處理赤泥的方法和系統與流程
本發明涉及處理赤泥的方法和處理赤泥的系統。
背景技術：
赤泥，是鋁土礦提煉氧化鋁過程中產生的廢棄物，因其為赤紅色泥漿而得名。隨著鋁工業的不斷發展，目前全世界每年產出6000萬噸赤泥，我國的赤泥排放量每年為450萬噸以上，世界上大多數氧化鋁廠是將赤泥堆積或者傾入深海。燒結法赤泥中的化學組成有大量活性氧化鈣、氧化硅，以及貴金屬或有價金屬氧化物，如氧化鈦、氧化鐵、氧化鋁、氧化硅，以及痕量氧化鈧、鈰等痕量稀有或稀土化合物組成，主要礦物成分有β硅酸二鈣、霞石、方解石、α型水化氧化鋁、鋁酸三鈣等。赤泥的堆存不僅占用大量的土地和農田，耗費較多的堆場建設及維護費用，造成嚴重的水質污染，且浪費了大量的金屬資源。赤泥中所含有價金屬組分如Fe2O3、Al2O3、Na2O、TiO2，多為經濟價值較低的金屬，單獨就某一種元素進行回收利用不能很好地解決工藝經濟性和赤泥堆存量巨大的問題，必須采用多種金屬聯合回收技術才能真正的實現赤泥的綜合利用和減量化。
因此，赤泥的綜合治理及其金屬資源的有效回收成為人們日益關注的焦點。
技術實現要素：
本發明旨在至少解決現有技術中存在的技術問題之一。為此，本發明的一個目的在于提出一種處理赤泥的方法，將煅燒后的赤泥熔化后與氯氣反應生成氯化物，進而通過多級冷凝處理，實現赤泥中各種金屬的分離，提高了赤泥的綜合利用率。
根據本發明的一個方面，本發明提供了一種處理赤泥的方法。根據本發明的實施例，該方法包括：將所述赤泥進行干燥處理，以便得到干燥后的赤泥；將所述干燥后的赤泥進行煅燒處理，以便得到煅燒后的赤泥；將所述煅燒后的赤泥進行熔化處理，以便得到熔化的赤泥；利用氯氣對所述熔化的赤泥進行氯化處理，以便得到含有氯化物的氣體；以及將所述含有氯化物的氣體進行多級冷凝處理，以便得到分離的金屬氯化物。
根據本發明實施例的處理赤泥的方法，將煅燒后的赤泥熔化后與氯氣反應生成氯化物，進而通過多級冷凝處理，實現赤泥中各種金屬的分離。并且，該方法的操作簡單，各種金屬的回收率高，赤泥的綜合利用率也顯著提高。
另外，根據本發明上述實施例的處理赤泥的方法，還可以具有如下附加的技術特征：
根據本發明的實施例，所述干燥處理的溫度為100～115℃。
根據本發明的實施例，所述煅燒處理的溫度為600～800℃。
根據本發明的實施例，所述熔化處理的溫度為1400～1500℃。
根據本發明的實施例，所述熔化處理是在惰性氣氛下進行的。
根據本發明的實施例，所述惰性氣氛為氮氣和氬氣的至少一種。
根據本發明的實施例，該方法進一步包括：將所述分離的金屬氯化物進行純化處理，以便得到純化后的氯化物。
根據本發明的另一方面，本發明提供了一種實施前述的處理赤泥的方法的系統。根據本發明的實施例，該系統包括：干燥裝置，所述干燥裝置具有赤泥入口和干燥后的赤泥出口；煅燒裝置，所述煅燒裝置具有干燥后的赤泥入口和煅燒后的赤泥出口，所述干燥后的赤泥入口與所述干燥后的赤泥出口相連；熔化裝置，所述熔化裝置具有煅燒后的赤泥入口和熔化的赤泥出口，所述煅燒后的赤泥入口與所述煅燒后的赤泥出口相連；氯化裝置，所述氯化裝置具有熔化的赤泥入口、氯氣入口、固體產物出口和含有氯化物的氣體出口，所述熔化的赤泥入口與所述熔化的赤泥出口相連；以及多級冷凝裝置，所述多級冷凝裝置中的每一級均具有氣體入口，氯化物出口和氣體出口，所述多級冷凝裝置中上一級的所述氣體入口與下一級的所述氣體出口相連，所述多級冷凝裝置中的第一級冷凝裝置的氣體入口與所述含有氯化物的氣體出口相連。
