粉煤灰是火力发电厂燃煤锅炉排出的一种工业废渣，是目前世界上排放量最大的工业固体废弃物之一，不仅严重污染环境，而且还占用土地。一般说来，每燃烧1t煤，就能产出250～300kg的粉煤灰。长期以来，粉煤灰作为燃煤电厂的主要污染源，严重影响了燃煤电厂周围居民的日常生活，同时，它对周边的自然环境也产生了巨大的影响。粉煤灰是工业固体废弃物，但同时又是巨大的可再生资源。因此如果能对粉煤灰中有用组分加以利用，一方面，可以解决粉煤灰带来的占用土地、污染环境等问题，缓解粉煤灰废置给环境带来的压力，同时也可以使之成为一种廉价的再生资源。粉煤灰中一般含有15%～55%的氧化铝，如果能合理加以利用，将是一种很好的氧化铝资源。
一、试样原及方法
试样为某燃煤电厂湿排粉煤灰，选铁后试样的化学成分见表1。
表1 粉煤灰化学成分（质量分数）%
|
SiO2 |
Al2O3 |
TFe |
烧失量 |
其他 |
|
44.78 |
30.10 |
4.70 |
11.78 |
8.64 |
试验利用碳酸钠及生石灰与粉煤灰在一定的温度下进行烧结，考察烧结剂种类、烧结机协同作用。烧结温度、烧结时间、碱比、钙比等因素对粉煤灰中氧化铝溶出率的影响。并对影响烧结过程的因素进行正式试验，从而对烧结过程的条件进行优化，得出最佳的粉煤灰提取氧化铝的烧结工艺条件。烧结熟料用80g／L的氢氧化钠稀溶液在100℃条件下溶出5min，赤泥先用8g／L氢氧化钠稀溶液洗涤两次，然后用100℃热水洗涤一次，溶出的铝酸钠溶液经过滤弃赤泥后经盐酸化测定溶出的氧化铝含量。
二、试验结果与讨论
（一）烧结剂种类对粉煤灰中Al2O3溶出率的影响
将粉煤灰与碳酸钠和生石灰以质量比为1∶1分别进行混合，在一定的温度进行烧结，考察粉煤灰烧结熟料中氧化铝溶出率随烧结温度的变化。烧结剂种类对粉煤灰中氧化铝溶出率的影响结果如图1所示。
图1 烧结剂种类对粉煤灰中氧化铝溶溶出率的影响
从图1可以看出，随着温度的升高，碳酸钠和生石灰的烧结结果逐渐变好。但随着温度的升高，利用碳酸钠进行烧结时，粉煤灰烧结熟料中氧化铝溶出率增长速度要快得多，而利用生石灰烧结时，其氧化铝溶出率随温度增长及其缓慢。采用碳酸钠和生石灰作为烧结剂，在700℃时，粉煤灰中氧化铝溶出率分别只有23.88%和9.95%；850℃时，粉煤灰中氧化铝溶出率分别增加到了77.53%和16.28%。
（二）烧结剂的协同作用
试验中采用碳酸钠与生石灰进行协同作用试验，主要考虑烧结生料中的碱比、钙比。烧结温度及烧结时间等因素对粉煤灰中氧化铝溶出率的影响。
1、碱比低粉煤灰烧结熟料中氧化铝溶出率的影响
碱比对粉煤灰中氧化铝溶出率的影响如图2所示。试验条件钙比0.5∶1，烧结温度850℃，烧结反应时间30min。
图2 生料中碱比对粉煤灰中氧化铝溶出率的影响
从图2看出，碳酸钠与氧化钙混合烧结剂与粉煤灰进行烧结时，生料中碱比对粉煤灰烧结熟料中氧化铝溶出率的影响很大。当碱比1∶1、钙比0.5∶1，在850℃条件下烧结30min，粉煤灰中的氧化铝只有23.22%被溶出，而当碱比为3∶1在同样条件下进行烧结时，却有68.71%的氧化铝被溶出。这与利用碳酸钠烧结时的反应机理有关，碱石灰烧结时，粉煤灰中的氧化铝与碳酸钠主要发生以下反应：
Al2O3＋Na2CO3→NaO·Al2O3＋CO2↑
当提高生料中碱比时，相当于增大生料中氧化铝与碳酸钠的接触面积及烧结剂的过饱和度，有利于提高粉煤灰中氧化铝与碳酸钠的反应速率。因此碱比高的生料可以在相同的烧结条件下溶出粉煤灰中更多的氧化铝。
2、钙比对粉煤灰烧结熟料中氧化铝溶出率的影响
钙比对粉煤灰烧结熟料中氧化铝溶出率的影响结果如图3所示。试验条件碱比3∶1，烧结温度850℃，烧结反应时间30min。
图3 钙比对粉煤灰中氧化铝溶出率的影响
