一种煤系固废有价组分精深分离装置及方法与流程

本发明涉及一种煤系固废有价组分精深分离装置及方法，属于固废资源利用。

背景技术：

1、粉煤灰等固废资源含有大量的钙镁等有价金属及关键性战略金属，是国家提取战略金属资源的重要来源，具有极其重要的经济效益与科学价值。然而，而目前90％以上的处置手段都是用于建材及建工等低端领域，对于未燃炭、钙、硅、铝等有价组分与锂、稼等战略金属资源分离回收技术与装备缺乏，难以实现产业化。为了实现粉煤灰等固废中有价组分及战略资源的高效提取，针对不同固废体系定制化开发固废组分高效分离智能装备具有广阔市场空间与应用前景。

2、对煤矸石、粉煤灰等进行有价金属回收过程中产生的钙、镁等有价组分通过co2矿化是近年来备受关注的技术。利用co2与碱金属矿物反应生成碳酸盐，并生产具有一定附加值的产品，既实现了有价组分高效回收与高值化利用，又能有效地实现碳减排，具有多重效益。工业固废储量巨大、价格低廉，具有大规模固定co2的潜力，是理想的矿化原料。co2矿化协同减污降碳利用技术具有成本低、规模大和长期稳定等优点而备受关注。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足之处，提供一种煤系固废有价组分精深分离装置及方法，能够将粉煤灰、煤矸石等各类煤系固废通过强化浸出实现钙镁等有价金属进入液相，通过净化后的二氧化碳形成微纳米高压气泡群在多级搅拌形成的流场中进行高效矿化合成纳米级碳酸盐产品。合成产品经过脱水后滤液通过缓冲并补充药剂后循环进入反应塔再次利用。

2、为实现上述技术目的，本发明公开一种煤系固废有价组分精深分离装置，包括核心分离塔，核心分离塔底部设有垂直向上设置的气泡发生装置，核心分离塔侧壁包裹设置有用以调节核心分离塔内部温度的回流夹液层，回流夹液层为空腔结构，通过注入空腔中液体对核心分离塔内部温度交换实现调节；核心分离塔的顶部设有溢流液排料管，溢流液排料管连接有复合滤液缓冲装置；核心分离塔内设有多级搅拌系统；

3、所述的复合滤液缓冲装置包括能够进行固液高效分离的振动抽滤单元，振动抽滤单元包括具备机械振动装置和超声振动装置，振动抽滤单元下方连接有一段缓冲罐，一段缓冲罐的底部通过管路连接有二段缓冲罐，二段缓冲罐内设有搅拌装置，二段缓冲罐的侧壁设有自动补药单元和控温系统，二段缓冲罐的底部设有排液口，排液口上设有排液开关，排液口通过管路加压后与回流夹液层内空间相连接，二段缓冲罐通过控温系统调整过温度的液体进入回流夹液层与核心分离塔内进行换热，实现温度调节；

4、所述的多级搅拌系统包括变速电机与轴向伸入核心分离塔内的转轴，转轴不同高度分别设有下、中、上三组旋转叶片，位于核心分离塔高度1/7-1/8处的下旋转叶片为锯齿结构或锥状结构，位于核心分离塔高度的1/3-2/3处的中旋转叶片为正多边形涡轮状结构，位于核心分离塔高度的5/6-7/8处的上旋转叶片为向上排液式的顺向结构，其中核心分离塔内高度介于低旋转叶片与中旋转叶片之间的区域为矿化反应核心区；

5、高旋转叶片高度的回流夹液层设有出口，出口通过外设的循环液回流管将回流夹液层内的液体再次导入核心分离塔的矿化反应核心区内。

6、进一步，核心分离塔侧壁设有用以观测内部工作情况的反应观测口。

7、进一步，气泡发生装置包括气体净化与储存单元，气体净化与储存单元出口设有气体控制阀，气体净化与储存单元的出口通过管路连接有微纳气泡生成单元，微纳气泡生成单元连接有从核心分离塔底部向上产生气泡的微纳气泡喷射单元。

8、进一步，一段缓冲罐与二段缓冲罐连接的管路为缓冲液排液管，缓冲液排液管的入口端位于一段缓冲罐内的底部，缓冲液排液管的出口端位于二段缓冲罐侧壁的顶端；一段缓冲罐内设有液位计。

