魅力鑫恒
您的位置:
首页魅力鑫恒行业动态正文

行业动态

Industry news

科普:铝土矿是如何变成氧化铝的?

时间:2017-03-16

来源:

打印

字体:

土矿实际上是指工业上能利用的,以三水铝石、一水软铝石或一水硬铝石为主要矿物所组成的矿石的统称。铝土矿是目前氧化铝生产中最主要的矿石资源,世界上99%以上的氧化铝是用铝土矿为原料生产的。


铝土矿生产氧化铝方法大致可分为四类,即碱法、酸法、酸碱联合法和热法。但目前用于工业生产的几乎全属于碱法。本文将为大家简单介绍这四种氧化铝的生产方法,碱法中拜耳法应用最为广泛,因此本文对拜耳法工艺作了较为详细的叙述。


一、碱法


碱法生产氧化铝的基本过程如下图1所示,


图1 碱法生产氧化铝的基本过程

碱法工艺流程文字说明:

碱法生产氧化铝,是用碱(NaOH或Na2CO3)来处理铝矿石,使铝矿石中的氧化铝转变成铝酸钠溶液。矿石中的铁、钛等杂质和绝大部分的硅则形成不溶解的化合物,将不溶解的残渣(常含有大量氧化铁,呈红色,习惯上称为赤泥。)与溶液分离,经洗涤后弃去或综合利用,以回收其中的有用组分。纯净的铝酸纳溶液在合适的条件下分解析出氢氧化铝,经与母液分离、洗涤后进行焙烧,得到氧化铝产品。分解母液可循环使用,处理另一批矿石。


碱法生产氧化铝又分为拜耳法、烧结法和拜耳法-烧结法联合法等多种流程。


1
拜耳法


拜耳法是一种工业上广泛使用的从铝土矿生产氧化铝的化工过程。由K.J.Bayer于1889-1892年提出的,一百多年来它已经有了许多改进。它适用于处理低硅铝矿,尤其是在处理三水型铝土矿时,具有流程简单,作业方便,产品质量高,经济效益高等特点。

拜耳法基本原理:用浓氢氧化钠溶液将铝土矿中的氧化铝水合物转化为铝酸钠,通过稀释和添加氢氧化铝晶种使氢氧化铝重新析出,剩余的铝酸钠溶液也叫母液重新用于处理下一批铝土矿,实现了连续化生产。下图为拜耳法生产氧化铝的基本工艺流程图,每个工厂由于条件不同,可能采用的工艺流程会稍有不同,但原则上它们没有本质的区别。



图2 拜耳法生产氧化铝的基本工艺流程


从拜耳法生产的基本工艺流程,可以把整个生产过程大致分为如下主要的生产工序:原矿浆制备、高压溶出、溶出矿浆的稀释及赤泥的分离和洗涤、晶种分解、氢氧化铝分级与洗涤、氢氧化铝焙烧、母液蒸发及一水苏打苛化等,具体流程如下图所示。


a、原矿浆制备

原矿浆制备是氧化铝生产的第一道工序。所谓的原矿浆制备,就是把拜耳法生产氧化铝所用的原料,如铝土矿、石灰、铝酸钠溶液等按一定的比例配制研磨分散成符合溶出要求的原矿浆。


b、高压溶出

溶出是拜耳法生产氧化铝的两个主要工序之一。溶出的目的在于将铝土矿中的氧化铝水合物溶解成铝酸钠溶液。溶出效果好坏直接影响到拜耳法生产氧化铝的技术经济指标。


c、溶出矿浆的稀释及赤泥的分离洗涤

为了促进铝酸钠溶液发生分解,需对溶出矿浆的稀释,同时可降低铝酸钠溶液的黏度,以便于赤泥的沉降分离。由于分离后的赤泥附带有一部分铝酸钠溶液,为了减小Al2O3 和Na2O的损失以及环保,所以要对赤泥进行洗涤。


d、晶种分解

晶种分解就是将铝酸钠溶液降温,增大其过饱和度,再加入氢氧化铝作晶种,并进行搅拌,使其析出氢氧化铝的过程。它是拜耳法生产氧化铝的另外一个关键工序。该工序对产品的产量、质量以及全厂的技术经济指标有着重大的影响。晶种分解除得到氢氧化铝外,同时得到苛性比较高的种分母液,作为溶出铝土矿的循环母液,从而构成拜耳法生产氧化铝的闭路循环。


e、氢氧化铝的分离与洗涤

经晶种分解后得到的氢氧化铝浆液,要进行分离才能得到所需要的氢氧化铝和种分母液。分离后得到的氢氧化铝部分不经洗涤返回流程作晶种,其余部分经洗涤回收氢氧化铝附带的氧化铝和氧化钠后成为氢氧化铝成品。种分母液则返回流程中重新使用。


