虽然近年来可再生能源发电技术发展迅速,但火力发电仍是我国电力主要来源之一,且火力发电装机容量仍呈逐年递增的趋势。火力发电厂每年排放的粉煤灰高达6亿吨,已对环境和人类健康造成威胁,急需对其进行综合治理和回收利用。因粉煤灰中含有30-50%的氧化铝,众多学者对从粉煤灰中提取氧化铝的工艺进行了研究。目前,粉煤灰提取Al2O3的主要工艺有酸浸法、烧结法以及酸碱联合法。各工艺均面临粉煤灰中Al-O-Si键不易,铝、硅难分离以及工艺过程中产生含硅渣等问题。为缓解上述问题,本文提出以Fe2O3为添加剂、C为还原剂,在1273-1673 K温度下富集粉煤灰中氧化铝并制备硅铁合金的方法。本文对焙烧、筛分、磁选工序进行了研究,分析了Fe2O3添加量、反应温度、保温时间以及气体压强对该工艺的影响,为粉煤灰碳热还原法富集氧化铝并制备硅铁合金工艺的过程设计和优化提供了重要理论依据。首先,通过热力学分析及实验对比,研究了添加铁氧化物及降低气体压强对粉煤灰碳热还原过程的影响。理论计算表明添加铁及铁的氧化物或降低气体压强可在热力学上降低莫来石、石英碳热还原反应的吉布斯自由能,表明它们在热力学上对该反应有促进作用;同时,常压下粉煤灰碳热还原实验表明焙烧温度为1523K,不添加Fe2O3时莫来石未发生反应,而添加Fe2O3时莫来石被还原,产生硅铁合金和氧化铝;此外通过实验数据对比可得,莫来石在真空条件下的还原温度比常压下约低150 K。理论计算与实验结果均表明添加Fe2O3及降低气体压强对粉煤灰中莫来石的还原过程有促进作用。其次,对在整个工艺过程中起到关键作用的粉煤灰还原焙烧过程进行研究,通过控制变量法考察了过程参数对Al2O3回收率及硅铁合金成分的影响规律。结果表明,氧化铝的回收率随焙烧温度的升高、反应时间的延长呈上升趋势;硅铁合金中硅元素的含量随焙烧温度的升高而增加,但随反应时间的延长其变化并不明显,说明反应温度是限制硅铁成分的主要因素。然后,通过对样品原貌及横切面的SEM/EDS分析,研究了莫来石相中的Al、Si元素的微观分离机理。粉煤灰中的莫来石在分解、还原过程中,部分O与C结合后以CO气体形式逸出,同时Si元素与Fe元素结合形成硅铁合金,并不断向样品中的空隙处汇聚长大,而反应产生的氧化铝由于熔点较高,始终以固态的形式留在原来的位置。此过程使莫来石中的Al和Si元素实现了微观区域内的分离,为后续各成分的物理分离提供了前提条件。经过对筛分所得样品以及磁选所得的磁性部分与非磁性部分进行SEM分析,表面光洁、尺寸较大的硅铁颗粒有利于筛分、磁选过程中氧化铝与硅铁的分离。但是硅铁颗粒在长大过程中如果生长空间受限,则不再呈规则的球形,而是沿着样品中的空隙生长,同时会包裹住一些与它相邻的氧化铝,使氧化铝的回收率降低。在真空条件下,焙烧温度为1473 K,保温时间为6 h时,氧化铝的回收率为82.61%,非磁性部分中氧化铝的含量为87.02%。所得分析结果和实验数据可为扩大规模实验时优化工艺参数、降低能耗提供相应的理论依据。