工艺基础部分

1《氧化铝制取工——基础知识》目录第一篇氧化铝生产工艺第一章氧化铝生产基本原理第一节概述第二节氧化铝生产方法第三节铝酸钠溶液第二章原料制备第一节概述第二节配矿第三节磨矿第四节拜耳法配料第五节烧结法配料第六节石灰煅烧及石灰乳制备第三章熟料烧结第一节概述第二节熟料烧结的原理及工艺第三节煤粉燃烧与制备第四节硫在氧化铝生产过程中的危害及排硫方法第五节影响熟料窑产量和质量的因素第六节降低熟料烧结热耗的途径第四章溶出第一节烧结法熟料溶出第二节拜耳法铝土矿溶出第五章液固分离第一节概述第二节沉降第三节过滤第四节赤泥分离与洗涤第五节氢氧化铝分离与洗涤第六章脱硅第一节烧结法脱硅第二节拜耳法脱硅第七章铝酸钠溶液分解2第一节概述第二节铝酸钠溶液的晶种分解第三节铝酸钠溶液的碳酸化分解第八章氢氧化铝焙烧第一节概述第二节氢氧化铝的焙烧原理及工艺第三节焙烧过程对氧化铝质量的影响第四节焙烧炉燃料及燃烧第九章母液蒸发第一节概述第二节母液蒸发的原理及工艺第三节蒸发器结垢的生成及清除第四节碳酸钠的苛化及回收第十章氧化铝生产的主要技术经济指标第一节氧化铝生产的主要消耗指标第二节降低氧化铝生产消耗的途径第三节资源的综合利用第二篇氧化铝生产设备第十一章固体输送设备第一节带式输送机第二节链式输送机第三节螺旋输送机第四节斗式提升机第五节翻车机第六节堆料机、取料机和堆取料机第七节气力输送设备第十二章流体输送设备第一节泵第二节气体输送设备第十三章磨矿及分级设备第一节球磨机第二节分级设备第十四章煅烧设备第一节石灰竖炉第二节回转窑3第三节焙烧炉第十五章液固分离设备第一节沉降槽第二节过滤设备第十六章压力容器第一节压力容器基础第二节氧化铝生产中的压力容器第十七章除尘设备第一节旋风除尘器第二节袋式除尘器第三节静电除尘器第十八章其他相关设备第一节各类槽体第二节降温设备第三节主要阀体第三篇综合基础知识第十九章安全及环境保护第一节安全操作基础知识第二节安全用电基础知识第三节环境保护第四节职业健康与劳动保护第二十章相关法律、法规知识第一节劳动法第二节安全生产法第三节环境保护相关法律法规第二十一章管理知识第一节生产管理第二节技术管理第三节质量管理第二十二章职业道德4第一篇氧化铝生产工艺第一章氧化铝生产原理第一节概述一、氧化铝工业发展概况1858年吕·查得里提出了铝土矿—苏打烧结法生产氧化铝的方法。由于在烧结过程中铝土矿中的Al2O3、SiO2与苏打反应生成不溶性的铝硅酸钠，造成氧化铝和苏打的大量损失。1880年由米尤列尔提出往苏打、铝土矿炉料中添加石灰石，使得烧结过程不生成或很少生成铝硅酸钠，大大减少了氧化铝和苏打的损失，后又改为添加石灰，以至发展成为今天的碱——石灰烧结法，这一方法是目前处理高硅铝土矿生产氧化铝的主要工业生产方法。1889—1892年奥地利人K.J.拜耳发明了用苛性碱溶液直接浸出铝土矿生产氧化铝的方法，为氧化铝的大规模生产和迅速发展开辟了道路。此法用在处理低硅铝土矿，特别是处理三水铝石型优质铝土矿，其经济效果优于其它生产方法。烧结法和拜耳法是目前工业生产氧化铝的主要方法。国外生产氧化铝绝大多数采用拜耳法，少数采用烧结法或拜耳-烧结串（并）联法。中国结合自己的资源情况，首创了拜耳-烧结混联法，极大地提高了氧化铝的总回收率。随着生产技术的不断提高，石灰拜耳法、选矿拜耳法等一些新的生产方法不断被应用到生产中来。我国氧化铝工业发展非常迅速，从1954年山东铝厂投产后，又相继建成了郑州铝厂、贵州铝厂、山西铝厂、中州铝厂和平果铝厂等，近几年来，原有各氧化铝厂的生产规模在不断扩大，新建和拟建的氧化铝厂也在不断增加。二、氧化铝和氧化铝水合物（一）氧化铝存在于自然界中的氧化铝称为刚玉（α—Al2O3），是在火山爆发过程中形成的。它在岩石中呈无色的结晶，也可与其它氧化物杂质（氧化铬和氧化铁等）染（形）成带色的结晶，红色的叫红宝石，蓝色的叫蓝宝石。工业氧化铝是各种氧化铝水合物经加热分解的脱水产物，按照它们的生成温度可以分为低温氧化铝和高温氧化铝两类。