论文摘要
本论文对高灰分废弃焦粉采用湿法工艺脱灰制备碳质还原剂的工艺和理论进行了系统的研究。论文中首先对工业硅和电石行业用碳质还原剂进行概述,指出目前云南省工业硅和电石产业快速发展与碳质还原剂供应不足的现状之问存在的矛盾。同时归纳了焦炭作为还原剂的悠久历史,高灰分焦粉的来源和利用现状。总结了国内外现有脱灰技术的研究成果和工业应用状况,提出高灰分焦粉脱灰制备工业硅还原剂的研究方向,从而明确提出了本论文的研究意义和主要研究内容。本论文以云南地区焦化企业生产过程中产生的焦粉为研究对象,研究了焦粉中灰分杂质的存在形态及焦粉湿法脱灰热力学,据此提出了高压碱浸-常压酸浸联合浸出的焦粉脱灰技术路线,并对脱灰过程的有关的基础问题和相关机理进行了研究。（1）利用现代分析检测技术,研究了焦粉中灰分杂质元素的种类及含量、物相组成和分布特征。焦粉中主要的灰分杂质元素为Si、Al、Fe、Ca、Ti, S,通常以氧化物的形式存在于焦粉中。灰分矿物质的主要物相为石英（Quartz）、方石英（Cristobalite）、莫来石（Mullite）、赤铁矿（Hematite）、石膏（Anhydride）。焦粉中灰分矿物质大部分呈颗粒状与碳颗粒夹杂分布,少部分镶嵌于炭基体中。由于焦粉的物理性质与煤不同,利用物理方法很难使焦粉中的灰分颗粒与碳分离,化学浸出更适于去除焦粉灰分。（2）分析焦粉湿法浸出脱灰过程中的热力学规律,分别绘制了主要灰分元素Si、Al、Fe、Ca、Ti和Mg水溶物种的Igα-pH图,不同温度条件下Al-Si-H2O系的(p-pH图和Si-H2O系、Al-H2O系和Al-Si-H2O系的lg（c）-pH图。（3）从工艺角度研究了浸出剂种类及其浓度、焦粉粒度、反应温度、反应时间、液固比等多种因素对焦粉脱灰的影响。确定了合理的工艺参数为：碱浸：粒度<75μm,温度180～200℃, NaOH溶液浓度15wt.%,保温时间30min,液固比4：1～8：1,自蒸汽压；酸浸：温度90℃；H2SO4溶液浓度12wt.%；保温时间30min;液固比6：1。在此浸出条件下,进行了扩大试验,结果证明本工艺具有良好的放大效果和适用性。焦粉灰分去除率超过84%,灰分含量低于4.5%,焦粉中Si、Al、Mg去除率>85%,Ca去除率>97%,Fe去除率>70%。（4）在确定的条件下,对焦粉脱灰过程动力学进行了研究,利用“有固态产物层的固-液反应模型”建立了碱浸温度对焦粉灰分中含硅矿物和含铝矿物脱除率的动力学方程,研究Si和Al去除过程中的限制性环节。研究结果表明：Si和Al脱除反应的表观活化能分别为27.635kJ/mol和36.041kJ/mol,都属于内扩散控制。温度对含硅矿物和含铝矿物溶出率影响的动力学方程如下：Ink’si=0.51792+3.3239×103×T/1Ink’al=-1.13402+4.33495×103×T/1（5）研究了焦粉脱灰前后物理化学性质的变化,与现有工业硅和电石生产用碳质还原剂进行比较,提出脱灰焦粉在工业硅和电石生产中的应用方式。通过脱灰焦粉物理化学性质分析和还原实验证明了脱灰焦粉作为工业硅和电石生产碳质还原剂的可行性。（6）对工艺的经济性和环境影响进行了评价。经济性分析表明脱灰焦粉制备碳质还原剂生产成本为1855.25元/t,低于目前工业硅和电石生产用碳质还原剂的价格,具有比较可观的经济效益,在经济上是可行的。环境分析表明本项目产生的废水、废渣可得到很好的二次利用,对环境影响小,从环保角度考虑是可行的。（7）利用高灰分焦粉脱灰制备碳质还原剂,提高了高灰分焦粉的附加值,解决焦炭废弃堆存带来的环境问题,为工业硅和电石生产提供一种新的碳质还原剂,实现了焦煤资源的综合回收利用。