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煤矸石是我国排放量最大固体废弃物之一,根据其成分,选择适合的工艺,提取利用煤矸石中的氧化铝、二氧化硅、固定碳是其高值化利用的重要方式。本文以郭庄、贾家沟、瑞通煤矸石为原料研究不同工艺下各煤矸石的资源利用率,通过对干法工艺、湿法工艺进行研究比较,选择出适宜工艺,并进行工艺流程设计具体研究内容及结论如下: (1)煤矸石二次酸浸提铝—干法制硅酸钠—碳分法制白炭黑工艺,研究主要工艺条件:780℃活化2h,107℃酸浸2h(两次),1400℃熔融反应3h,200℃水热反应2h,90℃反碳分应3~5h。郭庄、贾家沟、瑞通煤矸石的铝提取率分别为75.8％、85.6%、80.2%,硅提取率为66.4%、68.8%、68.3%。针对干法工艺提取率低、能耗高的问题,本实验对酸浸渣干法制硅酸钠工艺进行改进:降低反应温度至800℃,并在酸浸渣中添加二氧化硅降低其杂质含量(控制氧化铝含量小于5%),此条件下郭庄、贾家沟、瑞通煤矸石的硅提取率分别提高到73.5%、74.7%、74.1%。 (2)煤矸石厌氧热活化—湿法制硅酸钠—碳分法制白炭黑工艺,主要工艺条件:电阻炉780℃活化2h,酸浸装置107℃酸浸2h(两次),高压反应釜200℃反应5h,碳分装置90℃反应3~5h。郭庄、贾家沟、瑞通煤矸石的铝提取率分别为78.6%、87.9%、84.6%,硅提取率为79.5%、80.1%、80.3%,碱浸渣的灰分分别为69.8%、46.5%、20.1%,其表明固定碳富集程度较高。 (3)煤矸石高温高压酸浸—湿法制硅酸钠—碳分法制白炭黑的工艺,主要工艺条件:均相反应器200℃酸浸2h,高压反应釜200℃反应5h,碳分装置90℃反应3~5h。郭庄、贾家沟、瑞通煤矸石的铝提取率分别为90.2%、88.2%、91.3%,硅提取率为81.0%、80.6%、81.5%,碱浸渣的灰分分别为66.3%、40.6%、12.7%,固定碳富集程度高。 (4)工艺比较设计:煤矸石高温高压酸浸—湿法制硅酸钠—碳分法制白炭黑的工艺最简单,铝硅提取率最高,固定碳富集率最高,能耗最低,但对设备要求高;煤矸石二次酸浸提铝—干法制硅酸钠—碳分制白炭黑工艺的铝硅提取率较其他两个工艺低,且能耗最高,低温熔融和复配二氧化硅技术可以从一定程度上降低其能耗,并提高其硅铝提取率,该工艺的优点是工艺成熟、设备简单;厌氧热活化—湿法制硅酸钠—碳分法制白炭黑的工艺介于上述两者工艺之间,具有较高的铝硅提取率,且设备要求不高,能耗较低,适用性较广。综上所述,确定煤矸石高温高压酸浸—湿法制硅酸钠—碳分法制白炭黑的工艺为最佳工艺,设计其工艺流程图,并建议下一步开展工艺技术的可行性研究。