CN104649279A

CN104649279A - 一种以粉煤灰为原料制取白炭黑的工艺

Info

Publication number: CN104649279A
Application number: CN201510078402.8A
Authority: CN
Inventors: 程芳琴; 方莉; 吴海滨; 郭彦霞
Original assignee: SHANXI RUIENZE TECHNOLOGY Co Ltd; Shanxi University
Current assignee: SHANXI RUIENZE TECHNOLOGY Co Ltd; Shanxi University
Priority date: 2015-02-10
Filing date: 2015-02-10
Publication date: 2015-05-27

Abstract

本发明提供了一种以粉煤灰为原料制取白炭黑的工艺，将粉煤灰通过酸浸、过滤分离、煅烧、水溶、碳分、过滤分离、洗涤干燥等步骤制取得到白炭黑，本发明中采用的辅助原料实现了循环利用，解决了粉煤灰综合利用对环境的二次污染。本发明工艺相对于以往白炭黑生产工艺简单、反应循环周期短、生产能力高、产品质量稳定。其次本发明无废液、废渣排放，避免了对环境污染，达到环保生产的模式。同时本发明三废的循环使用，降低了生产成本和生产能耗。

Description

一种以粉煤灰为原料制取白炭黑的工艺

技术领域

本发明涉及固体废弃物综合利用技术，具体属于一种以粉煤灰为原料制取白炭黑的工艺。

背景技术

白炭黑又称水合二氧化硅、活性二氧化硅和沉淀二氧化硅，化学式SiO2·nH2O。它是一种白色、无毒、无定形微细粉状的无机硅化合物，具有多孔性、高分散性、质轻、化学稳定性好、耐高温、不燃烧、电绝缘性好等优异性能，已广泛应用于塑料、橡胶、造纸、涂料、染料和油墨等诸多领域。

白炭黑的生产有物理和化学两种方法，通常活性好且补强性能高的无定形白炭黑都采用化学法生产。化学法生产主要采用气相法、盐酸沉淀法、硫酸沉淀法，气相法生产由于能耗和原料价格较高所以发展受到一定的限制，硫酸沉淀法工艺成熟且发展很快，但不如气相法生产的白炭黑的比表面大、纯度高，不能适用于特殊领域。

由于近年来汽车及其运输业的高速发展、白炭黑生产所用原料的涨价和节能减排的要求，又使白炭黑成为橡胶行业补强材料的佼佼者。早在2007年，我国沉淀法白炭黑的产能为80万吨，产量为63万吨，已居世界第一位。2001年～2007年年均增长18.2％。据美国纳驰咨询公司所做的市场研究报告称，世界沉淀法白炭黑的市场需求量预计将以每年4％的速度递增，2015年沉淀法白炭黑需求量将达到210万吨，同期市场值将增加至25亿美元。

专利201310337070.1中提到的一种利用煤矸石提铝废渣制备白炭黑的方法。先将煤矸石提铝废渣通过掺石英砂的方法使SiO₂含量大于等于90％，Al₂O₃含量小于6％，然后按照SiO₂与碳酸钠的摩尔比1∶0.3～1加入碳酸钠，混合研磨成50～200μm的颗粒后，置于转炉熔融反应1～5小时，得到的粗硅酸钠颗粒于高压反应釜中溶解得硅酸钠溶液；将硅酸钠溶液稀释到5～15Bé，通入过程中产生的CO₂进行碳分制得白炭黑。专利201010266645.1提供了一种煤矸石燃烧灰渣提取氧化铝、氧化硅和氧化铁的方法，对煤矸石配煤煅烧灰渣采用酸法提铝、碱法提硅，专利201310062888.7提供一种由粉煤灰制备橡胶级白炭黑的方法，将高铝粉煤灰用98％烧碱80-100℃碱浸50-60min过滤分离制的硅酸钠溶液，再将硅酸钠液注入装有阳离子交换树脂的交换器中，溶液中钠离子会被交换树脂中的氢离子所置换，降低了钠离子含量，所得到的硅钠比很高的硅酸钠溶液从交换器下部流出，进行直接碳分，得到橡胶级白炭黑。

