降低拜耳法生产氧化铝溶出过程碱耗的研究

降低拜耳法生产氧化铝溶出过程碱耗的研究

雷炳刚

广西华银铝业有限公司   广西德保   533700

摘要：国内的铝土矿以一水法铝石型为主，其资源十分丰富，且以铝氧化为主。为了消除硅和钦矿物对一水硬铝石型铝土矿的溶出，为了消除其对硅和铁矿物的伤害，一般采用加入的方法来增加其溶出速率和降低碱耗。但是，在一般的条件下，红泥中的铝－硅比例分别在1.5~2.0和0.4之间。如果不加以利用，将会导致大量的碱耗和降低矿石的利用效率；如果要进行再生，必须使用更大的能量消耗的烧结工艺，从而增加了整个工艺的能源消耗。因而，国内氧化铝土资源的开发受到了严重的限制。

关键词：拜耳法；氧化铝；碱耗；添加剂；水化铁酸钙

以一水化铁为原料，制备了一种适宜于拜耳工艺的新型助剂——一水化铁酸钙，并与以石灰作拜耳法制备的溶解剂进行了比较。

1、氧化铝工业概述

由于铝和它的各种优异的特性，以及它的资源量非常大，从它诞生到现在，它的发展速度非常快。一年全球铝材的生产总量是万吨，而在21世纪中叶，铝的产量已超越了铜，成为全球最大的有色金属之一。

冰晶石一氧化铝工艺是当前国内唯一的一种工艺，因为每次电解铝的用量都接近氧化铝，所以在我国的发展中，氧化铝的产量相对快速增长。根据使用的不同，氧化铝粉又可以分成两类：一种是冶炼型的，另一种是不含冶炼型的。冶炼用氧化铝是一种利用熔融电解技术来制备电解铝土矿的氧化铝，其中冶金用的氧化铝是一种主要的冶炼用氧化铝。在电子、精密陶瓷和军工等许多高科技行业中，有许多种类的氧化铝产品。

世界上首家使用拜耳工艺的氧化铝工厂，从1894年开始，每天的产能只有1 T，近百年来，由于技术的发展和对氧化铝的需求量的增长，使我国的氧化铝产业迅速发展。其原因是：公司的产能在持续扩张，生产技术的进步，能源和人力资源的大量减少，使得1 T氧化铝的总能量从50 GJ的30 GJ下降到了现在的9GJ-12 GJ。

2、氧化铝生产的基本方法

碱法是利用碱性的工业碱和碱对铝土矿进行加工，将氧化铝转化成铝酸钠。矿物中的铁、钦等杂质和大多数的硅形成了一种不溶于水的复合混合物。将赤泥浆从水中提取并清洗后丢弃或其他的综合处理。将经纯化的铝酸钠水解成氢氧化铝，再将其回收到产品中。

3、拜耳法生产氧化铝原理

该工艺适用于生产低硅铝土，特别适用于三水铝石型铝土矿，工艺简便，操作简便，产品品质好，是其他工艺无法相比的。目前全球范围内，已有超过一半的氧化铝都是使用拜耳工艺。

拜尔法由两个重要步骤组成，即两个由拜耳发明的专利。一是在室温下，当NA2O和AL2O3的比例为1.8时，加入一种氢氧化铝，通过不停地搅动，使Al2O3的溶液慢慢地沉淀出来，直至Na2o和Al2O3的比例达到6，即进行铝酸钠的结晶降解。第二个方法，是将大量的氢氧化铝沉淀出来，然后在高温下，将铝土石中的铝水合物溶解出来。通过这两种方法的轮流应用，可以对铝土矿进行分批加工，从而得到纯正的氢氧化铝产物，即拜尔周期。

