冶金工程论文
2 结果与讨论
2.1 硫酸酸浸实验
铝浸出率随硫酸浓度和温度的变化如图 2 所示。反应时间固定为 2h,固液比为 1∶3,为保证硫酸浓度和固液比稳定，反应过程中需适量补充去离子水。酸液中加入灰渣的初始阶段，酸和固体反应放出大量热，使溶液微沸并持续 1~3min.
从图 2 可以看出，铝浸出率在不同的反应温度条件下有相同的变化趋势，首先随着硫酸浓度的增大而增大，然后基本保持不变甚至略有减小。例如在 100℃条件下，随着硫酸浓度从 4mol/L 增加到11mol/L,铝浸出率从最低的 88.54%增加到 94.3%,然后保持在 95.5%左右；而 130℃条件下，铝浸出率保持在 97.2%左右。当硫酸浓度高于 10mol/L 时，铝浸出率有所降低，可能是因为随着硫酸浓度增大，酸液变得较为黏稠，其中的水含量变低导致离子运动受阻。虽然 10mol/L 硫酸对灰渣中铝的浸出有利，在 130℃时铝浸出率达到 97.34%,但是 5mol/L 硫酸在 110℃时铝浸出率也达到 93.13%,在酸耗减少一半的情况下，铝浸出率仅减少 4.21%.因此，酸浸浓度定为 5mol/L 较为合理。
从图 2 中也可看出酸浸温度对铝浸出率的影响。在低浓度区域（≤8mol/L），温度对铝浸出率有较大影响，并且硫酸浓度越低，温度的影响越强烈。5mol/L 硫酸条件下，100℃时铝浸出率为 90.27%,110℃时为 93.13%,相差 2.86%;当硫酸浓度达到7mol/L 时，两种反应温度下铝浸出率仅相差 0.54%.
而在高浓度区域（>8mol/L），温度对铝浸出率基本无影响。10mol/L 硫酸条件下，铝浸出率在 100℃时为 96.38%,在 110℃时为 96.71%,二者相差仅为0.33%.因此，当选定硫酸酸浸浓度为 5mol/L 时，考虑其沸点温度为 112.5℃，酸浸温度取 105~110℃。
图 3 是在两种固液比条件、酸浸温度 105~110℃、硫酸浓度 5mol/L 时铝浸出率随反应时间变化的曲线。从图 3 中可以看出，随着反应时间的增加，铝浸出率不断提高。但在 2h 之后，铝浸出率只有小幅增长，基本保持平稳，尤其是固液比为 1∶2 时，这种规律更为明显。固液比为 1∶3 时，当反应时间从 2h 增大到 6h,铝浸出率由 91.06%小幅增加到93.13%.因此，为保证酸浸效率的同时缩短反应时间，取 2h 为合适的酸浸时间。
酸浸温度 105~110℃、反应时间 2h、硫酸浓度5mol/L 时，铝浸出率随固液比变化的关系如图 4.
固液比从 1∶2 到 1∶4 的变化范围内，铝浸出率出现小幅增加，由最小的 87.36%增大到 92.68%.这可能是因为随着固液比由 1∶2 变化到 1∶4,酸溶液中的氢离子和水的总量有所增大，促进了化学反应过程中的质量交换。但更高的液固比使得硫酸的消耗增加，成本迅速提高。而当固液比为 1∶3 时，铝浸出率可达91.5%,因此固液比取1∶3较为合理。
2.2 X 射线衍射分析
图 5（a）所示为原始灰渣的 XRD 图谱。从图 5中可知，灰渣中既有较强的晶体衍射峰，也有平缓的非晶态衍射线。灰渣中含量最多的晶体是石英，其次还有少量的锐钛矿和赤铁矿。此外在谱线的20°~25°区域出现了较宽特征衍射峰，表明其中存在玻璃相晶体。因此，灰渣中的矿物质有 3 种存在形态：一是晶态；二是无定形态；三是玻璃态[9].
由于化学分析结果表明煤灰中有较多的 Al2O3（35.67%），而晶态中没有含铝物质，所以推断煤灰中的铝元素多以非晶态的形式存在，而铝在非晶态中的活性比在晶态中的高，这对酸浸反应有利。
图 5（b）是灰渣在 5mol/L 硫酸溶液中 110℃、固液比 1∶3、浸出 2h 后残渣的 XRD 图谱，酸浸残渣中依然存在非晶态的衍射线，但酸浸后没有赤铁矿晶体，与酸浸前相同的是它们均含石英和锐钛矿晶体成分。非晶态谱线形状也几无变化，不同的是所有衍射线的峰值强度都增大了，这是因为大量非晶态含铝物质浸出后，导致其余矿物质相对含量增大。
2.3 扫描电镜和能谱分析
图 6 中（a）、（b）所示为灰渣 SEM 扫描下的形貌图。由于灰渣的粒度不均匀，其表观形貌亦有大小之分。小碎片直径和厚度都不超过 1μm,并紧密铺叠在一起；大颗粒直径达到 10μm,由片状物紧密堆叠而成。大小颗粒都呈现出光滑而平坦的表面，因为燃烧而更加致密。经过酸浸处理[图 6 中（c）、（d）],无论灰渣中的大小颗粒，其光滑的表面都被破坏，剩下的片状物更加疏松零散，有明显的酸腐蚀痕迹，颗粒中出现大量孔洞。
从酸浸前后灰渣的能谱图 7 中可以看出 Al 和Fe 元素发生了巨大变化，铝从较高的峰值降为较低的峰值，铁则从有变成无。酸浸后，煤灰中铝和铁含量的大量减少，使图 7（b）中的其余元素 Si、O 和Ti 的能谱峰值大幅提高。这些都与酸浸前后煤灰化学成分分析的结果一致。
3 结 论
综上实验结果，可得如下结论。
（1）考虑物耗、能耗和实际操作条件，合适的酸浸条件为硫酸浓度 5mol/L、酸浸温度 105~110℃、反应时间 2h 和固液比 1∶3,此时铝浸出率为91.5%.
（2）XRD 分析表明此流化床锅炉灰渣中的铝主要以非晶态形式存在，这是硫酸浸出可以得到较高的铝浸出率的原因，在本实验条件下，最高可达97.34%.
参 考 文 献
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