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结晶氯化铝；煤矸石；焙烧；酸化
在工业废渣中，煤炭工业废渣排放量位居第一，而其中最主要的是煤矸石，它的排放量达到原煤产量的30%〔1〕.一般每采1 t原煤排矸石0.2 t左右.据统计，全国各煤矿共有煤矸石13. 3×108 t.年产生20×104 t煤矸石的厂矿有近百家,产生100×104 t以上者也有十几家〔2〕.目前我国煤炭企业每年排出矸石达二亿吨，加上历年来积存的十多亿吨，数量相当大.煤矸石弃置不用，不仅要占用大片土地，还可能因硫化物的逸出污染大气、农田和水质；矸石山的自燃会引发火灾，或在雨季崩塌，淤塞河流，造成危害.所以如何合理处置煤矸石是一很重要的课题.煤矸石及其化学成分
煤矸石是在煤的开采和洗选过程中（洗选出来的也称洗矸）分离出来的一种含碳量较低、比煤坚硬的黑灰色岩石.它实际上是含碳岩石和其它岩石的混合物.
煤矸石的化学成分随成煤地质年代、环境、地壳运动状况和开采加工方式不同而有较大的波动范围.但同一矿区的同一煤层，煤矸石的化学成分，一般相对稳定.表1是我国部分煤矿所排矸石（未燃）的化学成分.可以看出，各种矸石化学成分配制上有相似处，即SiO2、Al2O3、Fe2O3含量都比较高，特别是前二种含量最高.
表1 未燃煤矸石的化学成分（%）〔3〕
矸石的来源与种类 SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO SO3 SiO2+Al2O3
大同混矸 48.80 13.52 3.27 0.41 0.63 1.22 6.32
阳泉混矸 45.85 22.67 3.80 3.17 1.39 3.01 68.52
太原碳质页岩 37.60 12.61 9.02 2.03 0.81 1.71 50.21
太原泥质页岩 45.34 33.49 0.93 0.31 0.50 0.12 78.83
太原砂质页岩 55.16 21.56 4.53 1.03 0.47 66.72
盂县清城混矸 45.71 36.89 0.47 0.24 0.35 0.65 82.86
太原混矸 46.90 20.46 5.29 1.14 0.44 63.36
利用煤矸石提取聚合氯化铝，是其资源化进程的一项主要内容，具有明显的经济效益、社会效益、环境效益.
1 聚合氯化铝净水机理及性能特点
聚合氯化铝，又称碱式氯化铝或羟基氯化铝，简写为PAC，是三氯化铝和氢氧化铝的复合盐，化学通式为Aln(OH)mCl2n-m.聚合氯化铝是一种无机高分子化合物，其组成随原料及制作条件的不同而异，非单一固定的分子结构，而由各种络合物混合而成.属可水解阳离子的无机盐类，具有使胶粒脱稳和吸附架桥作用，是水质的混凝处理中首选混凝剂.
1.1 净水机理
水质的混凝处理,是向水中加入混凝剂,通过水解产物压缩水中胶体颗粒的扩散层,达到胶粒脱稳而相互聚结;或者通过混凝剂的水解和缩聚反应形成高聚物的强烈吸附架桥作用,使胶粒被吸附粘结.
混凝处理包含了凝聚和絮凝二个阶段,凝聚阶段形成较小的微粒,再通过絮凝以形成较大的絮粒.在絮粒形成过程中,不但能吸附悬浮颗粒,还能吸附一部分细菌和溶解物质.在一定的沉淀条件下,絮粒从水中分离沉降出来.
1.2 性能特点
聚合氯化铝有液体和固体产品氧化铝的含量：固体中为43～46%，液体中为8～10%，与硫酸铝比较，Al2O3成分含量高，投量少，药耗省，成本低；pH值在5.0～9.0范围内均适用，投加时最低配制浓度为5%，其絮凝体到密且大，形成快，易于沉降.
聚合氯化铝在投加使用中作方便,腐蚀性较小;处理水碱度降低少,对低温低浊和污染原水的处理效果较好.在众多混凝剂中应用最为广泛和普遍.
2 煤矸石生产聚合氯化铝的工艺
2.1 基本工艺
用煤矸石生产聚合氯化铝,有热分解、喷雾选粒、溶液干燥三种工艺.其中喷雾选粒工艺具有工艺短、质量好、易控制、整个工艺能连续化、自动化等优点.
