氧化铝生产工艺

拜耳法生产氧化铝第一节拜耳法的原理和基本流程一、拜耳法基本原理和实质拜耳法是拜耳在1889～1892年发明而命名的，它在处理铝硅比高的铝土矿时，流程简单、产品质量好，因而成为工业氧化铝最基本和主要的生产方法。拜耳法的基本原理有两条：⑴用NaOH溶液溶出铝土矿所得到的铝酸钠溶液在添加晶种，不断搅拌和逐渐降温的条件下，溶液中的氧化铝便呈Al(OH)3析出。⑵分解得到的母液（主要含NaOH），经蒸发浓缩后在高温下可用来溶出新的一批铝土矿。交替使用这两个过程就能够连续地处理铝土矿，从中不断产出纯的Al(OH)3产品。拜耳法的实质就是使下一反应在不同的条件下朝不同的方向交替进行：Al2O3·xH2O+2NaOH+(3-x)H2O=2NaAl(OH)4首先是在高温条件下用NaOH溶液溶出铝土矿，将其中氧化铝水合物溶出.使反应向右进行得到铝酸钠溶液，铁、硅等杂质则进入残渣赤泥中；往彻底分离赤泥后的铝酸钠溶液中添加晶种，在不断搅拌和逐渐降温的条件下进行分解，使反应向左进行析出Al(OH)3，并得到含NaOH的母液；母液经蒸发再返回用以溶出新的一批铝土矿；Al(OH)3经煅烧后便得到产品氧化铝。二．拜耳法的循环效率和循环碱量循环效率是指1吨Na2O在一次拜耳法循环中所产出的Al2O3的量（吨），用E表示。它反映了碱在循环中的利用程度，E的数值越高，说明碱的利用率愈好。E=1.645［t·AI2O3/(t·Na2O)］2121循环碱量是指生产1吨氧化铝在循环母液中所必须含有的碱量（不包括碱损失）。它是E的倒数，常用N表示。N==0.608［t·Na2O/(t·AI2O3)］上两式中，α1——循环母液的苛性比值α2——溶出液的苛性比值利用上述公式可计算出生产1吨氧化铝理论上应配的碱量。例题：某氧化铝厂在生产过程中所控制的指标为α1=3.04α2=1.65，计算生产1t氧化铝理论上应配的碱量和循环效率。答案：N=0.608=1..95［t·Na2O/(t·AI2O3)］E=1/N=1/1.95=0.513［t·AI2O3/(t·Na2O)］212165.104.365.104.3三、拜耳法生产流程拜耳法生产流程如下图：（拜耳法基本流程图）拜耳法流程中主要的工序有破碎，湿磨溶出，稀释，沉降分离赤泥，赤泥洗涤，晶种分解，煅烧，蒸发和苛化。破碎：将矿石及其它生产原料破碎成要求粒度，通常分为粗碎，中碎，细碎三段，设备主要有鄂式，圆锥式。辊式和冲击破碎机。湿磨：将铝土矿按配料要求配入石灰和循环母液磨制成合格的原矿浆，设备有球磨机。溶出：在高温、高压条件下，使铝土矿中的氧化铝水合物从矿石中溶解出来，制得铝酸钠溶液，而铁硅等杂质则进入残渣赤泥中。采用的设备是高压溶出器。稀释：溶出后的浆液，用赤泥洗液加以稀释，以进一步脱除溶液中的硅，且重要的是为沉降分离赤泥和晶种分解创造必要条件。采用的设备常有搅拌装置的稀释糟。沉降分离赤泥：稀释后的溶出浆液送入沉降槽处理，以使铝酸钠液和赤泥分离开来。赤泥洗涤：沉降分离出来的赤泥浆液，必须加水洗涤，以回收赤泥附液中的有用成分（碱和氧化铝）。洗涤次数一般为5~8次，洗涤设备使用沉降槽。晶种分解：将分离后的铝酸钠精液送入分解槽内，加入A1(OH)3晶种，不断搅拌并逐渐降低温度，使之分解析出A1(OH)3并得到含有NaOH的母液。煅烧：用煅烧设备在高温下将A1(OH)3的附着水，结晶水除去，以获得合格的氧化铝。目前煅烧设备有回转窑，循环流态化煅烧炉和沸腾闪速煅烧炉。蒸发：种分母液需在蒸发器中浓缩，以提高其碱浓度，保持循环体系中水量平衡，使母液达到符合拜耳法溶出的要求。苛化：在蒸发时还有一定数量的Na2CO3·H2O从母液中结晶折出，将其分离出来用Ca(OH)2苛化成NaOH，与蒸发母液一同送往湿磨配翻车机堆取料机堆料机格子磨第二节铝土矿溶出过程高压溶出是用循环母液溶出磨细的铝土矿，目的是将铝土矿中的氧化铝水含物溶解成铝酸钠溶液，并使杂质尽可能地残留于赤泥中。