根據本發明實施例的處理赤泥的系統，赤泥經干燥裝置干燥后，再經煅燒裝置進行煅燒，得到煅燒后的赤泥熔化裝置熔化后，在氯化裝置進行氯氣反應生成氯化物，進而通過多級冷凝裝置進行多級冷凝處理，實現赤泥中各種金屬的分離。并且，該系統的結構簡單，各種金屬的回收率高，赤泥的綜合利用率也顯著提高。
根據本發明的實施例，所述氯化裝置為攪拌器。
根據本發明的實施例，所述多級冷凝裝置為多級冷凝管。
本發明的附加方面和優點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發明的實踐了解到。
附圖說明
本發明的上述和/或附加的方面和優點從結合下面附圖對實施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中：
圖1顯示了根據本發明一個實施例的處理赤泥的方法的流程示意圖；
圖2顯示了根據本發明的又一個實施例的處理赤泥的方法的流程示意圖；
圖3顯示了根據本發明一個實施例的處理赤泥的系統的結構示意圖。
具體實施方式
下面詳細描述本發明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，僅用于解釋本發明，而不能理解為對本發明的限制。
在本發明的描述中，術語“縱向”、“橫向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底”等指示的方位或位置關系為基于附圖所示的方位或位置關系，僅是為了便于描述本發明而不是要求本發明必須以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。
需要說明的是，術語“第一”、“第二”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性或者隱含指明所指示的技術特征的數量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隱含地包括一個或者更多個該特征。進一步地，在本發明的描述中，除非另有說明，“多個”的含義是兩個或兩個以上。
根據本發明的一個方面，本發明提供了一種處理赤泥的方法。參考圖1，根據本發明的實施例，對該處理赤泥的方法進行解釋說明，該方法包括：
S100干燥處理
根據本發明的實施例，將赤泥進行干燥處理，得到干燥后的赤泥。由此，通過干燥處理去除赤泥中的大量水分，便于后續的煅燒處理，降低煅燒處理的能耗。
根據本發明的實施例，干燥處理的溫度為100～115℃。由此，干燥效率高，有效去除赤泥中多余的水份。
其中，需要說明的是，本發明實施例的原料可以是赤泥，也可以為與赤泥組成成分類似的固體廢棄物。
S200煅燒處理
根據本發明的實施例，將干燥后的赤泥進行煅燒處理，得到煅燒后的赤泥。由此，通過煅燒處理，脫除赤泥中的結晶水，并且使其中的CaCO3轉變為CaO。
根據本發明的實施例，煅燒處理的溫度為600～800℃。由此，煅燒效果好，使干燥后的赤泥充分脫除結晶水，并使CaCO3轉變為CaO的轉化率提高，從而，充分回收赤泥中的鈣元素。
S300熔化處理
根據本發明的實施例，將煅燒后的赤泥進行熔化處理，得到熔化的赤泥。由于金屬氧化物在熔化狀態下，易于與氯氣進行氯化反應，進而，對煅燒后的赤泥進行熔化處理。
根據本發明的實施例，熔化處理的溫度為1400～1500℃。由此，在該溫度范圍內，煅燒后的赤泥完全熔化。
根據本發明的實施例，熔化處理是在惰性氣氛下進行的。由此，使得爐內熔化氣氛保持為非氧化氣氛，避免赤泥中的物質與氣體反應。根據本發明的優選實施例，惰性氣氛為氮氣和氬氣的至少一種。由此，氣體對熔化物質的保護效果好，并且，氮氣和氬氣易于得到，使生產成本進一步降低。