通常电解炼铝用的氧化铝是α—Al2O3和γ—Al2O3的混合物。α—Al2O3它属于六角晶系，由于有完整坚固的晶格，所以它是所有氧化铝同质异晶体中化学性质最稳定的一种，在酸或碱液中不溶解。γ—Al2O3属于立方晶系，γ—Al2O3具有很大的分散性，化学5性质较为活泼，易与酸或碱溶液作用。（二）氧化铝水合物氧化铝水合物是构成自然界各种类型铝土矿的主要成分。结晶的氧化铝水合物通常按所含结晶水数目不同，分为三水型氧化铝和一水型氧化铝两类。目前认为三水型氧化铝的同类异晶体包括：三水铝石、拜耳石和诺水铝石（或称新三水铝石）。一水型氧化铝的同类异晶体则包括一水软铝石和一水硬铝石。除上述结晶的氧化铝水合物外，还有一种结晶不完善或低结晶氧化铝水合物称之为铝胶。如拟薄水铝石和无定型铝胶其结晶都不完善，它们都属于铝胶类。氧化铝水合物的分类、命名及表示符号列于表1—1中。表1—1氧化铝水合物的分类及其表示符号类别组成名称常用符号三水型氧化铝Al2O3·3H2O三水铝石Al(OH)3或Al2O3·3H2O拜耳石β—Al(OH)3或β—Al2O3·3H2O诺水铝石β′—Al(OH)3或β′—Al2O3·3H2O2O一水型氧化铝Al2O3·H2O一水软铝石γ—AlOOH或γ—Al2O3·H2O一水硬铝石α—AlOOH或α—Al2O3·H2O铝胶Al2O3·nH2O拟薄水铝石α—Al2O3·nH2O（n=1.4～2.0）无定型铝胶Al2O3·nH2O（n=3～5）三、铝电解生产用氧化铝铝电解生产用氧化铝主要由α—Al2O3和γ—Al2O3所组成。氧化铝的质量直接影响所得金属铝的纯度和铝电解生产的技术经济指标。因此，作为铝电解生产原料的氧化铝对其化学纯度和物理性质都有一定的要求。（一）氧化铝的化学纯度成品氧化铝除主要成分是Al2O3外，往往含有少量的SiO2、Fe2O3、Na2O和H2O等杂质。电解用氧化铝必须具有较高的化学纯度。如果其中含有比铝更正电性元素的氧化物杂质（如：Fe2O3、SiO2、TiO2、V2O5等），这些元素在电解过程中将首先在阴极析出而使铝的质量降低。SiO2还会与氟化盐反应，生成的SiF4则是有毒气体既污染环境又造成氟的损失。如果其中含有比铝更负电性元素的氧化物（如碱金属及碱土金属Na2O等），则与电解质作用，改变了电解质的正常组成，不利于电解操作。氧化铝中残存的结晶水以灼减表示，它也是有害杂质。因为水与电解质中的AlF3作用而生成HF，造成了氟盐的损失，并且污染了环境。此外，当灼减高或吸湿后的氧化铝与高温熔融的电解质接触时，则会引起电解质爆溅，危及操作人员的安全。6氧化铝质量的分级根据标准YS/7274—1998分为四个等级。如表1—2所示。表1—2氧化铝质量等级标准级别牌号Al2O3（%）SiO2（%）Fe2O3（%）Na2O（%）灼减（%）一级Al2O3—1≥98.6≤0.02≤0.02≤0.50≤1.0二级Al2O3—2≥98.4≤0.04≤0.03≤0.60≤1.0三级Al2O3—3≥98.3≤0.06≤0.04≤0.65≤1.0四级Al2O3—4≥98.2≤0.08≤0.05≤0.70≤1.0（二）氧化铝的物理性质用于表征氧化铝物理性质的指标有：安息角、α—Al2O3含量、容重、粒度和比表面积以及磨损指数等。1.安息角安息角是指物料在光滑平面上自然堆积的倾角。安息角较大的氧化铝在电解质中较易溶解，在电解过程中能够很好的覆盖于电解质结壳上，飞扬损失也较小。2.α—Al2O3含量氧化铝中α—Al2O3含量反映了氧化铝焙烧程度，焙烧程度越高，α—Al2O3含量越多，氧化铝的吸湿性随着α—Al2O3含量的增多而变差。所以，电解用的氧化铝要求含一定数量的α—Al2O3。但α—Al2O3在电解质中的溶解性能较γ—Al2O3差。3.容重氧化铝的容重是指在自然状态下单位体积物料的重量。通常容重小的氧化铝有利于在电解质中的溶解。4.粒度粒度是指物料的粗细程度。