由包含飞灰的煤得到经处理的煤和二氧化硅的方法技术

本发明专利技术公开了一种处理包含金属氧化物、二氧化硅和硫化合物的固体煤和飞灰（２３）的混合物以制备经处理的煤（３８）和基本上纯的二氧化硅（４５）的方法，所述方法包括：（１）使煤和飞灰（２３）的混合物与氟化氢在水中反应以制备包含氟化硅和金属氟化物的液体流（２７）和包含未反应的煤和硫化合物的固体流（２９）；（２）使硫化合物与溶解于水中的金属硝酸盐反应以形成硝酸根离子、金属离子和硫离子的水溶液（３１）；（３）将硝酸根离子、硫离子和金属离子的水溶液（３１）与固体煤（３８）分离；（４）用水洗涤先前处理的固体煤（３８）；（５）使氟化硅和金属氟化物与金属硝酸盐在含水混合物中反应以形成固体二氧化硅（４５）；和将固体二氧化硅与含水混合物分离。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种除去存在于包含粒状飞灰的煤中的矿物杂质的方法，所述飞灰包 括金属氧化物(例如A1203、SiO2, Fe2O3)以及硫、钙和煤灰中常见的其他氧化物。所述方法 产生经处理且更清洁的煤产物，同时可分离和回收较纯的(商品级)二氧化硅(SiO2)作为 有价值的副产物。
技术介绍
长期以来已知在工业上使用未经处理的煤(特别是包含硫和飞灰的煤)作为燃料 导致潜在的不可接受水平的空气污染以及靠煤作为主要烃燃料来源的工厂的高维修成本。 煤飞灰中污染物(例如基于氮和基于硫的化合物)的存在具有两个显著的缺点。第一点， 飞灰的存在往往降低煤潜在的热值，使其在工厂过程中的热效率低。第二点，飞灰在工业应 用(例如用于产生电的直接烧煤涡轮工厂)中可引起显著的环境和/或操作问题。因此， 由于增加的生产成本和严格的环境顾虑，多年来需要降低和/或消除基于碳的燃料中污染 物导致含飞灰的煤在民用用途中的减少。此外，由于需要污染控制设备来洗涤和/或消除废气以遵守日益严格的联邦和州 立环境控制规章，因此使用含有飞灰的煤的发电厂的安装和操作成本通常较高。用煤发电 的工厂通常还承受与清洁被暴露于煤燃烧的表面上的积灰(coating)所污染的工厂设备 相关的较高维修成本。尽管多年来在提高烧煤工艺的效率方面已有一些进展，但是明显仍需要开发用于 联合循环发电体系的更清洁和更有效的煤，以提高每单位排放的CO2的发电量。遗憾的是， 为了有效操作，适用于涡轮工厂的煤不能含有多于非常少量的粒状飞灰。在过去的十年间 采用众多研发程序来降低飞灰含量，其中大多数程序致力于化学处理以制备超低灰的煤。 通常，那些方法涉及煤原料的某种形式的腐蚀性和/或酸处理来致力于以可溶性物质形式 萃取灰组分，并将已溶解的灰组分与煤燃料分离。这种方法的实例仅获得了有限的成功，且 包括，例如，形成可溶性铝硅酸钠的腐蚀性处理，或形成氟-络合物的基于氢氟酸的处理。这些早期体系的一个缺点在于其通常涉及高操作温度、高酸性以及大量水不经二 次处理不能排放至环境，这是由于流出物含有污染其他自然资源的可溶性有机和无机物 质。需要大量水也对位于任何生产设备下游的水处理所需的资源造成压力，从成本的角度 致使大多数工艺不实用。许多强制性污染控制规章需要实现从煤中除去的物质几乎零排放 和用于煤处理的水回收的工艺。目前可用的煤处理体系的另一明显的缺陷在于其不能回收存在于飞灰中的有潜 在价值的二氧化硅。目前，全世界二氧化硅的产量为约40，000吨/年，而需求稳定增长并 接近75，000吨/年。由于对替代性太阳能源的持续需求且由于现有的商品SiO2工艺成本 昂贵，因此商品级二氧化硅的成本增加。本专利技术在本领域提供了显著的进步，做法是，由相同的原料煤进料产生两种独立 的且工业上有价值的产物，即，使用本文所述的氢氟酸/硝酸盐法生产经处理的煤，和生产 可用于太阳能板和半导体行业的商品级二氧化硅。由本文所述的方法生产的经处理的煤对需要满足环境控制标准以在联合循环发电厂中发电的烧煤涡轮工厂提供了特别的优势。同样，比起常规煤处理工艺，由相同的原料回收商品级二氧化硅提供了附加的成本益处和工 业优势。使用经处理的煤本身作为潜在的能源是已知的。但是，迄今为止还没有在经济上 可行的方法使用包含存在于飞灰颗粒中的不需要的组分特别是硫或不期望的氧化物(例 如，铝、铁、钙和硅)的原料来生产这种煤，同时生产商品级(较纯的)二氧化硅作为副产 物。通常，将来自煤的灰转化为矿渣/飞灰，随后收集，并以低价值产物销售用于其他用途， 例如水泥生产、建筑填充材料或浙青铺路组分。不同位置的煤的灰含量不同，但是在美国灰 含量通常在约5-7%重量范围内。在2001年，美国电力行业产生超过70，000, 000吨飞灰， 其中约25，000，000吨可能用作水泥生产和相关行业的成分。因此，大量飞灰未使用，且最 终必须以废物形式处置。除了发电以外，经处理的煤的潜在用途为众所周知的，且包括生产重燃料油、石墨 和碳纤维。煤本身还具有非燃料用途，例如，用作制备高纯度基于碳的产物的原料，包括用 于铝行业的电极。同样，纯二氧化硅可用于制备多种产品，例如硅芯片和太阳能电池。