S400氯化處理
根據本發明的實施例，利用氯氣對熔化的赤泥進行氯化處理，得到含有氯化物的氣體。根據本發明的一些實施例，在氯化處理過程中進行適當的機械攪拌，使氣液兩相充分接觸。根據本發明的一些實施例，氯化處理的氯化率可達90％左右。氯化反應方程式如下：
Na2O+Cl2→2NaCl+1/2O2
Fe2O3+3Cl2→2FeCl3+3/2O2
Ga2O3+3Cl2→2GaCl3+3/2O2
Al2O3+3Cl2→2AlCl3+3/2O2
TiO2+2Cl2→TiCl4+O2
SiO2+2Cl2→SiCl4+O2
根據本發明的實施例，氯氣可通過電解氯化鈉溶于水后形成的飽和食鹽水制得。由此，制備成本低，并且可以充分利用赤泥處理得到的氯化物，實現資源的高效綜合利用。
S500多級冷凝處理
根據本發明的實施例，將含有氯化物的氣體進行多級冷凝處理，得到分離的金屬氯化物。由此，通過不同氯化物的冷凝溫度不同，通過多級冷凝處理，分離回收各種氯化物，具體地，赤泥經處理得到的常見氯化物的冷凝溫度如下：
氯化鈉1400℃～900℃冷凝，
氯化鐵310℃冷凝，
氯化鎵201℃冷凝，
氯化鋁180℃冷凝，
四氯化鈦130℃～100℃冷凝。
如上所示，各種氯化物的冷凝溫度差距較大，易于進行分離。
根據本發明的實施例，多級冷凝處理的冷凝級數不受特別的限制，可以根據實際中赤泥中的金屬元素的種類和含量進行調整，例如，當赤泥中含有較多的其他稀有元素或稀土元素時，通過進行增加冷凝的段數，即可以氯化物的形式來回收這些元素。
根據本發明的實施例，未反應的氯氣以及惰性氣體可通過分子篩分離，其中，惰性氣體返回到熔化處理過程重復利用，而未反應的氯氣返回到氯化處理過程重復利用。由此，節省能源，生成成本更低。
參考圖2，根據本發明的實施例，該方法進一步包括：
S600純化處理
根據本發明的實施例，將分離的金屬氯化物進行純化處理，得到純化后的氯化物。由此，氯化物的純度高，便于生產應用。
根據本發明的另一方面，本發明提供了一種實施前述的處理赤泥的方法的系統。參考圖3，根據本發明的實施例，對該赤泥的系統進行解釋說明，該系統包括：干燥裝置100、煅燒裝置200、熔化裝置300、氯化裝置400和多級冷凝裝置500，下面針對各裝置進行具體說明：
干燥裝置100：根據本發明的實施例，干燥裝置100具有赤泥入口101和干燥后的赤泥出口102。由此，干燥裝置通過干燥處理去除赤泥中的大量水分，便于后續的煅燒處理，降低煅燒處理的能耗。
根據本發明的實施例，干燥裝置100進行干燥處理的溫度為100～115℃。由此，干燥效率高，有效去除赤泥中多余的水份。
煅燒裝置200：根據本發明的實施例，煅燒裝置200具有干燥后的赤泥入口201和煅燒后的赤泥出口202，其中，干燥后的赤泥入口201與干燥后的赤泥出口102相連。由此，煅燒裝置通過煅燒處理，脫除赤泥中的結晶水，并且使其中的CaCO3轉變為CaO。
根據本發明的實施例，煅燒裝置200進行煅燒處理的溫度為600～800℃。由此，煅燒效果好，使干燥后的赤泥充分脫除結晶水，并使CaCO3轉變為CaO的轉化率提高，從而，充分回收赤泥中的鈣元素。
熔化裝置300：根據本發明的實施例，熔化裝置300具有煅燒后的赤泥入口301和熔化的赤泥出口302，其中，煅燒后的赤泥入口301與煅燒后的赤泥出口202相連。由于金屬氧化物在熔化狀態下，易于與氯氣進行氯化反應，進而，熔化裝置對煅燒后的赤泥進行熔化處理。