一、溶出过程的主要反应一般可将溶出反应分为二大类，一类是氧化铝水化合物的溶出反应，另一类是杂质矿物在溶出过程中的反应。1：三水铝石和一水铝石在溶出时的反应Al2O3·3H2O+2NaOH=2NaAl(OH)4Al2O3·H2O+2NaOH+2H2O=2NaAl(OH)4铝土矿中氧化铝水合物存在的状态不同要求的溶出条件也不同，下表是溶出不同类型的铝土矿通常采用的溶出条件。不同类型的铝土矿通常采用的溶出条件温度（℃）压强（MPa）Na2O(（g/l)三水铝石型140～1500.39120～140一水软铝石205～2301.18～2.29140～220一水硬铝石230～2452.94250～3002：含硅矿物在溶出时的反应和危害铝土矿中的SiO2主要以高岭石Al2O3·2SiO2·2H2O形态存在。在溶出时，各种形式的含硅矿物与苛性碱作用，硅均以Na2SiO3形式进入溶液，但当Na2SiO3浓度超过溶液的平衡浓度后，Na2SiO3便与铝酸钠反应生成水合铝硅酸钠逐渐析出，直到溶液浓度降至平衡。Al2O3·2SiO2·2H2O+6NaOH=2NaAl(OH)4+Na2SiO31.7Na2SiO3+2NaAl(OH)4=Na2O·Al2O3·1.7SiO2·H2O+3.4NaOH+1.3H2O以上反应造成Al2O3和Na2O的损失，所以SiO2是碱法生产氧化铝最有害的杂质。含硅矿物的危害生成水合铝硅酸钠，造成Na2O和Al2O3损失，按硅渣的组成Na2O·Al2O3·1.7SiO2·H2O可计算出硅渣中SiO2与Al2O3和Na2O比例为1∶1∶0.608，这说明拜耳法生产中每从溶液中脱除1吨SiO2，理论上大约就要损失1吨Al2O3和0.608吨Na2O。水合铝硅酸钠在溶出设备上的结垢。在溶出过程中，水合铝硅酸钠易在预热器，高压溶出器和管道等设备的内壁上析出形成结垢，造成设备传热系数大大降低，能耗增大，管道不畅，清理工作量增加等影响正常生产恶化溶出各项技术经济指标的后果。水合铝硅酸钠进入产品，降低产品质量。产品氢氧化铝中的SiO2，一部分来自浮游物中的钠硅渣，另一部分是在分解过程中析出的水合铝硅酸钠，它们同时增加了产品中的Na2O的含量，使产品氢氧化铝受到污染。可见，硅的危害极大，拜耳法生产中要严格控制铝土矿中硅的含量，铝硅比低的铝硅矿不宜采用拜耳法生产氧化铝。3：铝土矿中其他矿物在溶出时的反应⑴含铁矿物铝土矿中的含铁矿物主要是铁氧化物，它们在拜耳法溶出过程中不与苛性碱反应，溶解度也非常小，氧化铝溶出后，它们残留在赤泥中，成为赤泥的重要组成部分。⑵含钛矿物氧化钛与苛性碱溶液作用生成钛酸钠。在溶出一水硬铝石型铝土矿时，钛酸钠很致密地将一水铝石颗粒包裹起来，阻碍其溶出；三水铝石易于溶解，它在钛酸钠生成之前已经溶解完毕，TiO2起不到阻碍作用；一水软铝石受到的阻碍作用也小得多。在拜耳法生产中，TiO2是很有害的杂质，它引起Na2O的损失和Al2O3溶出率的降低，特别是在原矿浆预热器和压煮器的加热表面生成钛结疤，增加热能的消耗和清理工作量。铝土矿在溶出时添加石灰是减少和消除TiO2危害的有效措施，CaO与TiO2反应生成钛酸钙CaO·TiO2，它可以有效地防止在一水硬铝石表面生成钛酸钠保护膜。⑶含硫矿物铝土矿中的含硫矿物主要以黄铁矿(FeS2)形态存在，在溶出过程中黄铁矿与碱溶液作用，最终转变为Na2SO4。生产中Na2SO4会影响生产的正常运行，因此拜耳法处理的铝土矿中硫的含量应低于0.7%。⑷碳酸盐碳酸盐在铝土矿中的存在形态有石灰石CaCO3，菱铁矿FeCO3，菱镁矿MgCO3等，它们与苛性碱溶液反应生成碳酸钠和相应的氢氧化物，影响正常的生产，因此碳酸盐是铝土矿溶出时的一种有害杂质。二、铝土矿中氧化铝溶出率及碱损失量的计算1、氧化铝理论溶出率氧化铝理论溶出率是表示铝土矿中氧化铝理论溶出量占原铝土矿中氧化铝量的质量百分数。