拜耳法赤泥还原焙烧工艺分析范文

《环境污染与防治杂志》2015年第十一期

摘要

采用正交实验，考察焙烧温度、焙烧时间、还原剂和添加剂用量对拜耳法赤泥还原焙烧效果的影响。结果表明，在焙烧温度为1080℃，焙烧时间为70min，赤泥、还原剂、添加剂质量比为100∶9∶7的最优条件下还原焙烧赤泥，经过磁选，赤泥中的含铁矿物得到富集，精矿品位平均为67．36％，回收率平均为85．54％。用热重（TG）／差示扫描量热（DSC）分析、扫描电子显微镜（SEM）分析、X射线衍射（XRD）分析以及质量磁化率测定等方法，对赤泥还原焙烧前后的理化特性进行研究，证实经过还原焙烧，赤泥中Fe2O3转化为Fe3O4和Fe。

关键词

拜耳法赤泥；还原焙烧；磁选；铁；理化特性

我国是世界上自然资源浪费最严重的国家之一，因此资源再生利用是当前一个重要的研究方向。赤泥是Al2O3生产过程中产生的主要固体废弃物，因含大量Fe2O3而呈红色，故名赤泥［1－2］。赤泥产出量因矿石品位、生产方法、技术水平不同存在差异，每生产1tAl2O3同时产出0．8～2．0t赤泥［3］。目前，全世界每年赤泥产出量超过7000万t，我国就多达3000万t；至2015年，已有3．5亿t赤泥堆存［4－5］。赤泥综合利用的研究已开展多年，也取得了一些成就，如利用赤泥吸附CO2，作为助凝剂、吸附剂和催化剂［6－8］，制作水泥及胶凝材料［9－11］，制备微晶玻璃［12］，提取有价金属［13－14］等，但大规模的工业应用仍然存在诸多难题。近年来，赤泥中有用矿物提取和综合利用方面的研究屡见报道，而对赤泥理化特性的研究仍较缺乏。本研究以拜耳法赤泥为对象，考察还原焙烧对赤泥理化特性的改良效果。

1实验材料与方法

1．1原料实验所用拜耳法赤泥来自山东某Al2O3厂，其主要化学成分如表1所示。用无烟煤作为还原剂，该无烟煤的工业分析如表2所示。实验中以无水Na2CO3作为添加剂增强还原效率。

1．2仪器设备选用智能箱式高温炉作为高温加热设备，SSC－Φ50磁选管作为磁选设备。分析检测仪器包括D8AD－VANCE型X射线衍射（XRD）仪、MS2型便携式磁化率仪、CAMBRIDGES－360型扫描电子显微镜（SEM）、STA6000型热重（TG）／差示扫描量热（DSC）同步分析仪。

1．3方法将赤泥、无烟煤、无水Na2CO3混合，进行还原焙烧，得到的产物本研究中简称为原矿。将原矿磨矿20min，使含铁矿物与非铁矿物充分分离，之后进行磁选。磁选管激磁电流设定为2．5A。采用正交实验，研究焙烧温度、焙烧时间、还原剂和添加剂用量等因素对赤泥还原焙烧效果的影响，各因素水平如表3所示，其中赤泥、还原剂质量比和赤泥、添加剂质量比分别简称为赤泥∶还原剂和赤泥∶添加剂。