为了达到氢氧化铝和母液分离的目的,可采用不同的方法,如沉降或过滤等。料浆液固比大的可用沉降法,液固比小的可以过滤。由于料浆液固比影响过滤效率,因此,在一般情况下,都先将氢氧化铝料浆进行浓缩,然后再进行过滤分离。


f、氢氧化铝煅烧

煅烧就是将氢氧化铝在高温下脱去附着水和结晶水,并使其晶型转变,制得符合特定要求氧化铝的工艺过程。所以氧化铝的许多物理性质,特别是比表面积、α-Al2O3含量、安息角、密度等主要决定于煅烧条件。粒度和强度与煅烧条件也有很大关系。煅烧过程对氧化铝产品的杂质 (主要是SiO2)含量也有影响。


煅烧产品的质量指标有:化学纯度、灼减、α-Al2O3含量、粒度和安息角等。煅烧过程的技术及经济指标有:煅烧温度、燃料消耗量、产量等。


g、种分母液的蒸发

蒸发的主要目的是排除流程中多余的水分,保持循环系统中液量的平衡,使母液蒸发浓缩到符合拜耳法溶出铝土矿配制原矿浆的要求。除随赤泥带走以及在氢氧化铝煅烧等过程排除水分外,流程中多余的水分由蒸发工序排除。


h、一水碳酸钠的苛化

铝土矿中含有少量的碳酸盐 (如石灰石、菱铁矿等),铝土矿溶出时加入的石灰也因煅烧不完全而含有少量石灰石。碳酸盐与高浓度苛性碱溶液作用生成碳酸钠。铝酸钠溶液中的NaOH吸收空气中的CO2也会生成碳酸钠。这个反应称为反苛性化反应。


2NaOH+CaCO3(水溶液) →Na2CO3+Ca (OH)2(水溶液)


拜耳法生产过程中的苛性碱,由于在浸出过程中产生反苛化作用以及铝酸钠溶液吸收空气中的CO2,有约3%左右转变为碳酸碱,这些碳酸碱在蒸发过程中以固相一水碳酸钠析出。为减少苛性碱的消耗,将碳酸钠进行处理,以回收苛性碱。下面是一水苏打的苛化反应式。

Na2CO3·H2O+Ca(OH)2 →2NaOH+CaCO3+H2O


用拜耳法生产1t 氧化铝一般需用矿石1.7~3.4t,碱耗(NaOH)60~150kg,电耗200~350kW·H ,总能耗7.4~32.6GJ。


2
烧结法

碱石灰烧结法的基本原理是,使炉料中的氧化物经过高温烧结转变为铝酸钠 (Na2O·Al2O3)、铁酸钠 (Na2O·Fe2O3)、原硅酸钙 (2CaO·SiO2)和钛酸钙 (CaO·TiO2)用水或稀碱液溶出时,铝酸钠溶解进入溶液,铁酸钠水解为NaOH和Fe2O3·H2O沉淀,而原硅酸钙和钛酸钙不溶成为泥渣,分离除去泥渣后,得到铝酸钠溶液,再通入CO2进行碳酸化分解,便析出Al(OH)3,而碳分母液 (主要成分为Na2CO3)经蒸发浓缩后可返回配料烧结,循环使用。Al(OH)3经过焙烧即为产品Al2O3


碱石灰烧结法的特点:a适合于低A/S矿,A/S3~6;b流程复杂、能耗高、成本高;c产品质量较拜耳法低。


3
联合法


拜耳法和碱石灰烧结法是目前工业上生产氧化铝的主要方法,它们各有其优缺点和运用范围。而当生产规模较大时,采用拜耳法和烧结法的联合生产流程,可以兼有两种方法的优点,而消除其缺点,取得比单一的方法更好的经济效果,同时可以更充分利用铝矿资源。联合法可分为并联、串联和混联三种基本流程,它主要适用于A/S 7~9的中低品位铝土矿。


下表为碱法的三种工艺的对比。



我国铝土矿资源特点是高铝高硅的中低品位的一水硬铝石矿,采用的生产方法是烧结法和联合法,联合法中的拜耳法 (溶出温度高,苛性钠浓度大)也不同于国外处理三水铝石型铝土矿的拜耳法 (溶出温度低,苛性钠浓度小),所以,我国氧化铝生产与国外相比能耗高,成本高。


二、酸法


即用硝酸、硫酸、盐酸等无机酸处理含铝原料而得到相应铝盐的酸性水溶液。然后使这些铝盐或水合物晶体 (通过蒸发结晶)或碱式铝盐 (水解结晶)从溶液中析出,亦可用碱中和这些铝盐水溶液,使其以氢氧化铝形式析出。煅烧氢氧化铝、各种铝盐的水合物或碱式铝盐,便得到氧化铝。


三、酸碱联合法


先用酸法从高硅铝矿中制取含铁、钛等杂质的不纯氢氧化铝,然后再用碱法 (拜耳法)处理。其实质是用酸法除硅,碱法除铁。

四、热法



适于处理高硅高铁铝矿,其实质是在电炉或高炉内进行矿石的还原熔炼,同时获得硅铁合金 (或生铁)与含氧化铝的炉渣,二者借密度差分开后,再用碱法从炉渣中提取氧化。


作者:小白

参考资料:氧化铝生产工艺/毕诗文;氧化铝制取/刘自力等

特别感谢:河南长兴实业孙志昂教授的修改完善