一種利用煤矸石酸浸渣生產高模數水玻璃的方法
2023-05-08 09:17:21
專利名稱：一種利用煤矸石酸浸渣生產高模數水玻璃的方法
技術領域：
本發明涉及一種利用煤矸石酸浸渣生產高模數水玻璃的方法，屬於煤系固體廢棄物資源化利用技術領域。
背景技術：
我國是一個以煤炭為主要能源的發展中國家，在一次能源消耗中，煤炭佔70%以上，煤矸石是採煤過程和洗煤過程中排放的固體廢物，是一種在成煤過程中與煤層伴生的一種含碳量較低、比煤堅硬的黑灰色巖石。其主要成分是A1203、SiO2,另外還含有數量不等的F%03、CaO, MgO、Na2O, K2O, P2O5> SO3和微量稀有元素。其排放量相當於當年煤炭產量的 10%左右，目前已累計堆存45億噸，佔地約12萬公頃，是目前我國排放量最大的工礦業固體廢棄物之一。以堆存為主的煤矸石給周邊環境造成了嚴重的汙染和埋下更大的安全隱患，高效、綜合利用煤矸石已成為各級政府和企業的共識，雖然煤矸石的應用途徑很多，但由於煤矸石產地都在偏遠的山區，其利用深受到運輸半徑的制約，目前為止，最為有效的利用途徑採用適當的燃燒溫度，回收熱量發電同時對燒渣中的有效成份進行綜合利用。水玻璃是矽酸鈉的水溶液，呈粘稠狀，也稱泡花鹼，是一種無機粘合劑，水玻璃的用途非常廣泛，幾乎遍及國民經濟的各個部門，廣泛用於製造矽膠、白炭黑、沸石分子篩及各種矽酸鹽類產品，是矽化合物的基本原料，也是紡織、機械、建築、農業等的基礎工業原料。在經濟發達國家，其深加工系列產品已發展到50餘種，部分已應用於高、精、尖科技領域。其生產方法分幹法(固相法)和溼法(液相法)兩種。幹法生產是將石英砂和純鹼按一定比例混合後在反射爐中加熱到1400 °C左右，生成熔融狀矽酸鈉；溼法生產是將燒鹼水溶液和石英粉在高壓釜內共熱直接生成水玻璃，經過濾濃縮得成品水玻璃。上述兩種方法一是能耗高，二是需高溫高壓設備，且溼法難以生產高模數水玻璃。尋求工藝簡單、能耗低、 操作方便的水玻璃生產技術路線是未來的發展方向。煤矸石酸浸渣是煤矸石經煅燒回收熱量、殘渣酸處理提鋁後的固體廢棄物，是原料中Al203、Si&的礦物組成結構，酸浸渣中Al2O3含量<8%，SiO2在75 85%之間。殘餘鋁主要以長石類礦物存在，矽則以長石、α型SiO2和無定型的活性SiO2三種方式存在，無定型SiO2含量的多少，主要取決於原料煤矸石中高嶺土中矽所佔比例。採用酸渣製備水玻璃，由於酸浸渣中SiO2主要以無定型物存在，反應活性好，故其工藝簡單，操作條件溫和，無需高溫高壓設備，但所製備的水玻璃模數低，使其在推廣應用上受到了很大限制，如專利CN101259965 —種煤矸石製取水玻璃的方法，經沸騰爐煅燒的煤矸石，用鹽酸進行酸浸，過濾分離後的酸浸渣用液體燒鹼生產水玻璃，該專利的問題是所生產的水玻璃模數低。為了提高水玻璃模數，通常採用高溫高壓的辦法，如專利 CN101993087A 一種粉煤灰製取水玻璃的方法是用酸處理粉煤灰，除去酸可溶性物質獲得殘渣，所得的殘渣加入燒鹼溶液，在一定壓力和溫度下反應，得矽酸鈉溶液(水玻璃)，該專利的問題是需用壓力設備、工藝複雜；還有的方法是用矽凝膠來提高水玻璃模數，如專利 CN1030216溼法制高模數水玻璃的方法是將溼法製備的低模數水玻璃與稀硫酸反應經處理後得到一種矽酸膠凍，再將此矽酸膠凍與低模數水玻璃進行調配得到高模數水玻璃，該專利的問題是生產工藝複雜、成本高，存在二次汙染。由於煤矸石酸浸渣製備水玻璃存在著產品模數低的問題，與之相關的專利較少， 主要專利集中於製備白炭黑，水玻璃僅作為中間產品，均未涉及如何提高模數的問題。經文獻檢索，未見採用煤矸石酸浸渣直接生產高模數水玻璃的公開報導。
發明內容
