吳永峰

（神華準(zhǔn)能資源綜合開(kāi)發(fā)有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010300）

準(zhǔn)格爾礦區(qū)的煤炭含有超常富集的勃姆石[1]，經(jīng)燃煤電廠煅燒后得到高鋁粉煤灰。高鋁粉煤灰已經(jīng)作為一種潛在的鋁土礦替代資源受到越來(lái)越多人的關(guān)注。如果將這部分粉煤灰中的鋁提取出來(lái)，不僅可以緩解粉煤灰對(duì)環(huán)境污染等問(wèn)題，同時(shí)還可以緩解國(guó)內(nèi)鋁土資源不足的現(xiàn)狀，具有很大的現(xiàn)實(shí)意義。

在煤炭煅燒過(guò)程中，因煅燒溫度的不同，勃姆石會(huì)分解生成氧化鋁，氧化鋁會(huì)隨煅燒溫度的變化發(fā)生物相的轉(zhuǎn)變，氧化鋁也會(huì)與煤炭中的其他礦物成分共同作用生成新的礦物，進(jìn)而影響了粉煤灰中氧化鋁的活性。

因此，本論文研究了煤炭煅燒過(guò)程中勃姆石的高溫相變及煅燒產(chǎn)物提鋁活性的關(guān)系，找到了使煤炭中勃姆石具有最高鋁活性的煅燒條件。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)樣品和藥品

準(zhǔn)格爾礦區(qū)原煤，濃鹽酸、二甲酚橙、醋酸鋅、冰醋酸、乙二胺四乙酸、醋酸銨、氟化鉀等化學(xué)試劑，化學(xué)試劑純度為分析純。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

實(shí)驗(yàn)用品及儀器主要有高鋁坩堝、反應(yīng)釜、干燥箱、循環(huán)水式真空泵、箱式電阻爐、NEXUS 670智能型傅立葉變換紅外光譜儀、Rigaku D/max 2500 X射線衍射儀。

1.3 實(shí)驗(yàn)步驟

1.3.1 不同溫度煅燒樣品的制備

將塊狀的準(zhǔn)格爾礦區(qū)原煤粉碎，研磨至200目，稱取20g煤樣于高鋁坩堝中，放入箱式電阻爐中加熱，升溫至預(yù)設(shè)實(shí)驗(yàn)溫度，實(shí)驗(yàn)焙燒溫度分別設(shè)定為300℃、400℃、500℃、600℃、700℃、800℃、850℃、900℃、950℃、1000℃、1050℃、1100℃、1150℃、1200℃、1300℃，煅燒時(shí)間2小時(shí)，以保證煤粉能充分燃燒，最后樣品隨爐冷卻至室溫，得到不同煅燒溫度下的樣品。一部分樣品進(jìn)行X射線物相分析和紅外光譜分析，一部分樣品作為進(jìn)行鋁溶出實(shí)驗(yàn)的原料備用。

1.3.2 煤系勃姆石的鋁活性實(shí)驗(yàn)

稱取灰分5g，量取濃鹽酸20ml、去離子水10ml放入反應(yīng)釜中，將反應(yīng)釜放入烘箱中，并逐步升溫至120℃，在此反應(yīng)溫度下進(jìn)行反應(yīng)2小時(shí)，并定期對(duì)反應(yīng)釜進(jìn)行手動(dòng)搖動(dòng)，防止樣品沉底。

反應(yīng)結(jié)束后對(duì)反應(yīng)液進(jìn)行抽濾，將濾得的溶液定容到250ml的容量瓶中，測(cè)試溶液中的鋁含量；同時(shí)將濾得的殘?jiān)D(zhuǎn)移到燒杯中，放入烘箱中烘干，稱取殘?jiān)馁|(zhì)量。

重復(fù)以上試驗(yàn)步驟，分別完成300℃-1300℃煅燒樣品的鋁活性溶出實(shí)驗(yàn)。

2 結(jié)果與討論

2.1 X射線衍射分析

從圖1可以看出，原煤勃姆石在15°左右有很尖銳的峰，在300℃此峰仍然存在，但是在400℃就消失了。這說(shuō)明了勃姆石在溫度400℃發(fā)生了相轉(zhuǎn)變。從400℃開(kāi)始在40°、47°相繼出現(xiàn)了新峰，這證明了有新相生成[2]。在700℃時(shí)，40°的新峰消失，說(shuō)明此相又開(kāi)始向新相轉(zhuǎn)變。