技术实现思路
本专利技术的一种示例性方法包括用于处理包含金属氧化物、二氧化硅和硫化合物的 固体煤和飞灰的混合物以制备经处理的煤和基本上纯的二氧化硅的以下工艺步骤(1)使 煤和飞灰的混合物与氟化氢在水中反应以制备包含氟化硅和金属氟化物的液体流和包含 未反应的煤和硫化合物(例如，金属硫化物)的固体流；(2)使硫化合物与溶解于水中的金 属硝酸盐反应以形成硝酸根离子、金属离子和硫离子的水溶液；(3)将硝酸根离子、硫离子 和金属离子的水溶液与固体初始处理的煤分离；(4)用水洗涤先前处理的煤；(5)使氟化硅 和金属氟化物与金属硝酸盐在含水混合物中反应以形成固体组分形式的二氧化硅；和将二 氧化硅产物与含水混合物分离。本专利技术还包括溶解并随后分离存在于待处理的煤的飞灰组分中的金属氧化物 (例如Al2O3和Fe2O3)，以及处理和除去基本上所有的硫化合物，例如，硫化铁和硫化铝。在 示例性实施方案中，所述方法能明显降低所得到的经处理的煤的飞灰含量，优选飞灰含量 降至0.01%重量或低于0.01%重量的水平。此外，为了回收氟化氢用于与飞灰中的金属氧 化物初始氟化反应，本专利技术使用在较早反应步骤中产生的金属氟化物组分进行高温反应。附图说明图1为描述根据本专利技术制备经处理的煤和基本上纯的二氧化硅的示例性工艺步 骤的简化方块流程图；和图2为描述工艺设备的主要部件和本专利技术的一种示例性方法的相关工艺流和控 制参数的详细的工艺流程图。具体实施例方式如上所述，本专利技术提供了一种分离煤飞灰的金属和无机组分的有效方法，同时提 供了几乎完全回收存在于飞灰中的商品级二氧化硅。所述方法将不需要的飞灰组分(例如金属氧化物、硫和二氧化硅)降至容易满足目前环境控制规章而不需要复杂和昂贵的排放 控制设备的杂质含量，特别是在烧煤涡轮工厂、发电站等等中。同时，所述方法提供了一种 经济的方法来回收基本上纯的二氧化硅作为有价值的副产物。本专利技术的一种示例性方法分离存在于飞灰中的金属“杂质”，做法是，将各种组分转化为可溶性矿物氧化物，可溶性矿物氧化物可作为废物从体系中除去。所述方法还重新 形成并随后分离二氧化硅组分以作为单独的产物除去。因此，非常少量的二氧化硅残留在 经处理的煤终产物中或残留在任何剩余的飞灰中。如上所述，在现有技术方法中，由于二氧 化硅极具磨蚀性品质且固有降低与用作燃料的煤中的非烃组分相关的热效率，煤飞灰中即 使少量的二氧化硅可导致商品缺点。因此，所述方法的优点在于除去高比例的存在于飞灰 中的二氧化硅。此外，与存在于飞灰中的硅反应的基本上所有的氟化氢稍后回收并再循环 用于所述方法。具体参考图1，一般性示出了根据本专利技术制备经处理的煤和副产物二氧化硅的基 本工艺流程步骤，以便实现三个基本工艺目标，即，使用氟化氢初始处理包含二氧化硅和金 属氧化物的飞灰组分；随后除去残余的硫和硝酸盐化合物以制备经处理的煤产物；以及在 与残留在液体中的初始飞灰组分分离后，将基本上纯的二氧化硅再生为固体形式。如图1所示，包含飞灰的初始“脏”煤进料10通常包括含有二氧化硅、金属本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种处理包含金属氧化物、二氧化硅和硫化合物的固体煤和飞灰（２３）的混合物以制备经反应的或经处理的煤（３８）和基本上纯的二氧化硅（４５）的方法，所述方法包括以下步骤：　　使所述煤和飞灰（２３）的混合物与氟化氢（２４）在水中反应以制备包含氟化硅和金属氟化物的液体流（２７）和包含未反应的煤和硫化合物的固体流（２９）；　　使所述硫化合物与溶解于水中的金属硝酸盐反应以形成硝酸根离子、金属离子和硫离子的水溶液（３１）；　　将所述硝酸根离子、硫离子和金属离子的水溶液（３１）与所述固体煤（３８）分离；　　用水洗涤所述煤（３８）；　　使所述氟化硅和金属氟化物与金属硝酸盐在含水混合物中反应以形成固体二氧化硅（４５）；和　　将所述固体二氧化硅（４５）与所述含水混合物分离。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：C森万，
申请(专利权)人：通用电气公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]