图3表明利用碳酸钠与氧化钙的混合物与粉煤灰进行烧结时，生料中的钙比对粉煤灰烧结熟料中氧化铝溶出率有较大影响。当生料中钙比0.25∶1、碱比3∶1，在850℃条件下烧结30min时，粉煤灰中有65.78%氧化铝被溶出，随着生料中钙比的增大，粉煤灰烧结熟料中氧化铝溶液出率也随之增大，粉煤灰烧结熟料中氧化铝溶出增大到72.21%。但随着生料中钙比的进一步增大，粉煤灰中氧化铝溶出率反而减小。适量的氧化钙可以促进烧结过程的进行，有利于粉煤灰中氧化铝的溶出。而当生料中氧化钙过量时，则过量的氧化钙反而阻碍粉煤灰中氧化铝的溶出。
3、烧结温度对粉煤灰中氧化铝溶出率的影响
烧结温度对粉煤灰烧结熟料中氧化铝溶出率的影响如图4所示。试验条件碱比3∶1、钙比1∶1、烧结时间为30min。
图4 烧结温度对粉煤灰中氧化铝溶出率的影响
图4表明随着烧结温度的升高，粉煤灰烧结熟料中氧化铝溶出率迅速增大。当碱比3∶1、钙比1∶1的生料在700℃条件下烧结30min，粉煤灰烧结熟料中氧化铝溶出率仅为27.68%，在850℃时，粉煤灰中氧化铝溶出率为72.21%。资料表明，碳酸钠与氧化铝在500～700℃才开始反应，800℃才能感应完全，提高温度反应加快，在1100℃下在60min内可以完成。
4、烧结时间对粉煤灰中氧化铝溶出率的影响
烧结时间对粉煤灰烧结熟料中氧化铝溶出率的影响如图5所示。其中碱比3∶1、钙比1∶1、烧结温度为850℃。
图5 烧结时间对粉煤灰中氧化铝溶出率的影响
从图5可以看出，烧结时间对粉煤灰烧结熟料中氧化铝溶出率的影响较小。当烧结时间为30min时，粉煤灰中氧化铝溶出率为72.21%，随着时间的增长，氧化铝溶出率出率增长缓慢，即使将烧结时间延长到120min，溶出率也仅为73.82%。这说明利用碱石灰烧结法溶出粉煤灰中氧化铝时，当生料中碱比3∶1、钙比1∶1时，物料在850℃条件下烧结30min已经能溶出粉煤灰中能够溶出的绝大部分氧化铝，而不能溶出的那部分氧化铝在该条件下是惰性的。
（三）烧结反应的正交试验
对烧结过程进行正交试验，考察粉煤灰烧结过程中各因素对粉煤灰中氧化铝溶出率的影响，以及确定烧结过程的各种药剂用量的最佳配比。
试验利用碳酸钠与氧化钙的混合物作为烧结剂进行烧结反应的正交试验。正交试验因素水平表如表2。
表2 正交试验因素水平
|
水平 |
因素 |
|||
|
碱比 |
钙比 |
烧结温度℃ |
烧结时间min |
|
|
1 |
1∶1 |
2∶1 |
750 |
30 |
|
2 |
2∶1 |
1∶1 |
800 |
60 |
|
3 |
3∶1 |
0.5∶1 |
850 |
90 |
根据表2试验采用L9（34）正交试验表，方案设计及试验结果见表3。
表3 烧结过程正交试验方案及试验结果
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编号 |
因素 |
Al2O3 |
|||
|
碱比 |
钙比 |
烧结温度℃ |
烧结时间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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从表3中可以看出，各种因素对粉煤灰烧结熟料中氧化铝溶出率影响大小顺序为：碱比＞烧结温度＞钙比＞烧结时间。因此，在该烧结过程中要特别控制生料中碳酸钠的用量。通过对利用碳酸钠与氧化钙的混合物作为烧结剂的烧结过程进行方案优化，得到最佳工艺为：碱比碱比3∶1、钙比1∶1，850℃条件下烧结30min，在此条件下Al2O3浸出率可以达到72.21%。
三、结论
（一）随着温度升高，碳酸钠和生石灰的烧结效果逐渐变好。但随着温度升高，利用碳酸钠进行烧结时，粉煤灰烧结熟料中氧化铝溶出率增长速度要快得多，而利用生石灰烧结时，其氧化铝溶出率随着温度增长及其缓慢。
（二）碳酸钠与氧化钙的混合物作为烧结剂，在烧结过程中的主要影响因素为碱比，其次为烧结温度和钙比，影响最弱的是烧结时间。
