拜耳法溶出-分离-脱硅

拜耳法溶出工艺吕国志2013-9-18东北大学主要内容原料制备拜耳法高压溶出溶出料浆的稀释与分离洗涤铝酸钠溶液脱硅第一部分：原料制备原料制备•原料制备是氧化铝生产中的第一道工序。原料制备的目的是为拜尔法生产配制出合格的原矿浆送高压溶出工序。拜尔法原料制备过程包括：铝矿石的破碎、磨矿、石灰烧制和配料。•拜尔法生产工艺对原料制备的要求：（1）参与化学反应的物料要有一定的细度；（2）参与化学反应的物料之间要有一定的配比和均匀的混合。•原料制备的任务是：（1）将铝土矿破碎并混均按比例配入富矿熟料（或石灰）送到磨前矿石储仓。（2）将蒸发母液按生产需求补充适当苛性碱制成合格的调配液。（3）将矿石（国内一水硬铝石矿要加石灰）和调配液按一定比例和数量加入矿浆磨内，磨制出合格的原矿浆。拜耳法原料制备过程包括：（1）铝土矿破碎与矿石预均化（2）石灰烧制（3）原矿浆制备（1）铝土矿破碎与矿石预均化•铝土矿破碎从矿山开采的矿石一般呈不规则形状。根据目前破碎设备的生产性能，一次破碎成符合磨矿粒度要求的细颗粒很困难，所以，破碎一般采用分段破碎，将破碎分成粗碎、中碎、细碎过程进行。由粒度1500~500mm的矿石破碎成400~125mm，叫粗碎；由400~125mm破碎成100~25mm叫中碎；由100~25mm破碎成25~5mm叫细碎。破碎机铝土矿破碎•影响矿石破碎的因素很多，主要与矿石的结构、硬度、形状大小以及均匀性等物理性质有关。为了得到合格的碎矿石，通常根据不同形式的矿石和矿石特性，采用不同的设备和破碎流程。破碎一水硬铝石型铝土矿时，通常采用颚式和圆锥式破碎机，此时破碎流程比较复杂；破碎其他形式的铝土矿时，可采用反击式和锤式破碎机，此时破碎流程比较简单。•铝土矿破碎主要有以下几种方法：压碎、壁碎、折断、磨剥、击碎。矿石破碎方法（1）压碎：利用两破碎工作面逼近时加压，使物料破碎。此法的特点是作用力逐步加大，作用力的范围较大，适用于破碎较硬的矿石。（2）壁碎：破碎工作是由尖齿楔入物料的壁面而完成的。其特点是作用力的范围较为集中而发生局部破裂。此法适用干脆性矿石的破碎。（3）折断：物料在破碎工作面间如同承受集中负荷的支点梁，除在外力作用点处受壁力之外，矿石本身发生折屈而破碎。（4）磨剥：破碎工作面在物料上相对移动，对物料施加剪压力，这种力是作用在物料的表面上。此法适用于细粒物料的磨矿。（5）击碎：利用击碎力的瞬间作用于物料上使物料破裂，是动力破碎。•铝土矿预均化铝土矿的预均化是在预均化堆场的堆料和取料过程中实现的。从铝土矿矿山来的矿石，其成分波动的周期长、振幅较大，采用专门的堆料机以薄层堆叠，层数可达200~500层。堆完后用专门的取料机械以垂直料层的方向和薄层切取的方式取料，使运出预均化堆场的矿石成分波动的周期缩短、振幅降低，其标准偏差缩小。•氧化铝生产原料的存储氧化铝厂是连续生产的工厂，要求各种原料（铝土矿、石灰石、焦炭及煤）在工厂必须有足够的存储量，以保证氧化铝厂连续而均衡地生产。各种生产原料所需的储存量取决于该原料的日用量和储存期。原料的储存量所能满足工厂生产需要的天数，称为该原料的储存期。物料名称铝土矿石灰石焦炭及煤一般储存期/天20~3010~2020~30氧化铝厂原燃料矿石的储存期•常用的矿石预均化设备预均化堆场的设备要适应所处理矿石物理性质（湿度、黏性、粒度、安息角等），其作业方式和性能决定了预均化的效果。常用的矿石预均化设备主要有：悬臂式皮带堆料机桥式斗轮取料机圆形堆场混匀堆取料机桥式、门式抓斗起重机带式输送机（2）石灰烧制生产石灰的原料是石灰石。中国的氧化铝厂中，石灰烧制设备主要有两种类型：竖式石灰炉和石灰回转窑。在钢铁行业国外氧化铝厂中还有双筒式竖式石灰炉。氧化铝生产中，对石灰石的质量要求是：项目质量要求1．CaO＞52.0%2．SiO2＜2.0%3．MgO＜1.0%除了对石灰石的化学成分有要求外，石灰石的粒度也应满足如下要求：竖式石灰炉——石灰石粒度50~110mm。如果采用分级煅烧，粒度范围可为30~150mm，其中30~70mm为一级，70~150mm为另一级。