η理=×100%式中：A-铝土矿中氧化铝的含量（%）S-铝土矿中二氧化硅的含量（%）2、氧化铝实际溶出率在溶出时，实际溶出的Al2O3量与矿石中Al2O3之比称为Al2O3的实际溶出率，用η实表示。η实=×100%ASA赤矿矿赤32323232OFeOAlOFeOAl3、氧化铝相对溶出率相对溶出率为实际溶出率对理论溶出率的比值，用以衡量不同溶出制度的效果η相=×100%=4、溶出理论碱损失量表示生产1吨氧化铝理论上所损失的碱量Na2O(耗)=×1000=kg-Na2O/t-Al2O3理实ηn1)/()/()/(矿赤矿SASASASAS608.01608SA三、影响铝土矿溶出过程的因素1、溶出温度温度是影响溶出过程最主要的因素，升高溶出温度，可加快溶出速度及增大设备产能。2、循环母液碱浓度及苛性比值循环母液的Na2Ok浓度及苛性比值愈高，Al2O3溶出速度及设备产能越大，综合考虑流程的平衡，应选择适当的碱浓度及苛性比值。3、矿石细磨程度矿石磨得越细，溶出速度越快，但响应的动力消耗增加及赤泥分离困难。4搅拌速度搅拌可使溶出速度加快，并可防止矿浆杂加热表面结垢，有利与生产。5石灰添加量对难溶性铝土矿的溶出，添加3～8％的石灰有利于溶出速度加快。四、原矿浆的配料计算1、配料苛性比值配料苛性比是指当矿石的溶出率达到理论溶出率时溶出液的苛性比值，在实际生产中，一般通过实验和技术经济比较确定最宜的配料苛性比值。2、原矿浆的配料计算X=式中ηA----实际溶出率b----赤泥中的钠硅比αk------配料苛性比W-----石灰添加量（%）X------每m3循环母液应配入的矿石量Kgn、a---循环母液中Na2O和Al2O3浓度（g/L）A、S---铝土矿中Al2O3和SiO2的含量（%）C、C＇----矿石和石灰中CO2的含量)100(41.1608.0100)608.0(wccbsAanAkk3、矿浆的液固比L/S生产上常用检查原矿浆的液固比的方法来检验原矿浆配料是否合格。L／S=dL/(L+W)X=式中：dL、dS、dρ------循环母液，矿石，原矿浆的密度L----循环母液的质量S—铝土矿与石灰的质量W----石灰添加量（%）当生产中循环母液密度dL.，铝土矿和石灰的密度ds一定，用密度计测出原矿浆密度dp，则原矿浆液液固比可求出，以此作为控制配料操作的依据。)()(LLddpdsdpdsd五、溶出过程工艺1、蒸汽直接加热的高压溶出器组制备好的原矿浆在原矿浆槽中停留4～8h，进行预备硅。预脱硅后的矿浆用油压泥浆泵送入双程预热器预热到140～160℃后，再加入溶出器，在前两个或三个溶出器中用新蒸汽直接加热至溶出温度，然后依次进入其余溶出器，溶出后的料浆从最后一个溶出器排入自蒸发器自蒸发冷却；一级自蒸发器的二次蒸汽送往预热器作为热源，二级自蒸发器的二次蒸汽送去加热赤泥洗水；溶出矿浆与赤泥洗液混合，进行稀释。蒸汽直接加热的溶出器结构简单，易于制造和维修，但新蒸汽消耗大，料浆稀释增加了蒸发工序的负担和热耗。右图是蒸汽直接加热的溶出器结构简图压煮溶出器是由一定厚度的锅炉钢板焊接成的封闭筒体，顶部为半球面体，其上有进料管、不凝性气体排出管及出料管；底部为截头圆锥体，其中有蒸汽管，蒸汽喷头及套筒；筒体上部设有人孔；简体外部覆盖轻质保温层2、间接加热高压溶出器组其中的九个高压溶出器，前面六个(A1～A6)用自蒸发蒸汽将料浆加热到190～220℃，后面的三个(A7～A9)用新蒸汽加热到溶出温度(245℃)。从最后一个溶出器流出来的已经溶出完毕的料浆依次通过7个自蒸发器逐步降压冷却，然后自流进入稀释槽，多个高压溶出器的加热蒸汽冷凝水排入其下部的冷凝水罐，一共设有17个冷凝水罐，其中10个用来收集新蒸汽冷凝水用作锅炉用水，7个用来收集自蒸发冷凝水，用作赤泥洗水。间接加热高压溶出器组较蒸汽直接加热的溶出器组降低了气耗，增加了热利用效率，但其结构复杂，不便于维修和清理。机械搅拌高压溶出器结构简图3、管道化溶出管道化溶出设备由