9、进一步，核心反应塔的结构为细长筒状结构，筒体直径与高度比为1：3-1：6，可以进行几个塔体串联增大处理量；回流液夹层控制核心反应塔内反应温度在20-60℃之间，外部循环不仅可以保证核心反应塔塔体内部反应体系温度高于或低于理想反应温度时能有效调整，而且不需要核心反应塔塔体本身设置温度控制单元，能提高核心反应塔塔体的运行稳定性与自身寿命；

10、进一步，反应观测口所在位置位于下搅拌叶片与中搅拌叶片之间的1/2-2/3高度，可外接高速动态摄像机与色度分析设备观测此区域气泡平均尺寸、颗粒运动速率、晶体成核速率以及晶体尺寸，用于综合分析浸出效率、矿化效率以及流场强度，进一步指导微纳气体生成与输入、复合流场强化、矿化过程优化等过程；

11、进一步，一段缓冲罐用于存储经过抽滤产生的滤液并为整个反应体系起到缓冲作用，其体积为二段缓冲罐的2-3倍，当液位计探测缓冲液位超过1/2-2/3时，自动启动缓冲液排液管通入二段反应罐，控温系统对二段反应罐对抽滤后的循环液进行温度控制，同时利用自动补药单元补充药剂，补充药剂根据分离的元素需求，包括浸提剂、螯合剂、分散剂、疏水剂、诱导剂，保证核心反应塔中的反应在适宜的温度与药剂浓度。

12、进一步，循环液回流管与核心反应区连接处设有高压雾化喷头。

13、一种煤系固废有价组分精深分离装置的分离方法，步骤如下：

14、根据需要从煤系固废中提取的成分，选择将煤系固废经过磨矿、浸出后的液体通过核心反应塔顶部设置的加料口加入核心反应塔内，加水至预设的矿浆浓度，同时按预设比例添加所需药剂；

15、气体净化与存储单元中的气体，其成分为：co2≥45％,so2≤1％，nox≤1％，经过气体控制阀输送至微纳气泡生成单元生成稳定的二氧化碳微纳气泡体系，微纳气泡通过微纳气泡喷射单元以浓度2-5l/min从核心反应塔底部进入核心分离塔，在多级搅拌系统搅拌形成的流场中与矿浆中需要回收的有价金属发生矿化反应，有价金属包括钙、镁、钾、钠、锌、锂、铁；

16、通过反应观测口综合观测矿化反应核心区的矿化效果，矿化产生微米、纳米级碳酸钙，经过二氧化碳矿化反应后的混合液经过通过溢流液排液管溢出并进入振动抽滤盘；

17、矿化生成的固体抽滤后作为精产品，通过振动抽滤盘中的滤布或滤纸进行回收，含有溶解的镁、钾、钠、铁、锂以及没反应完全的钙离子滤液进入一段缓冲罐，并由液位计进行液位测定，当达到预定液位高度时自动开启缓冲液排液管进入二段缓冲罐，当一段缓冲罐液位低于筒体高度1/2时停止关闭缓冲液排液管；

18、通过药剂成分与含量分析设备，包括红外光谱、紫外分光光度计、icp电感耦合等离子体、药剂成分分析仪，对二段缓冲罐中各类药剂的含量进行测定后，，通过自动补药单元对二段缓冲罐内液体进行药剂补充，并开启搅拌装置进行混合搅拌；

19、搅拌均匀并等到混合液温度达到预定温度后，打开排液开关通过真空泵输送混合液进入回流液夹层对核心反应塔的反应体系温度进行调控，最终通过循环液回流管被高压雾化喷头喷入核心反应区，完成一次循环循环反应；每循环提取钙一次，都需要向核心反应塔中补充反应液体和药剂；

20、一个循环周期反应既可有效脱除钙离子，而镁碳化需要经过3个循环周期以上，以碱式碳酸镁的形式存在，通过控温系统对二段反应罐加热至80-90摄氏度后形成固体沉淀物，通过抽滤得到碱式碳酸镁产品，钾、钠、锌、铁、锂的离子可在多次循环浓度过高后，通过膜渗透、浓缩手段分离提纯获取。

21、一种煤系固废有价组分精深分离装置的分离方法，步骤如下：

22、收集电厂脱碳飞灰加入核心分离塔中，向二段缓冲罐中加水并利用温控系统将水加热至65℃，随后打开排液开关、循环液回流管使加热后的水喷入核心分离塔至液固比20:1，启动多级搅拌系统对核心反应塔中进行能量强化输入形成矿浆，用以浸出飞灰中富含的钾、钠离子，浸出液通过溢流液排液管进入振动抽滤单元进行抽滤，抽滤后分离的固体继续加入核心分离塔，滤液经过浓缩后产生钾、钠富集液用于制备肥料；