以上专利普遍存在工艺繁杂、硅提取率较低，以及难以消除三废污染等问题。其中专利201310337070.1中提到以加入石英砂提高SiO₂含量及熔融煅烧5h，增加了工业化生产的物耗和能耗；专利201010266645.1中提到的酸法提铝、碱法提硅，对生产设备要求高、工艺复杂等缺陷；专利201310062888.7中用到的高铝粉煤灰限制了原料来源。

本发明以粉煤灰为原料通过酸浸、过滤分离、煅烧、水溶、碳分、过滤分离、洗涤干燥等步骤制取白炭黑，首先解决了粉煤灰固体废弃物的堆放、占地面积大等环境污染，其次本发明为粉煤灰的综合利用开辟了一个新的研究和发展方向，最后为避免粉煤灰利用中的二次污染，本发明中采用辅助原料实现了循环利用，解决了粉煤灰综合利用对环境的二次污染。同时本发明具有设计合理、能耗低、投资少、流程简单、操作简便等优点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低能耗、低物耗、无污染的以粉煤灰为原料制取白炭黑的工艺。

为了达到以上目的，本发明采取的技术方案是：

一种以粉煤灰为原料制取白炭黑的工艺，具体包括以下步骤：

1)粉煤灰的预处理：将粉煤灰用球磨机磨细；

2)初步酸浸制取酸浸渣：磨细的粉煤灰和盐酸混合，其中盐酸浓度为20-22％，盐酸与粉煤灰的液固比为3-4∶1，100-110℃下酸浸，得到酸浸液和酸浸渣，本步骤发生的化学反应为：

Al₂O₃+6HCl→2AlCl₃+3H₂O；Fe₂O₃+6HCl→2FeCl₃+3H₂O

3)制取固体水玻璃：将酸浸渣和碳酸钠按所需水玻璃模数2.3进行配料混合(模数指混合物中二氧化硅与氧化钠的摩尔比)，混合物料在马弗炉780-850℃煅烧3h，水淬得到固体水玻璃，本步骤发生的化学反应为：

Na₂CO₃+SiO₂→Na₂SiO₃+CO₂↑

4)液体水玻璃制取：制取的固体水玻璃与软水放入高压容器，固液比按1∶3-4加入，升温至200℃，保温2h溶解，得到液体水玻璃。

5)碳分制取白炭黑：得到的液体水玻璃加软水稀释至10-12波美度，稀释后的水玻璃放入碳分反应釜加热至50-90℃时开始通入CO₂进行碳分反应，监测溶液PH达到8-9时，停止通气，过滤分离，滤饼经洗涤、干燥得到白炭黑产品，本步骤发生的化学反应为：

Na₂SiO₃+CO₂+2H₂O→Na₂CO₃+H₄SiO₄；H₄SiO₄→SiO₂+2H₂O

碳分步骤中过滤、洗涤过程产生的碳酸钠溶液经过浓缩结晶干燥制备碳酸钠进行循环利用，结晶也可用于固体水玻璃的水淬环节。

将酸浸得到的酸浸液置于聚合反应釜中，在80-85℃的时候加入铝酸钙粉进行聚合反应2h后，将物料进行过滤，得到聚合氯化铝溶液和滤渣。滤渣用于制砖等建筑材料。本步骤发生的化学反应为：

2AlCl₃+12H₂O＝Al₂(OH)_nCl_6-n+(12-n)H₂O

2FeCl₃+12H₂O＝Fe₂(OH)_nCl_6-n+(12-n)H₂O

mAl₂(OH)_nCl_6-n+_mxH₂O＝[Al₂(OH)_nCl_6-nx’H₂O]_m

mFe₂(OH)_nCl_6-n+mxH₂O＝[Fe₂(OH)_nCl_6-nx’H₂O]_m

{1≤n≤5；m≤10；x＜12}

与现有技术相比，本发明的优点和效果：

本发明以粉煤灰为原料制备白炭黑，从原料上说，以粉煤为原料减少了对自然界中矿物质的开采，同时本发明也起到废物二次利用，降低粉煤灰对环境的污染。本发明的工艺以零排放的思路进行设计，首先本发明工艺相对于以往白炭黑生产工艺简单、反应循环周期短、生产能力高、产品质量稳定。其次本发明无物废液、废渣排放，避免了对环境污染，达到环保生产的模式。同时本发明三废的循环使用，降低了生产成本和生产能耗。