本發明的目的在於克服現有技術的不足，而提供一種利用煤矸石酸渣常壓下直接生產高模數水玻璃的方法，為高模數水玻璃的生產開闢新的原料資源，同時也為煤矸石綜合利用提供技術保障。本發明的技術方案是利用煤矸石酸浸渣生產高模數水玻璃的方法總體上分兩步進行，首先利用燒鹼溶出煤矸石酸浸渣中的矽，此時鹼過量，以保證矽的溶出率；然後把酸渣加入鹼溶過濾液用以提高模數，提模後的酸渣返回鹼溶；正常生產時，酸渣流向按先提模後鹼溶的路線進行。具體的工藝步驟包括
(1)選用含Al2O3^ 8%，SiO2彡75%的煤矸石酸浸渣為原料，破碎粒度要求為過0. 083 方孔篩篩餘量小於10%目；
(2)鹼溶反應後水玻璃的模數，即SW2和妝20的摩爾比設定為2，按所需模數及酸渣中 SiO2W摩爾含量稱取燒鹼，直接加入煤矸石酸浸渣並混合均勻，再加水調整液固重量比為 3 4 :1，然後在90 95°C溫度和常壓條件下，反應1 池，趁熱過濾，並用一洗水置換濾餅，併入濾液中；
(3)根據步驟(2)所得低模數水玻璃的總量和模數，及最終生產的高模數水玻璃的模數，配製所需的新鮮煤矸石酸浸渣量，低模數水玻璃與酸浸渣混合後，在90 95°C溫度和常壓條件下，進行提模反應0. 5 lh，趁熱過濾，即得高模數水玻璃產品。所述步驟(2)中，低模數水玻璃的模數設為2，燒鹼的用量，則根據煤矸石酸浸渣中S^2的含量和設定低模數水玻璃模數確定。所述步驟(2)的濾餅採用逆流洗滌，一洗液作置換液併入濾液中，二洗液變為一洗液，三洗液變為二洗液，依此類推，最後用酸浸渣幹基等重量的清水洗滌。所述步驟(3)所產生的濾渣，可作為(2)的反應原料，補加新的酸浸渣後，繼續重複鹼溶步驟(2 )，製備低模數水玻璃。本發明中，煤矸石燒渣經酸浸後，無定型氧化鋁轉化為硫酸鹽，矽則以長石、α型 SiO2和無定型的活性SiA三種方式存在。無定型SiA含量的多少，取決於原料煤矸石中高嶺土所佔比例、組成和酸浸反應鋁的浸出率。所得的無定型的氧化矽，具有良好的反應活性，與燒鹼反應後以矽酸的鈉鹽形式溶出。鹼溶過程中，由於所得水玻璃模數選擇低，即鹼過量，保證了矽的高溶出率。提模時，則根據所得低模數水玻璃的模數和最終水玻璃模數來確定酸渣添加量。本發明相關反應式如下
鹼溶反應:nSi02+2Na0H = Na2O. nSi02+H20 ； 提模反應:NaO. nSi02 + xSiO2=NaO. ySi02 ； 本發明所用的設備均為現有的公知設備。
本發明與現有技術相比，具有如下優點和積極效果
1、鹼溶反應時水玻璃模數設定為2，保證了酸渣中矽的溶出率和良好的過濾性能。2、鹼溶反應濾餅採用逆流洗滌，保證了洗滌效果和矽收率。3、提模時可根據水玻璃模數和含量確定提模用酸渣量和液固比。4、提模反應物只需過濾，不用洗滌，生產效率高。5、提模後的水玻璃可用作產品銷售或作原料用於後繼加工。6、生產的水玻璃模數最高可達4. 6，通過調整酸浸渣用量，可任意生產不同模數的工業水玻璃，滿足不同行業的需要，為高模數水玻璃的生產開闢新的原料資源，同時也為煤矸石綜合利用提供了技術保障。
圖1為本發明的工藝流程示意圖。具體實施方法
以下結合附圖和實施例對本發明作進一步闡述，但本發明的內容不限於所述範圍。取含Al2O3 ^ 8%，SiO2 ^ 75%的酸渣，預先設定鹼溶反應水玻璃模數，按酸渣中的 SiO2含量配燒鹼，加水調整液固比，然後進行鹼溶反應生產低模數水玻璃，趁熱過濾，過濾液再加新鮮酸浸渣進行提模反應，濾液作為產品或作原料進行後繼加工，提模濾渣返回鹼溶繼續製備低模數水玻璃。實施例1 取A1203、SiO2質量含量分別為3. 67%和81. 32%的酸渣作為原料。1、第一次鹼溶