從圖2可以看出，800℃到900℃時(shí)，25°峰先出現(xiàn)后消失；而900℃后，37°峰逐漸尖銳，說(shuō)明相的轉(zhuǎn)變?cè)谥饾u進(jìn)行，直到1100°C轉(zhuǎn)化完畢。

圖1 原煤及300℃-700℃煅燒后灰的XRD圖

從圖3可以看出，當(dāng)溫度達(dá)到1200°C時(shí)，主要物相已轉(zhuǎn)變?yōu)棣裂趸X相。

2.2 紅外光譜測(cè)試分析

1080 cm-1左右為Al-O四面體片和Al-O八面體片鍵震動(dòng)頻率范圍，800 cm-1左右為四配位Al-O鍵震動(dòng)范圍，從煅燒樣品紅外光譜圖4、5可以看出，Al-O四面體片和Al-O八面體片[3-4]鍵隨溫度的升高逐漸消失，其中700°C是一個(gè)過(guò)渡溫度，也就是說(shuō)700°C以后這兩個(gè)鍵開(kāi)始消失。這說(shuō)明了700°C開(kāi)始發(fā)生相的轉(zhuǎn)變。在1200°C 500 cm-1左右形成一個(gè)很尖銳的峰值。這是三方Al-O鍵，說(shuō)明此溫度下開(kāi)始生成了α-氧化鋁。

2.3 熱重及差熱結(jié)果分析

此實(shí)驗(yàn)采用500℃煅燒樣品進(jìn)行差熱測(cè)試。從TG和DTA曲線圖可以看出：開(kāi)始升溫的階段（低于200℃）有一部分質(zhì)量損失，這個(gè)損失是樣品吸收的水。到高溫階段質(zhì)量基本沒(méi)有變化，說(shuō)明煤在500℃就可以煅燒充分，基本可以除去所有的有機(jī)質(zhì)。同時(shí)，可以看到在680℃、900℃及1100℃左右有很明顯的放熱峰，說(shuō)明在此對(duì)應(yīng)溫度下發(fā)生了相轉(zhuǎn)變[5]，這與前面的XRD、IR測(cè)試結(jié)果相匹配。

2.4 煅燒樣品鋁活性實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論

煤系勃姆石煅燒溫度的不同，直接影響煅燒樣品中鋁的物相狀態(tài)，進(jìn)行影響鋁的溶出活性。從圖7不同煅燒溫度樣品溶出活性曲線圖可以看出，850℃之前，鋁的溶出活性相對(duì)保持在較高的水平上，并且在700℃達(dá)到最高。而隨著煅燒溫度的繼續(xù)升高，鋁的活性出現(xiàn)斷崖式的下降，這主要是由于氧化鋁物相轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的α氧化鋁相，在此酸溶條件下無(wú)法溶出。

圖2 700℃-1100℃煅燒后灰分的XRD圖

圖3 1100℃-1300℃煅燒后灰的XRD圖

圖4 300℃～700℃煅燒后灰的紅外光譜圖

圖5 700℃～1200℃煅燒后灰的紅外光譜圖

圖6 TG和DTA曲線

圖7 不同煅燒溫度樣品溶出活性曲線圖

4 結(jié)論

（1）煤中的勃姆石在煅燒過(guò)程中發(fā)生一系列相轉(zhuǎn)變，其過(guò)程下所示：

勃姆石→γ-氧化鋁→過(guò)渡型氧化鋁→α-氧化鋁。

（2）勃姆石的相轉(zhuǎn)變主要分為幾個(gè)溫度段：

300℃～700℃ 為勃姆石向γ-氧化鋁轉(zhuǎn)化的溫度段。

700℃～1100℃為γ-氧化鋁向過(guò)渡型氧化鋁轉(zhuǎn)化的溫度段。

1100℃～1300℃為過(guò)渡型氧化鋁向α-氧化鋁轉(zhuǎn)化的溫度段。

（3）煅燒溫度為700℃時(shí)，可以使粉煤灰中的氧化鋁保持最好的煅燒活性。