23、分离出钾、钠后的飞灰在核心分离塔中以液固比20:1继续补充水，同时根据钙元素摩尔质量的5倍加入钙离子螯合剂a，以钙元素摩尔质量的2倍加入浸提剂b，以钙、镁元素摩尔质量和的1.5倍加入诱导成核剂c，同时按溶液体积0.5％的比例加入分散剂，控制核心分离塔内反应温度30℃；

24、对电厂尾气进行脱氮、硫至含量低于1％，并控制co2含量高于50％后作为反应介质，净化后的反应介质经过气体控制阀输送至微纳气泡生成单元生成稳定的二氧化碳微纳气泡体系，微纳气泡通过微纳气泡喷射单元以5l/min的浓度通过核心反应塔底部喷射进入，在多级搅拌系统搅拌形成的流场中与矿浆中的有价金属发生矿化反应形成矿化液，通过反应观测口记录了气泡群平均上升速率、气泡尺寸以及与固体颗粒间的碰撞速率，矿化液经过多级充分反应后通过溢流液排液管溢出并进入振动抽滤单元，此时矿化生成的碳酸钙抽滤后作为精产品，滤液进入一段缓冲罐，并由液位计进行液位测定，当达到段缓冲罐高度2/3时自动开启缓冲液排液管进入二段缓冲罐；

25、此时进入二段缓冲罐的缓冲液中浸提剂有部分损失，通过自动补药单元进行药剂补充至反应所需浓度，并开启搅拌装置进行混合搅拌均匀，由于此反应过程没有导致核心反应塔中温度发生明显变化，故补充好药剂的缓冲液经过排液开关进入回流液夹层，随后通过循环液回流管被高压雾化喷头喷入核心反应区进行再次循环反应，经过3次循环后，二次缓冲罐中的缓冲液经温度控制系统加热至60℃并恒温反应60min后，对缓冲液进行冷却抽滤，得到碱式碳酸镁产品。

26、有益效果：

27、1、实现煤矸石、粉煤灰及主要煤系固废中有价金属的高效回收与资源化利用，同时有效利用了二氧化碳作为反应原料，有助于减少碳排放，实现了固废资源化利用与碳减排等多重效益。

28、2、核心反应系统通过结构优化设计、多段搅拌、微纳气泡束射流等强化流场控制、核心反应观测与基于反应效率补偿指导参数调整、具备串联放大等多重优势耦合，改善了反应器内部流体流动特征，实现了固废浸取、矿化过程中微纳气泡-药剂混合液-矿物颗粒协同作用的优化控制，有助于指导固废有价组分精深分离过程中矿化设备优化设计及放大规律，进而指导工艺优化与设备更新。

29、3、通过多级搅拌装置形成的强流场以及微纳气泡射流形成的气泡与矿物之间形成高碰撞效率的核心反应体系，同时通过外部循环液建立反应循环以及温度控制，不仅提高了核心反应区的设备运行稳定性，还减少了反应介质流失浪费以及产生二次废液的问题，有助于降本增效；

30、本发明以核心装置配套技术的形式，通过流场强化与反应液循环有效地利用二氧化碳矿化技术实现了煤系固废中钙、镁等有价金属从离子浸出到经过化学反应合成碳酸钙、碳酸镁等高纯度产品，实现了物理过程强化+化学合成优化结合的煤系固废中有价组分精深分离与资源化利用，实现了原子尺度分离，离子交换与合成，纳米级碳酸盐的合成，在煤系固废有价组分资源化利用领域具有领先意义。

31、说明书附图

32、图1为本发明的煤系固废有价组分精深分离装置结构示意图；

33、图2为本发明实施例1分离出碳酸钙纯度示意图。

34、图中：1、气体净化与储存单元，2、气体控制阀，3、高压雾化喷头，4、反应观测口，5、循环液回流管，6、回流液夹层，7、核心分离塔，8、多级搅拌系统，9、溢流液排料管，10、振动抽滤盘11、液位计，12、缓冲液排液管，13、自动补药单元，14、搅拌装置，15、一段缓冲罐，16、二段缓冲罐，17、控温系统，18、排液开关，19、微纳气泡喷射单元，20、微纳气泡生成单元。