設定鹼溶反應為水玻璃模數為2，取酸渣2000g於10000ml的三口燒瓶中，加鹼2168g， 水3832g，配成液固比為3:1的溶液，將三口燒瓶放入水浴鍋內，控制三口燒瓶內溫度為 95°C，常壓下反應lh，趁熱過濾，用IOOOml水進行置換，併入濾液中，用9000ml水分三次洗滌濾餅。一洗液用於下次配鹼，不足部分用二洗液，其餘洗滌用於下次鹼溶洗滌。得濾液 5210ml，重量為6148g，經分析濾液水玻璃模數為2.41，SiO2含量為1351g，矽的溶出率為 83. 07%。2、第一次提模
在上述1的濾液中加2500g酸渣，反應溫度為90°C，反應40min後趁熱過濾，得濾液 4636ml，重量為5720g，濾渣折幹基重2105g，SiO2含量67. 55%，經分析濾液水玻璃模數為 3 · 53ο3、第二次鹼溶
以2的濾渣為原料，設定鹼溶水玻璃模數為1. 8，加鹼2106g，加1的洗滌液配成液固比為3 :1的溶液，按在上述按1的方法操作，得濾液5345ml，重量為5880g，經分析濾液水玻璃模數為2. 07，SiO2含量為1475g，矽的溶出率為83. 12%。4、第二次提模
在上述3的濾液中加2500g酸渣，反應溫度為90°C，反應55min後趁熱過濾，得濾 5295ml，重量為6236g，濾渣折幹基重2035g，SiO2含量69. 30%,經分析濾液水玻璃模數為 3. 36ο按上述方法依次循環，通過分析提模後煤矸石渣中SW2含量，調整鹼溶用鹼量，以維持鹼溶反應矽的高溶出率和提模後水玻璃模數達到所需要求。實施例2 取A1203、SiO2質量含量分別為6. 0%和83. 7%的酸渣作為原料。1、第一次鹼溶
設定鹼溶反應為水玻璃模數為2，取酸渣2000g於10000ml的三口燒瓶中，加鹼2232g， 水4768g，配成液固比為3.5 :1的溶液，將三口燒瓶放入水浴鍋內，控制三口燒瓶內溫度為 92°C，反應1.證，趁熱過濾，用IOOOml水進行置換，併入濾液中，用9000ml水分三次洗滌。 一洗液用於下次配鹼，不足部分用二洗液，其餘洗滌用於下次鹼溶洗滌。得濾液6310ml，重量為7005g，經分析濾液水玻璃模數為2. 12，SiO2含量為1410g，矽的溶出率為84.2、第一次提模
在上述1的濾液中加2500g酸渣，反應溫度為95°C，反應30min後趁熱過濾，得濾液 5672ml，重量為6330g，濾渣折幹基重2020g，SiO2含量68. 42%，經分析濾液水玻璃模數為 3 · 52ο3、第二次鹼溶
以2的濾渣為原料，設定鹼溶水玻璃模數為1. 8，加鹼1842g，加1的洗滌液配成液固比為3. 5 :1的溶液，按在上述按1的方法操作，得濾液6560ml，重量為6210g，經分析濾液水玻璃模數為1.92，SiO2含量為1161g，矽的溶出率為84. 0%。4、第二次提模
在上述3的濾液中加2500g酸渣，反應溫度為95 °C，反應40min後趁熱過濾，得濾 6631ml，重量為72^g，濾渣折幹基重2008g，SiO2含量69. 66%，經分析濾液水玻璃模數為 3. 48。按上述方法依次循環，通過分析提模後煤矸石渣中SW2含量，調整鹼溶用鹼量，以維持鹼溶反應矽的高溶出率和提模後水玻璃模數達到所需要求。實施例3 取A1203、SiO2質量含量分別為7. 8%和75%的酸渣作為原料。1、第一次鹼溶
設定鹼溶反應為水玻璃模數為2，取酸渣2000g於10000ml的三口燒瓶中，加鹼2000g， 水6000g，配成液固比為4:1的溶液，將三口燒瓶放入水浴鍋內，控制三口燒瓶內溫度為 90°C，反應2. 0h，趁熱過濾，用IOOOml水進行置換，併入濾液中，用9000ml水分三次洗滌。 一洗液用於下次配鹼，不足部分用二洗液，其餘洗滌液用於下次鹼溶洗滌。得濾液7750ml， 重量為8835g，經分析濾液水玻璃模數為2. 20，SiO2含量為1278g，矽的溶出率為85.2、第一次提模