附图说明

图1为粉煤灰碳分法制备白炭黑工艺流程图；

图2为山西某地高铝粉煤灰的化学成分分析结果(WB％)表；

图3为白炭黑产品的各项指标表；

图4为聚合氯化铝产品的化学成分分析结果表。

具体实施方式

实施例1

1、山西某地粉煤灰化学成分分析结果见图2，将粉煤灰磨细至80目

2、将磨细后的粉煤灰与质量分数为22％的盐酸，按质量比为1∶3混合均匀，加热至110℃，在此温度下反应2h，反应结束后过滤分离，滤饼为脱铝粉煤灰，滤液用于制取聚合氯化铝。

3、取100g脱铝粉煤灰与40.15g碳酸钠均匀混合，混合后的150g物料经马弗炉780℃低温煅烧3h，水淬降温得到固体水玻璃128.4g。

4、将步骤(3)得到的128.4g固体水玻璃放入高压容器，加入软水386ml，加热到200℃保温2h，得到液体水玻璃455ml。

5、将步骤(4)得到的455ml水玻璃稀释到12波美度后放入碳化反应釜，加热到50℃时，通入CO₂气体，气体流量为40ml/min，进行碳化反应，随时监测碳化过程中的PH值，当PH值达到9时停止反应，过滤分离，滤饼洗涤3次，在105℃烘箱干燥得到白炭黑产品(各项指标结果见图3)，过滤产生的滤液和洗涤产生的洗涤液经浓缩结晶制取纯碱用于循环使用。

6、将步骤(2)中的滤液放入聚合反应釜中加热到80-85℃，加入铝酸钙粉，进行聚合反应2h，过滤后得到的滤液为产品聚合氯化铝溶液(化学分析结果见图4)，得到的滤渣用于制砖。

Claims

1.一种以粉煤灰为原料制取白炭黑的工艺，其特征在于，具体包括以下步骤：

1)将粉煤灰磨细；

2)将磨细的粉煤灰和盐酸混合，所述的盐酸浓度为20-22％，盐酸与粉煤灰的液固比为3-4∶1，100-110℃下酸浸，得到酸浸液和酸浸渣；

3)将酸浸渣和碳酸钠按所需水玻璃模数2.3进行配料混合，混合物料在马弗炉780-850℃煅烧3h，水淬得到固体水玻璃；

4)按固液比1∶3-4将固体水玻璃与软水加入高压容器，升温至200℃，保温溶解2h，得到液体水玻璃；

5)得到的液体水玻璃加入软水稀释至10-12波美度，放入碳分反应釜加热至50-90℃时开始通入CO₂进行碳分反应，监测溶液PH达到8-9时，停止通气，过滤分离，滤饼经洗涤、干燥得到白炭黑产品。

2.如权利要求1所述的一种以粉煤灰为原料制取白炭黑的工艺，其特征在于，所述步骤2)中的酸浸温度为110℃。

3.如权利要求1所述的一种以粉煤灰为原料制取白炭黑的工艺，其特征在于，所述步骤3)中煅烧温度为780℃。

4.如权利要求1所述的一种以粉煤灰为原料制取白炭黑的工艺，其特征在于，所述步骤5)中硅酸钠溶液稀释至12波美度，置于碳化反应釜中，在50℃条件下通入CO₂，至pH值降低至9时终止反应。

5.如权利要求1-4所述的一种以粉煤灰为原料制取白炭黑的工艺，其特征在于，所述步骤2)得到的酸浸液置于聚合反应釜中，在80-85℃时加入铝酸钙粉进行聚合反应，反应2h后，将物料进行过滤，得到聚合氯化铝溶液和滤渣，聚合氯化铝溶液进一步制备成聚合氯化铝。

6.如权利要求5所述的一种以粉煤灰为原料制取白炭黑的工艺，其特征在于，所述的滤渣用于制砖。

7.如权利要求1-4所述的一种以粉煤灰为原料制取白炭黑的工艺，其特征在于，所述步骤5)中过滤、洗涤过程产生的碳酸钠溶液经过浓缩结晶干燥制备碳酸钠。

8.如权利要求1-4所述的一种以粉煤灰为原料制取白炭黑的工艺，其特征在于，所述步骤5)中过滤、洗涤过程产生的碳酸钠溶液经过浓缩结晶用于制备固体水玻璃的煅烧环节。