氧化铝的粒度必须适当，粒度过粗在电解质中溶解速度慢，甚至沉淀；过细则容易飞扬损失。5.比表面积比表面积是指单位质量物料的总表面积(外表面积与内孔表面积之和)。它是表示物质活性高低的一个重要指标。比表面积大的氧化铝在电解质中溶解性能好，活性大，但易吸湿。6.磨损指数所谓磨损指数是指氧化铝在特定的测定条件下磨撞后，试样中-44μ粒级含量改变的百分数。磨损指数是表征氧化铝强度的一项物理指标。7根据氧化铝的物理性质通常又可将氧化铝分为砂状、面粉状和中间状三种类型。这三种类型的氧化铝在物理性质上有较大的差别。砂状氧化铝具有平均粒度较粗，粒度组成比较均匀，细粒子和过粗颗粒都较少、比表面积大、强度高、流动性好等特点。而面粉状氧化铝的特点则是细粒子含量多、平均粒径小、比表面积小、强度低、流动性差，煅烧程度高于砂状氧化铝。而中间状氧化铝的物理性质介于二者之间。四、铝土矿及其它铝矿石（一）铝土矿地壳中铝的平均含量为8.7%左右，折合成氧化铝为16.4%，仅次于氧和硅居于第三位，在金属元素中位于第一位。由于铝的化学性质活泼，它在自然界只以化合物状态存在。地壳中的含铝矿物约有250种左右，其中约40%是各种铝硅酸盐，最重要的含铝矿物只有14～15种，而铝土矿就是目前氧化铝生产的主要矿石资源，世界上生产的氧化铝95%左右是从铝土矿中提炼出来的。铝土矿是一种组成复杂、化学成分变化很大的矿石。其主要含铝矿物为三水铝石、一水软铝石和一水硬铝石，其次还含有不同数量的其它矿物。根据铝土矿中含铝矿物存在的形态不同将铝土矿分为三水铝石、一水软铝石、一水硬铝石及混合型（铝石）四种类型，我国多数地区的铝土矿属于一水硬铝石型铝土矿。根据铝土矿的成因又可把它分为红土型铝土矿、沉积型铝土矿、岩溶型铝土矿、堆集型铝土矿四大类。从根本上讲，无论铝土矿的化学组成还是其矿物组成都取决于铝土矿矿床的成因类型。评价铝土矿的质量不仅看它的化学成分、铝硅比的高低，而且还要看铝矿的类型。铝土矿中氧化铝的含量通常在45%～75%之间。铝土矿中的二氧化硅是碱法（尤其是拜耳法）生产氧化铝过程中最有害的杂质。我们把铝土矿中的氧化铝与二氧化硅的重量之比值称为铝土矿的铝硅比，以符号A/S表示。氧化铝生产要求铝土矿铝硅比和氧化铝含量越高越好，因为这两项要求对氧化铝厂技术经济指标影响很大。处理铝硅比低的铝土矿较处理铝硅比高的铝土矿在工艺上要复杂得多，并且单位产品的投资及生产成本要高。铝土矿的类型对氧化铝的可溶性影响较大。三水铝石最易溶于苛性碱溶液,一水软铝石次之，一水硬铝石最难溶，有资料表明用苛性碱溶液溶出澳大利亚的三水铝石—一水软铝石混合型矿溶出温度245℃、115g/l苛性碱浓度，溶出时间只需7分钟，用我国一水硬铝石型矿在245℃、240g/l苛性碱浓度下需要150分钟。铝土矿的外观和物理化学性质变化很大，因其矿物组成和化学成分不同而异，三水铝石型多呈松散碎屑状，而一水硬铝石主要为石质块状，矿石结构有土状、致密状与豆8鲕状。铝土矿可以具有从白色到赭色之间的很多颜色。一般含铁高的呈红色，含铁低的呈灰白色、黄褐色及褐色，硬度变动于1～9之间。我国铝土矿资源较为丰富，其特点是高铝、高硅、低铁，大部分为一水硬铝石型铝土矿，铝硅比多数在4.0～7.0之间，在10.0以上的优质铝土矿较少。我国几处铝土矿的化学成分如表1—3所示。表1—3我国几处铝土矿的化学组成产地铝硅比化学组成Al2O3SiO2TiO2Fe2O3山东河南（Ⅰ）河南（Ⅱ）河南（Ⅲ）山西（Ⅰ）山西（Ⅱ）广西贵州（Ⅰ）贵州（Ⅱ）3.49.387.713.874.735.269.77.329.3555.070.7960.2562.065.864.757.5469.170.916.07.557.8116.0413.912.35.929.457.592.53.33.63.033.13.03.543.183.7612.03.129.72.01.54.419.051.612.25(二)其它铝矿石除铝土矿外，已用于工业生产的铝矿石有明矾石和