在上述1的濾液中加2500g酸渣，反應溫度為90°C，反應30min後趁熱過濾，得濾液 7008ml，重量為7330g，濾渣折幹基重2020g，SiO2含量63. 45%，經分析濾液水玻璃模數為3. 46。3、第二次鹼溶
以上述2的濾渣為原料，設定鹼溶水玻璃模數為1. 8，加鹼1733g，加上述1的全部一洗及部分二洗滌液配成液固比為4 1的溶液，按上述1的方法操作，得濾液8460ml，重量為 8510g，經分析濾液水玻璃模數為1. 95，SiO2含量為1070g，矽的溶出率為83. 3%。4、第二次提模
在上述3的濾液中加2500g酸渣，反應溫度為90°C，反應50min後趁熱過濾，得濾8131ml，重量為8228g，濾渣折幹基重2115g，SiO2含量71. 66%，經分析濾液水玻璃模數為 3. 48。 按上述方法依次循環，通過分析提模後煤矸石渣中S^2含量，調整鹼溶用鹼量，以維持鹼溶反應矽的高溶出率和提模後水玻璃模數達到所需要求。
權利要求
1.一種利用煤矸石酸浸渣生產高模數水玻璃的方法，其特徵在於具體的工藝步驟為(1)選用含Al2O3和SiA的煤矸石酸浸渣為原料，破碎粒度要求為過0.083方孔篩篩餘量小於10%目；(2)鹼溶反應後水玻璃的模數，即SiA和Nii2O的摩爾比設定2，按所需模數及酸渣中 SiO2W摩爾含量稱取燒鹼，直接加入煤矸石酸浸渣並混合均勻，再加水調整液固重量比為 3 4 :1，然後在90 95°C溫度和常壓條件下，反應1 池，趁熱過濾，並用一洗水置換濾餅，併入濾液中；(3)在步驟(2)所得濾液中添加適量的煤矸石酸浸渣，在90 95°C溫度下，進行提模反應0. 5 lh，趁熱過濾，得高模數水玻璃溶液產品。
2.根據權利要求1所述利用煤矸石酸浸渣生產高模數水玻璃的方法，其特徵在於煤矸石酸浸渣中含Al2O3彡8%, SiO2彡75%。
3.根據權利要求1所述利用煤矸石酸浸渣生產高模數水玻璃的方法，其特徵在於所述步驟(2)中，燒鹼用量是根據煤矸石酸浸渣中S^2的摩爾含量和設定的水玻璃模數共同確定，設定值偏小，以確保鹼溶反應後氧化矽的收率> 80%。
4.根據權利要求1所述利用煤矸石酸浸渣生產高模數水玻璃的方法，其特徵在於所述步驟(3)中，煤矸石酸浸渣的添加量根據步驟(2)所得水玻璃模數和量及提模後需要達到的水玻璃模數來確定。
5.根據權利要求1所述的利用煤矸石酸浸渣生產高模數水玻璃的方法，其特徵在於 所述步驟(3)所產生的濾渣，可作為生產低模數水玻璃酸浸渣原料，再重複鹼溶步驟(2)和提模步驟(3 )，繼續製備高模數水玻璃。
6.根據權利要求1所述的利用煤矸石酸浸渣生產高模數水玻璃的方法，其特徵在於 對所述步驟(2)的濾渣洗滌，採用逆流洗滌，一洗液作置換液併入濾液中，二洗液變為一洗液，三洗液變為二洗液，依此類推，最後用酸浸渣幹基等重量的清水洗滌。
全文摘要
本發明涉及一種利用煤矸石酸浸渣生產高模數水玻璃的方法，屬於煤系固體廢棄物資源化利用技術領域。選用含Al2O3≤8%，SiO2≥75%的煤矸石酸浸渣為原料，按酸渣中SiO2的摩爾量配燒鹼，加水調整反應液固比，在90～95℃溫度和常壓下，進行鹼溶反應，反應結束，趁熱過濾，得低模數水玻璃，在低模數水玻璃中再加入煤矸石酸浸渣，在相同操作條件下，進行提模反應，反應終了，趁熱過濾，得高模數水玻璃。該方法鹼溶時生產的水玻璃模數低，保證了鹼溶時矽的高溶出率和濾餅良好的過濾、洗滌性能，鹼溶水玻璃模數的提高用繼續添加酸渣來實現，提模後的酸渣過濾後直接返回鹼溶，不需洗滌。本發明反應條件溫和、工藝簡單、操作方便，不涉及高溫、高壓設備，同時解決了煤矸石製備水玻璃模數低的問題。
文檔編號B09B3/00GK102344148SQ20111020944
公開日2012年2月8日 申請日期2011年7月26日 優先權日2011年7月26日
發明者夏舉佩, 張召述, 秦嶺, 谷立軒 申請人:昆明理工大學