫来石相，使活性降低。

选取活化温度在500 ～ 850℃范围内每隔50℃对煤矸石进行活化，活化2 h，之后对活化后的煤矸石进行溶出试验，活化后的煤矸石和酸溶后溶出渣化学成分见表3，化学成分采用X-荧光光谱分析仪测试。

表3 不同活化温度煤矸石和溶出渣化学成分/%Table 3 Chemical composition of coal gangue and dissolution slag at different activation temperature

分别将500 ℃、550℃、600℃、650℃、700℃、750℃、800℃、850℃活化后的煤矸石为原料，固定盐酸/煤矸石质量比0.88：1，反应温度160℃，酸溶时间2 h，在均相反应器中反应，反应结束后测定渣中氧化铝和氧化硅含量并根据上述溶出率计算公式得出铝的溶出率，结果见表4和图4。

表4 不同活化温度煤矸石中氧化铝溶出率Table 4 Alumina dissolution rate in coal gangue with different activation temperature

图4 不同活化温度煤矸石中氧化铝溶出率对比Fig .4 Alumina dissolution rate in coal gangue with different activation temperature

从表4和图4可以看出，未活化煤矸石溶出率为86.04%，与采用同一条件溶出下的粉煤灰溶出率相当；随着活化温度的升高，煤矸石溶出率整体呈增大趋势，但增加幅度比较平缓。

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

从图5可以看出，在850℃煅烧活化后的煤矸石中主要物相变成了非晶态，说明煅烧活化使煤矸石中高岭石变成了非晶态偏高岭石，偏高岭石活性较高，致使其中的铝易溶解出来，溶出率增大。在600～850℃煅烧之后溶出率趋于稳定，溶出率都在95%左右；温度继续升高至900℃时，溶出率下降。

图6 900℃活化时煤矸石XRDFig .6 XRD of coal gangue at 900 °C activation

从图6中可以看出，温度升高至900℃时，活化后的煤矸石有部分莫来石相生成，使活性降低，氧化铝溶出率降低。从节能角度考虑，将600℃选取为较优活化温度。

2.2 不同活化时间对煤矸石中氧化铝溶出率的影响

在较佳活化温度600℃下，考察了不同活化时间对煤矸石中氧化铝溶出率的影响。活化时间分别为20、30、40、60、90、120、150 min，活化后的煤矸石进行溶出试验，溶出条件与上述一致。不同活化时间煤矸石溶出渣化学成分见表5。酸溶法”工艺生产氧化铝[7]，缓解铝土矿资源相对短缺问题。

表5 不同活化时间煤矸石溶出渣化学成分/%Table 5 Chemical composition of coal gangue dissolution slag at different activation time

表6 不同活化时间氧化铝溶出率Table 6 Alumina dissolution rate at different activation time

2.3 煤矸石酸溶制备氧化铝

从表6和图7可以看出，随着活化时间延长，氧化铝溶出率整体呈增大趋势，但增大不明显，从经济性角度考虑，选择较优活化时间为20 min。因此，煤矸石的较优活化温度为600℃，较优活化时间为20 min，在此条件下，煤矸石溶出率就可以达到94.09%，远远优于粉煤灰中氧化铝溶出率(85%)[6]，说明准格尔矿区煤矸石可以采用“一步

煤矸石在上述较佳条件下，温度600℃，时间20 min活化后，在均相反应器中加入盐酸/煤矸石质量比0.88：1，反应温度160℃，反应时间2 h，之后经过树脂除铁、除钙、蒸发结晶、煅烧得到冶金级一级品氧化铝，Fe2O3含量为0.007%（小于国标要求0.02%）、SiO2含量为0.014%（小于国标要求0.02%）、LOI含量为0.64%（小于国标要求1%），氧化铝含量为99.07%（大于国标要求98.6%），所以煤矸石活化后采用“一步酸溶法”工艺可以生产出冶金级氧化铝，生产氧化铝化学成分见表7。

表7 氧化铝成分分析/%Table 7 Alumina composition analysis

3 结 论

准格尔矿区煤矸石经过活化后，采用“一步酸溶法”工艺可以成功生产出冶金级氧化铝，并且在同样溶出条件下，煤矸石活化后的活性高于粉煤灰，氧化铝溶出率可达到94%左右，高于粉煤灰中氧化铝溶出率。这样，不仅可以利用煤矸石生产氧化铝，解决铝土矿资源短缺问题，还可以消除煤矸石存储、排放对环境的影响，解决了煤矸石带来的环境问题。