粉煤灰是火力發電廠燃煤鍋爐排出的一種工業廢渣，是目前世界上排放量最大的工業固體廢棄物之一，不僅嚴重污染環境，而且還占用土地。一般說來，每燃燒1t煤，就能產出250～300kg的粉煤灰。長期以來，粉煤灰作為燃煤電廠的主要污染源，嚴重影響了燃煤電廠周圍居民的日常生活，同時，它對周邊的自然環境也產生了巨大的影響。粉煤灰是工業固體廢棄物，但同時又是巨大的可再生資源。因此如果能對粉煤灰中有用組分加以利用，一方面，可以解決粉煤灰帶來的占用土地、污染環境等問題，緩解粉煤灰廢置給環境帶來的壓力，同時也可以使之成為一種廉價的再生資源。粉煤灰中一般含有15%～55%的氧化鋁，如果能合理加以利用，將是一種很好的氧化鋁資源。
一、試樣原及方法
試樣為某燃煤電廠濕排粉煤灰，選鐵后試樣的化學成分見表1。
表1 粉煤灰化學成分（質量分數）%
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SiO2 |
Al2O3 |
TFe |
燒失量 |
其他 |
|
44.78 |
30.10 |
4.70 |
11.78 |
8.64 |
試驗利用碳酸鈉及生石灰與粉煤灰在一定的溫度下進行燒結，考察燒結劑種類、燒結機協同作用。燒結溫度、燒結時間、堿比、鈣比等因素對粉煤灰中氧化鋁溶出率的影響。并對影響燒結過程的因素進行正式試驗，從而對燒結過程的條件進行優化，得出最佳的粉煤灰提取氧化鋁的燒結工藝條件。燒結熟料用80g／L的氫氧化鈉稀溶液在100℃條件下溶出5min，赤泥先用8g／L氫氧化鈉稀溶液洗滌兩次，然后用100℃熱水洗滌一次，溶出的鋁酸鈉溶液經過濾棄赤泥后經鹽酸化測定溶出的氧化鋁含量。
二、試驗結果與討論
（一）燒結劑種類對粉煤灰中Al2O3溶出率的影響
將粉煤灰與碳酸鈉和生石灰以質量比為1∶1分別進行混合，在一定的溫度進行燒結，考察粉煤灰燒結熟料中氧化鋁溶出率隨燒結溫度的變化。燒結劑種類對粉煤灰中氧化鋁溶出率的影響結果如圖1所示。
圖1 燒結劑種類對粉煤灰中氧化鋁溶溶出率的影響
從圖1可以看出，隨著溫度的升高，碳酸鈉和生石灰的燒結結果逐漸變好。但隨著溫度的升高，利用碳酸鈉進行燒結時，粉煤灰燒結熟料中氧化鋁溶出率增長速度要快得多，而利用生石灰燒結時，其氧化鋁溶出率隨溫度增長及其緩慢。采用碳酸鈉和生石灰作為燒結劑，在700℃時，粉煤灰中氧化鋁溶出率分別只有23.88%和9.95%；850℃時，粉煤灰中氧化鋁溶出率分別增加到了77.53%和16.28%。
（二）燒結劑的協同作用
試驗中采用碳酸鈉與生石灰進行協同作用試驗，主要考慮燒結生料中的堿比、鈣比。燒結溫度及燒結時間等因素對粉煤灰中氧化鋁溶出率的影響。
1、堿比低粉煤灰燒結熟料中氧化鋁溶出率的影響
堿比對粉煤灰中氧化鋁溶出率的影響如圖2所示。試驗條件鈣比0.5∶1，燒結溫度850℃，燒結反應時間30min。
圖2 生料中堿比對粉煤灰中氧化鋁溶出率的影響
從圖2看出，碳酸鈉與氧化鈣混合燒結劑與粉煤灰進行燒結時，生料中堿比對粉煤灰燒結熟料中氧化鋁溶出率的影響很大。當堿比1∶1、鈣比0.5∶1，在850℃條件下燒結30min，粉煤灰中的氧化鋁只有23.22%被溶出，而當堿比為3∶1在同樣條件下進行燒結時，卻有68.71%的氧化鋁被溶出。這與利用碳酸鈉燒結時的反應機理有關，堿石灰燒結時，粉煤灰中的氧化鋁與碳酸鈉主要發生以下反應：
Al2O3＋Na2CO3→NaO·Al2O3＋CO2↑
當提高生料中堿比時，相當于增大生料中氧化鋁與碳酸鈉的接觸面積及燒結劑的過飽和度，有利于提高粉煤灰中氧化鋁與碳酸鈉的反應速率。因此堿比高的生料可以在相同的燒結條件下溶出粉煤灰中更多的氧化鋁。
2、鈣比對粉煤灰燒結熟料中氧化鋁溶出率的影響
鈣比對粉煤灰燒結熟料中氧化鋁溶出率的影響結果如圖3所示。試驗條件堿比3∶1，燒結溫度850℃，燒結反應時間30min。
圖3 鈣比對粉煤灰中氧化鋁溶出率的影響
圖3表明利用碳酸鈉與氧化鈣的混合物與粉煤灰進行燒結時，生料中的鈣比對粉煤灰燒結熟料中氧化鋁溶出率有較大影響。當生料中鈣比0.25∶1、堿比3∶1，在850℃條件下燒結30min時，粉煤灰中有65.78%氧化鋁被溶出，隨著生料中鈣比的增大，粉煤灰燒結熟料中氧化鋁溶液出率也隨之增大，粉煤灰燒結熟料中氧化鋁溶出增大到72.21%。但隨著生料中鈣比的進一步增大，粉煤灰中氧化鋁溶出率反而減小。適量的氧化鈣可以促進燒結過程的進行，有利于粉煤灰中氧化鋁的溶出。而當生料中氧化鈣過量時，則過量的氧化鈣反而阻礙粉煤灰中氧化鋁的溶出。
3、燒結溫度對粉煤灰中氧化鋁溶出率的影響