铝土矿中的铝酸钠溶液是由 A点组成，它可以溶解铝的水化物。在溶出过程中，如果不考虑溶出时的碱消耗，那么在A1203-H20 （溶于一水铝石）或A12033H20 （三水铝石溶解）的图点连线变化直到达到饱和为止。从原理上讲，溶解物的最后组成能到达该曲线与溶解等温线相交的 B。要使氢氧化铝沉淀，需要添加赤泥洗涤溶液，以减少溶解后溶液的稳定性。随着Na20、A1203在水溶液中的含量同时下降，其组成元素 B沿等摩尔比线向 C方向发生了改变。在将赤泥分开后，继续将其降温，以增加其过饱和度，再添加氢氧化铝作种晶，使之与之发生裂解，沉淀成氢氧化铝。在该工艺中，该溶液组分沿 C和AI2033H20之间的曲线发生了改变，在该步骤完成后，该溶液的组分为 D，并在该步骤完成后进行汽化和浓缩。当Na20、A1203在水溶液中的含量增加时，它的组成有 D点沿等摩尔比线向 A方向移动，此周期称为拜尔周期。

4、拜耳法的基本的工艺流程

除了溶出、稀释、分解、蒸发四大工序之外，拜耳工艺中还包括粉碎和原矿浆料制备工艺，分离洗涤泥渣、氢氧化铝的焙烧法、硫酸钠的烧碱工艺等。

  4.3拜耳法生产氧化铝流程中的碱耗

碱耗是以A120/t单位的 NazO为单位，它是一种主要的技术和经济效益，它能很好地体现出氧化铝的经济、技术、装备的最佳状态。

4.3.1化学损失

所谓的“化学损耗”是指在污泥中不能溶解的碱量流失，这一比例在总的碱耗中超过60%。铝土矿中Si0：溶解时产生的是一种含有氢氧化铝的硅酸盐（Na-SiO）。由此可以看出，随着矿物中的铝－硅比率的增加，Na20的流失也会减少；矿物中的铝－硅比率愈小，则会失去更多的Na20。

在铝土矿的溶解中，除少量Na20被Si0：引入到红泥中之外，其余的元素也会与铝钠发生化学反应，从而导致氧化氮的流失。

4.3.2赤泥附液损失

拜耳制碱耗的附液量损耗是在赤泥浆中所带来的碱量损耗，因为在脱除时不能彻底除去所含的Na20，所以它会导致Na20的流失。

4.3.3其他损失

在产生期间的跑、冒、滴、漏和从产品A123中除去Na20也会导致Na20的损耗。

5、影响拜耳法溶出过程中碱耗的因素

5.1溶出温度对碱耗的影响

由于反应速率和扩散常数与温度有关，因此，无论是通过化学反应还是通过扩散来调控溶解，都会对其产生重要的影响。在高温下，A1Z03溶解速率和溶解速率均随溶出温度的升高而增加，溶解速率和溶剂与反应物质的溶出速率均有所提高，Sl0的升温不但可以加快A1203的溶解速率，同时也能使A1203溶解速率下降到1.45，使铝酸钠的硅含量指标上升到200~250或更多，同时还可以缩短溶解时间，如果溶解温度高于300摄氏度，则溶解过程只需十多分钟，或几分钟即可。在溶解时，硅酸盐与铝酸盐的混合液会产生一系列的反应，在不同的温度下，硅渣和石榴石的析出率也会随着时间的推移而改变，从而决定了红泥的粒径和碱度。

5.2母液中Na2C03含量对碱耗的影响

铝土中碳酸盐、溶出用的石灰石，白云石，空气中C02与碱发生化学反应，形成Na2C0：在拜尔法生产氧化铝过程中，随着Na2C的积累，Na2C的浓度达到一定的水平，就会发生反苛化，造成拜耳过程中Na20的损失，在含有Na2C03的铝酸钠溶液体系中，石榴石易被NaZC03分解并转变为钠硅渣。Na2C03在溶液中的溶解速率随温度的提高和NaZC03的浓度的提高而提高，从而将水化石榴石转变成钠硅残留量，从而造成Na20的大量流失，从而提高了红泥渣相的耐碱量。

结论

在拜耳法生产氧化铝工艺中，减少碱消耗一直是国内外学者关注的焦点，但由于高品位铝土矿的贫瘠，这一问题就显得更为严重。

（1）一水硬铝石型铝土矿越容易溶出，活性二氧化硅比例越大，赤泥中的钠硅比含量相对越高，碱耗相对越大；(2）将铝土矿在特定的高温（5000℃）烘烤可提高铝和二氧化硅的活化，并提高了其溶解率。

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