2结果与分析

2．1还原焙烧和磁选将焙烧温度为1080℃、焙烧时间为40min、赤泥∶还原剂为100∶19、赤泥∶添加剂为100∶3的条件下得到的原矿进行磁选，升级为精矿，磁选次数对原矿的影响如表4所示。1次磁选后，精矿产率太低，易造成精矿流失，2～3次磁选后，精矿产率相差不大，考虑到3次磁选对时间和动力耗费较大，本研究将磁选次数统一设为2次。正交实验结果见表5。从精矿品位看，最优方案为A3B2C2D2，影响程度依次为A＞B＞D＞C；从精矿产率看，最优方案为A1B3C3D3，影响程度依次为D＞C＞A＞B；从回收率看，最优方案为A3B1C3D3，影响程度依次为D＞A＞C＞B。在正交实验中，不同指标的重要程度存在差异，各因素对不同指标的影响程度也不尽相同。评价赤泥中还原焙烧效果的首要指标是精矿品位，其次是回收率，再次是精矿产率。结合表3和表5可知，对于精矿品位，焙烧温度是主要因素，焙烧时间次之，焙烧温度、焙烧时间的最优因素水平为A3、B2；赤泥∶添加剂对于精矿产率和回收率均为最主要因素，但对精矿品位的影响不大，赤泥∶添加剂最优因素水平为D3；赤泥∶还原剂对精矿品位影响最小，对精矿产率和回收率的影响也较小，从节约还原剂用量考虑，赤泥∶还原剂的最优因素水平为C1。因而，本次正交实验的最优方案确定为A3B2C1D3，即焙烧温度1080℃，焙烧时间70min，赤泥∶还原剂100∶9和赤泥∶添加剂100∶7（即赤泥、还原剂、添加剂质量比100∶9∶7）。对上述最优方案进行验证，结果如表6所示。3组实验精矿品位平均为67．36％，富集比平均为2．52，精矿产率平均为34．01％，回收率平均为85．54％。高炉炼铁要求精矿品位高于56％［15］，故赤泥经还原焙烧后可用于高炉炼铁。

2．2理化特性分析

2．2．1TG／DSC分析对赤泥进行TG／DSC分析，结果如图1所示。赤泥的TG曲线呈先陡峭后平缓直至稳定的趋势。温度低于400℃，赤泥质量大幅减少主要是由于吸附水和有机物挥发。温度为400～900℃，赤泥质量减少较平缓，可能是含水矿物中的结晶水挥发所致。温度高于900℃，赤泥质量趋于稳定。DSC曲线在960℃有1个较小的放热峰，除此之外，赤泥基本处于吸热状态。

2．2．2XRD分析先对赤泥进行XRD分析。根据正交实验结果，选取最优方案进行赤泥还原焙烧，还原焙烧后，再对原矿和精矿进行XRD分析，结果如图2所示。赤泥中主要矿物为Na7．88（Al6Si6O24）（CO3）0．93、Fe2O3和SiO2。原矿的主要矿物为Fe、Fe3O4、KNa3（AlSiO4）4和CaTiO3，说明赤泥经过还原焙烧后，Fe2O3转化为Fe3O4和Fe，磁性物质增加。精矿的主要矿物为Fe，说明经过磁选，Fe得到富集。

2．2．3SEM分析赤泥、原矿和精矿的SEM分析结果见图3。赤泥中矿物呈无序分散状态，结构较为疏松，间隙较大，含铁矿物夹杂在其他矿物中；相比赤泥，原矿中含铁矿物粒度增大，聚合程度增高，说明在还原焙烧过程中，赤泥内有大量铁核生成；精矿中含铁矿物粒度进一步增大，富集程度也升高，说明通过磁选，效果良好。

2．2．4磁性分析赤泥、原矿和精矿的质量磁化率测定结果如表7所示。赤泥的质量磁化率较低，表现为弱磁性；经过还原焙烧和磁选后，质量磁化率增加，表现为强磁性。这证实，还原焙烧可将赤泥中的弱磁性含铁矿物转化为强磁性含铁矿物。

3结论

（1）正交实验表明，拜耳法赤泥还原焙烧的最优方案：焙烧温度1080℃，焙烧时间70min，赤泥、还原剂、添加剂质量比100∶9∶7。赤泥还原焙烧后经过磁选，精矿品位平均为67．36％，富集比平均为2．52，精矿产率平均为34．01％，回收率平均为85．54％。（2）理化特性分析表明，拜耳法赤泥经过还原焙烧后，含铁矿物成分发生变化，Fe2O3转化为Fe3O4和Fe，磁性显著增强。

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作者：侯兴武 吴玉敏 黄定国 李宁波 单位：河南理工大学材料科学与工程学院