燒結溫度對粉煤灰燒結熟料中氧化鋁溶出率的影響如圖4所示。試驗條件堿比3∶1、鈣比1∶1、燒結時間為30min。
圖4 燒結溫度對粉煤灰中氧化鋁溶出率的影響
圖4表明隨著燒結溫度的升高，粉煤灰燒結熟料中氧化鋁溶出率迅速增大。當堿比3∶1、鈣比1∶1的生料在700℃條件下燒結30min，粉煤灰燒結熟料中氧化鋁溶出率僅為27.68%，在850℃時，粉煤灰中氧化鋁溶出率為72.21%。資料表明，碳酸鈉與氧化鋁在500～700℃才開始反應，800℃才能感應完全，提高溫度反應加快，在1100℃下在60min內可以完成。
4、燒結時間對粉煤灰中氧化鋁溶出率的影響
燒結時間對粉煤灰燒結熟料中氧化鋁溶出率的影響如圖5所示。其中堿比3∶1、鈣比1∶1、燒結溫度為850℃。
圖5 燒結時間對粉煤灰中氧化鋁溶出率的影響
從圖5可以看出，燒結時間對粉煤灰燒結熟料中氧化鋁溶出率的影響較小。當燒結時間為30min時，粉煤灰中氧化鋁溶出率為72.21%，隨著時間的增長，氧化鋁溶出率出率增長緩慢，即使將燒結時間延長到120min，溶出率也僅為73.82%。這說明利用堿石灰燒結法溶出粉煤灰中氧化鋁時，當生料中堿比3∶1、鈣比1∶1時，物料在850℃條件下燒結30min已經能溶出粉煤灰中能夠溶出的絕大部分氧化鋁，而不能溶出的那部分氧化鋁在該條件下是惰性的。
（三）燒結反應的正交試驗
對燒結過程進行正交試驗，考察粉煤灰燒結過程中各因素對粉煤灰中氧化鋁溶出率的影響，以及確定燒結過程的各種藥劑用量的最佳配比。
試驗利用碳酸鈉與氧化鈣的混合物作為燒結劑進行燒結反應的正交試驗。正交試驗因素水平表如表2。
表2 正交試驗因素水平
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水平 |
因素 |
|||
|
堿比 |
鈣比 |
燒結溫度℃ |
燒結時間min |
|
|
1 |
1∶1 |
2∶1 |
750 |
30 |
|
2 |
2∶1 |
1∶1 |
800 |
60 |
|
3 |
3∶1 |
0.5∶1 |
850 |
90 |
根據表2試驗采用L9（34）正交試驗表，方案設計及試驗結果見表3。
表3 燒結過程正交試驗方案及試驗結果
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編號 |
因素 |
Al2O3 |
|||
|
堿比 |
鈣比 |
燒結溫度℃ |
燒結時間min |
||
|
1 |
1∶1 |
2∶1 |
750 |
30 |
18.98 |
|
2 |
1∶1 |
1∶1 |
800 |
60 |
30.72 |
|
3 |
1∶1 |
0.5∶1 |
850 |
90 |
34.52 |
|
4 |
2∶1 |
2∶1 |
800 |
90 |
54.64 |
|
5 |
2∶1 |
1∶1 |
850 |
30 |
66.94 |
|
6 |
2∶1 |
0.5∶1 |
750 |
60 |
45.40 |
|
7 |
3∶1 |
2∶1 |
850 |
60 |
62.43 |
|
8 |
3∶1 |
1∶1 |
750 |
90 |
62.85 |
|
9 |
3∶1 |
0.5∶1 |
800 |
30 |
66.19 |
|
Ⅰj |
84.22 |
136.05 |
127.23 |
152.11 |
|
|
Ⅱj |
166.98 |
160.51 |
151.55 |
138.55 |
|
|
Ⅲj |
191.47 |
146.11 |
163.89 |
152.01 |
|
|
Rj |
107.25 |
24.46 |
36.66 |
13.56 |
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從表3中可以看出，各種因素對粉煤灰燒結熟料中氧化鋁溶出率影響大小順序為：堿比＞燒結溫度＞鈣比＞燒結時間。因此，在該燒結過程中要特別控制生料中碳酸鈉的用量。通過對利用碳酸鈉與氧化鈣的混合物作為燒結劑的燒結過程進行方案優化，得到最佳工藝為：堿比堿比3∶1、鈣比1∶1，850℃條件下燒結30min，在此條件下Al2O3浸出率可以達到72.21%。
三、結論
（一）隨著溫度升高，碳酸鈉和生石灰的燒結效果逐漸變好。但隨著溫度升高，利用碳酸鈉進行燒結時，粉煤灰燒結熟料中氧化鋁溶出率增長速度要快得多，而利用生石灰燒結時，其氧化鋁溶出率隨著溫度增長及其緩慢。
（二）碳酸鈉與氧化鈣的混合物作為燒結劑，在燒結過程中的主要影響因素為堿比，其次為燒結溫度和鈣比，影響最弱的是燒結時間。