喷雾选粒工艺是将矸石与反应，得到氯化铝母液，母液通过雾化器的作用，喷洒成极细小的雾状液滴，这些液滴同载热体均匀混合，在瞬间进行热交换，使水分解时蒸发形成固体，然后在同一装置内进行热分解，得到单体，单体加水聚合产生固体聚合氯化铝.
本文重点介绍结晶氯化铝的生产工艺,结晶氯化铝水解即可得到聚合氯化铝.
2.2 结晶氯化铝的生产工艺
结晶氯化铝是以煤矸石和化工工业副产为主要原料，经过破碎、焙烧、磨碎、酸浸、沉淀、浓缩和脱水等生产工艺而制成.
结晶氯化铝分子式为AlCl36H2O，外观为浅黄色结晶颗粒，易溶于水，是一种新型净水剂.制取结晶氯化铝的煤矸石要求含铝量较高，含铁量较低.其生产工艺流程如图1.
(1) 煤矸石的破碎、焙烧
煤矸石在酸浸前须经焙烧，脱掉附着水和结晶水，改变晶体结构使之活化，以利酸洗.焙烧的方法是将煤矸石经破碎（粒度小于8mm）后送至沸腾炉，使其在700±50℃温度下焙烧0.5～1h.
(2) 磨细、酸洗、氯化
将焙烧后的煤矸石渣排到凉渣场自然冷却，送入球磨机磨碎.将磨细到小于60目的粉料与溶剂进行反应，生成三氯化铝转入溶液中.这一工艺就是结晶氯化铝的浸出反应.经沉淀和过滤，就得到含三氯化铝的浸出液.
(3) 沉淀、渣液分离
酸浸后，大量矸石粉渣因颗粒很细而悬浮在浸出液中，形成浆状，将溶液静止地放置一定时间，而自然沉降下来.为加速沉降，可在悬浮液中加入一定量的絮凝剂.
(4) 浓缩结晶
经渣液分离后的氯化铝浸出液，送入搪瓷浓缩罐中进行浓缩结晶.罐体夹套通入120～130℃的蒸汽加热，蒸汽压力保持在300～400Kpa.为加快浓缩和结晶的速度，采用负压浓缩，真空度控制在665Kpa以上.在加热泪盈眶和负压条件下，浓缩液内有大量结晶生成，当固液比达到1：1时，便可停止加热，打开底阀，将浓缩好的浓缩液放入缓冲冷却罐，使浓缩液冷却到50～60℃，晶粒进一步长大，以利于真空吸滤和单罐产量.
煤矸石
粗 碎
沸腾炉焙烧
蒸汽机
浓
水
31～35%
细 碎
20%
渣液分离
酸 浸
洗渣水
渣
浓缩结晶
水泥混合材
滤出液
真空吸滤
结晶氯化铝
图1 结晶氯化铝工艺流程图〔4〕
(5) 脱水
浓缩液脱水采用真空吸滤，将冷却后的浓缩液中的结晶氯化铝与饱和溶液用吸真空的方式进行分离.真空吸滤采用普通砖砌真空吸滤池，其内壁及池底衬三层玻璃钢及两层瓷板以加强防腐.池底向滤出液出口方向倾斜.池底上用小瓷砖砌成支撑柱，支撑上部的玻璃钢穿孔滤板，滤板上铺耐酸尼龙筛网.浓缩液放入池内，开启真空泵，滤出液通过尼龙筛网流入池底，筛网上剩余的黄色结晶便是结晶氯化铝的成品.
2 结论
聚合氯化铝作为一种水质混凝剂,广泛应用于给水排水处理工程中.对煤矸石提取聚合氯化铝，是对固体废物的资源化处理利用，具有明显的经济效益、社会效益、环境效益.应作为一项朝阳产业加以重视和推广.
参考文献：
〔1〕王振成.固体废物处理及利用.西安：西安交通大学出版社，1987: 33～35.
〔2〕杨国清..固体废物处理工程.北京：科学出版社，2000:136～138.
〔3〕带振明..固体废物的处理与处置.北京：高等教育出版社，1993:290～291.
〔4〕董保澍..固体废物的处理与利用.北京：冶金工业出版社，1988:121～123 |
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发表于 2016-7-24 22:04:07