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高铝粉煤灰中氧化铝含量达40-50%,年排放及累积堆存量巨大,蕴藏着丰富的氧化铝资源,其综合利用已纳入国家战略规划。开发高铝粉煤灰提取氧化铝技术,不仅有着非常重要的社会、环境效益,而且可降低我国铝土矿对外依存度。本文围绕高铝粉煤灰中氧化铝低成本高效提取迫切需求,提出了一种NH4HSO4/H2SO4混合介质提取高铝粉煤灰中氧化铝新工艺,开展了浸出过程工艺条件、矿相转化、浸出动力学及介质循环研究,同时对中间体十二水硫酸铝铵在酸性介质中结晶与热分解制备氧化铝过程进行了系统研究,形成了 NH4HSO4/H2SO4混合介质提取高铝粉煤灰中氧化铝原则流程。主要研究内容与结论如下:(1)基于Aspen plus物性系统及ELECNRTL模型,研究了 NH4HSO4/H2SO4溶液的热力学性质,考察了浸出过程工艺条件,在较优条件下,对应氧化铝提取率可达88.9%,实现了高铝粉煤灰中氧化铝高效浸出。采用XRD、SEM-EDS、FTIR等对粉煤灰颗粒在浸出过程中变化情况进行系统研究,结果表明随着氧化铝浸出反应的进行,粉煤灰颗粒粒径呈减小的趋势,而比表面积明显增大;含铝矿相莫来石相、刚玉相逐渐分解,氧化铝浸出后残余的固相主要以非晶体的二氧化硅为主。(2)分别开展了高铝粉煤灰在NH4HSO4溶液、H2SO4溶液、NH4HSO4/H2SO4混合溶液介质体系中氧化铝的浸出动力学研究,基于缩芯模型进行了动力学分析。结果表明,在上述三种体系中,浸出过程均为固体产物层内扩散控制,相对应的活化能分别为:78.04±3.38kJ/mol、89.33±2.27kJ/mol、91.10±8.98kJ/mol。利用经验动力学方程成功关联了转化率与c[HSO4-]、c[H3O+]、温度、时间的关系,得出了经验动力学速率表达式。(3)采用动态法测定了不同温度、不同H2SO4浓度及不同NH4+/Al3+摩尔比条件下 NH4Al(SO4)2·12H20 在 NH4+-Al3+-H3O+-HSO4--SO42--H2O体系中的溶解度,并以electrolyte NRTL模型对实验数据进行回归分析,其中温度、(NH4)2SO4浓度、H2SO4浓度和Al2(SO4)3浓度计算值与实验值总平均相对偏差分别为:1.04%、0.32%、0.26%和0.45%,得到了新的电解质对参数,建立了 NH4Al(SO4)2· 12H20在NH4+-Al3+-H3O+-HSO4--SO42-H2O体系中的溶解度模型。同时,采用Aspen plus模拟及实验相结合的方式研究了十二水硫酸铝铵的结晶过程。(4)采用TG-DSC、TG-MS技术开展了十二水硫酸铝铵热分解过程研究,分析表明其热分解过程包括三个失重阶段;研究了不同气氛对十二水硫酸铝铵热分解过程的影响,结果表明气氛中O2的存在会一定程度地抑制热分解反应过程。同时,对空气气氛中十二水硫酸铝铵进行了动力学分析,采用FWO法求解得到了第二、三阶段热分解活化能分别为246.3kJ/mol、286.3kJ/mol,动力学最概然机理函数分别为R3(收缩球状函数)、D3(Jander方程),对应的反应机理为三维相界面反应类型、三维扩散类型。(5)开展了介质循环浸出实验研究,氧化铝浸出率维持在86-90%。考察了循环液中杂质积累情况,其中,铁是主要杂质元素,随循环次数的增加而增加,其浓度在1.0-4.5g/L。在完成浸出过程介质循环实验研究的基础上,提出了高铝粉煤灰NH4HS04/H2S04法提取氧化铝工艺原则流程,利用大型通用流程模拟软件Aspen plus,以ELECNRTL模型为物性方法,对整体工艺进行初步流程模拟,对浸出、结晶、热分解、介质回收四个核心步骤分别进行了优化分析。基于全流程模拟结果,从理论上计算了原材料、燃料及动力直接消耗费用。