根據本發明的實施例，熔化裝置300進行熔化處理的溫度為1400～1500℃。由此，在該溫度范圍內，煅燒后的赤泥完全熔化。
氯化裝置400：根據本發明的實施例，氯化裝置400具有熔化的赤泥入口401、氯氣入口402、固體產物出口404和含有氯化物的氣體出口403，其中，熔化的赤泥入口與所述熔化的赤泥出口相連。根據本發明的一些實施例，氯化裝置具有攪拌器，使氣液兩相充分接觸。根據本發明的一些實施例，氯化處理的氯化率可達90％左右。
根據本發明的實施例，氯化裝置400為攪拌器。由此，在攪拌下，氯氣與熔化的赤泥充分接觸，氯化效果好。
多級冷凝裝置500：根據本發明的實施例，多級冷凝裝置500中的每一級均具有氣體入口501，氯化物出口502和氣體出口503，由于氣體入口501，氯化物出口502和氣體出口503的個數較多，且與冷凝級數有關，在附圖中不一一示出，其中，多級冷凝裝置500中上一級的氣體入口與下一級的氣體出口相連，多級冷凝裝置中的第一級冷凝裝置的氣體入口501與含有氯化物的氣體出口403相連。由此，多級冷凝裝置通過不同氯化物的冷凝溫度不同，通過多級冷凝處理，分離回收各種氯化物。
根據本發明的一些實施例，多級冷凝裝置500為多級冷凝管。由此，結構簡單，冷凝效果好。
根據本發明的一些實施例，該系統進一步包括純化裝置，該純化裝置具有氯化物入口和純化后的氯化物出口，其中，氯化物入口與氯化物出口相連。由此，純化裝置純化后的氯化物的純度高，便于生產應用。
根據本發明的具體實施例，純化裝置為蒸餾提純裝置。由此，裝置的成本低，提純效果好，尤其適用于氯化物提純。
根據本發明實施例的處理赤泥的系統，赤泥經干燥裝置干燥后，再經煅燒裝置進行煅燒，得到煅燒后的赤泥熔化裝置熔化后，在氯化裝置進行氯氣反應生成氯化物，進而通過多級冷凝裝置進行多級冷凝處理，實現赤泥中各種金屬的分離。并且，該系統的結構簡單，各種金屬的回收率高，赤泥的綜合利用率也顯著提高。
下面參考具體實施例，對本發明進行說明，需要說明的是，這些實施例僅僅是說明性的，而不能理解為對本發明的限制。
實施例1
利用本發明的方法處理赤泥，其中，試驗所用的赤泥化學全分析結果如下：
將上述赤泥樣品在100℃下進行預干燥，吸附水脫除以后，余下的部分在600℃下進行煅燒以脫除結晶水，并且使CaCO3轉變為CaO的過程。經處理后的赤泥樣品成分分析如下：
經處理后的赤泥樣品轉入電弧爐反應器中，在1400℃氬氣氣氛下進行熔化，當樣品全部熔化后，向反應器中通入氯氣(氯氣可通過電解氯化鈉溶于水后形成的飽和食鹽水制得)，并進行適當的機械攪拌使氣液兩相充分接觸。將會發生以下反應：
Na2O+Cl2→2NaCl+1/2O2
Fe2O3+3Cl2→2FeCl3+3/2O2
Ga2O3+3Cl2→2GaCl3+3/2O2
Al2O3+3Cl2→2AlCl3+3/2O2
TiO2+2Cl2→TiCl4+O2
SiO2+2Cl2→SiCl4+O2
混合氣體首先被冷卻到1000℃，則氯化鈉首先從混合物中分離。冷卻的溫度比待分離的金屬氯化物的沸點稍低，從而使分離容易進行。接下來，將混合氣體依次通入溫度大約為290℃、180～190℃、155～160℃、110～120℃、15℃的冷凝管，分別得到液態的氯化鐵、氯化鎵、氯化鋁、四氯化鈦、四氯化硅，通過后續的蒸餾進行提純后作為最終產品，從而實現赤泥中各種金屬的分離；然后將剩余未反應的氯氣以及氬氣可通過分子篩分離，回收到上個流程繼續使用。
實施例2
利用本發明的方法處理赤泥，其中，試驗所用的赤泥化學全分析結果如下：
將上述赤泥樣品在105℃下進行預干燥，吸附水脫除以后，余下的部分在700℃下進行煅燒以脫除結晶水，并且使CaCO3轉變為CaO的過程。經處理后的赤泥樣品成分分析如下：
經處理后的赤泥樣品轉入等離子反應器中，在1450℃氬氣氣氛下進行熔化，當樣品全部熔化后，向反應器中通入氯氣(氯氣可通過電解氯化鈉溶于水后形成的飽和食鹽水制得)，并進行適當的機械攪拌使氣液兩相充分接觸。將會發生以下反應：
Na2O+Cl2→2NaCl+1/2O2
Fe2O3+3Cl2→2FeCl3+3/2O2
Ga2O3+3Cl2→2GaCl3+3/2O2
Al2O3+3Cl2→2AlCl3+3/2O2
TiO2+2Cl2→TiCl4+O2
SiO2+2Cl2→SiCl4+O2
混合氣體首先被冷卻到1000℃，則氯化鈉首先從混合物中分離。冷卻的溫度比待分離的金屬氯化物的沸點稍低，從而使分離容易進行。接下來，將混合氣體依次通入溫度大約為290℃、180～190℃、155～160℃、110～120℃、15℃的冷凝管，分別得到液態的氯化鐵、氯化鎵、氯化鋁、四氯化鈦、四氯化硅，通過后續的蒸餾進行提純后作為最終產品，從而實現赤泥中各種金屬的分離；然后將剩余未反應的氯氣以及氬氣可通過分子篩分離，回收到上個流程繼續使用。
實施例3
利用本發明的方法處理赤泥，其中，試驗所用的赤泥化學全分析結果如下：
將上述赤泥樣品在115℃下進行預干燥，吸附水脫除以后，余下的部分在800℃下進行煅燒以脫除結晶水，并且使CaCO3轉變為CaO的過程。經處理后的赤泥樣品成分分析如下：
經處理后的赤泥樣品轉入電弧爐反應器中，在1500℃的氮氣氣氛下進行熔化，當樣品全部熔化后，向反應器中通入氯氣(氯氣可通過電解氯化鈉溶于水后形成的飽和食鹽水制得)，并進行適當的機械攪拌使氣液兩相充分接觸。將會發生以下反應：
Na2O+Cl2→2NaCl+1/2O2
Fe2O3+3Cl2→2FeCl3+3/2O2
Ga2O3+3Cl2→2GaCl3+3/2O2
Al2O3+3Cl2→2AlCl3+3/2O2
TiO2+2Cl2→TiCl4+O2
SiO2+2Cl2→SiCl4+O2
混合氣體首先被冷卻到1000℃，則氯化鈉首先從混合物中分離。冷卻的溫度比待分離的金屬氯化物的沸點稍低，從而使分離容易進行。接下來，將混合氣體依次通入溫度大約為290℃、180～190℃、155～160℃、110～120℃、15℃的冷凝管，分別得到液態的氯化鐵、氯化鎵、氯化鋁、四氯化鈦、四氯化硅，通過后續的蒸餾進行提純后作為最終產品，從而實現赤泥中各種金屬的分離；然后將剩余未反應的氯氣以及氮氣可通過分子篩分離，回收到上個流程繼續使用。
在本說明書的描述中，參考術語“一個實施例”、“一些實施例”、“示例”、“具體示例”、或“一些示例”等的描述意指結合該實施例或示例描述的具體特征、結構、材料或者特點包含于本發明的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術語的示意性表述不一定指的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特征、結構、材料或者特點可以在任何的一個或多個實施例或示例中以合適的方式結合。
盡管已經示出和描述了本發明的實施例，本領域的普通技術人員可以理解：在不脫離本發明的原理和宗旨的情況下可以對這些實施例進行多種變化、修改、替換和變型，本發明的范圍由權利要求及其等同物限定。
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