回转窑——要求入窑石灰石的粒度要均匀，不能夹杂粉料，石灰石粒度要求15~50mm。•石灰烧制工艺石灰石的主要成分是碳酸钙（CaCO3）,其中杂质有氧化硅、氧化铝、氧化镁和氧化铁等。碳酸钙在大于900℃的煅烧分解温度下，按下式分解为CaO和CO2：CaCO3CaO+CO2石灰的煅烧可以采用竖式石灰炉或回转窑来完成。由于石灰石在炉内的填充率和运动状态不同、燃料的种类和燃烧状态不同以及在炉内的热量传递方式不同，造成了两种设备烧制出的石灰质量和炉气组分有一定得差异。石灰炉（3）原矿浆制备原矿浆制备的工艺流程原矿浆的配料计算配矿配碱配石灰原矿浆液固比调整原矿浆制备的主要设备原矿浆制备的工艺流程原矿浆制备工艺流程图原矿浆制备工艺示意图（一）φ8×10m47.02t/h217.3m3/h4.58t/h45.76t/h217.3m3/h4.7t/h原矿浆制备工艺示意图（二）矿浆槽∮8*10400m3355m3/h240m3/h240m3/h240m3/h240m3/h4.58t/h45.76t/h217.3m3/h（a）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。（b）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原矿浆的配料计算（c）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、dP------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配碱•单位矿石所需要的循环母液量叫配碱量。生产中，配碱量主要考虑以下三方面的用碱量：（1）铝酸钠结合碱。例如当规定的MR（分子比）=1.45时，即溶出摩尔的氧化铝，在溶液中就要保留有1.45摩尔的氧化钠；（2）与氧化硅反应生成钠硅渣所需碱。例如当赤泥的钠硅比为0.2时，矿石中有1kg的活性氧化硅就要配入0.2kg的苛性钠；（3）在溶出过程中由于反苛化反应和机械损失的苛性碱。但配料时加入的碱并不是纯苛性氧化钠，而是生产中返回的循环母液。循环母液中除苛性氧化钠外，还有氧化铝、碳酸钠和硫酸钠等成份。所以在循环母液中有一部分苛性氧化钠与母液本身的氧化铝化合，称为惰性碱。剩下的部分才是游离苛性氧化钠，它对配料才是有效的。液体碱质量标准项目质量要求1．氢氧化钠含量NaOH＞30%2．钙＜0.002%3．氯化钠NaCl≤0.007%4．二氧化硅SiO2＜0.002%5．碳酸钠Na2CO3≤0.1%6．硫酸钠Na2SO4≤0.0015%7．氧化钠Na2O≤0.001%配矿计算•假设已知两种铝土矿的成分如下（%）：铝土矿SiO2Fe2O3Al2O3A/S1#S1F1A1K12#S2F2A2K2要求混矿的A/S为K，计算两种矿石的配矿比例。根据条件必须是K1＜K＜K2或K1＞K＞K2，否则达不到调整要求。假设第一种矿石用1吨时，需要配入第二种矿石X吨，根据铝土矿铝硅比的定义进行计算。石灰配入量•拜耳法配料加入的石灰量是以铝矿石中含氧化钛（TiO2）量计算的，按其反应式要求氧化钙和氧化钛的克分子比为1.0。一般在处理一水铝石型铝土矿时，在原矿浆中需配入干矿石量3%~5%的石灰，来消除二氧化钛的不利影响。原矿浆液固比调整•在磨矿中，球磨机的下料量要求稳定。因此，原矿浆液比固的调节是调节循环母液的加入量来实现的。在拜耳法磨矿中，循环母液由三个点加入，而磨机内和分级机溢流的液固比在磨矿的操作中要求稳定。因此，调节原矿浆的液固比，实际上是靠增减加入混合槽的循环母液量来实现。•稳定循环母液的浓度和严格铝土矿的配矿制度，是确保拜耳法正确配碱的有效措施。同时应尽量减少非生产用水进入流程及提高石灰质量等，也是拜耳法正确配料，达到良好溶出指标的重要保证。湿磨：将铝土矿按配料要求配入石灰和循环母液并磨制成合格的原矿浆。所用设备：球磨机、棒磨机等原矿浆制备的主要设备（一）皮带输送机、化灰机原矿浆制备的主要设备（二）碱液泵、矿浆输送泵原矿浆制备的主要设备（三）原矿浆制备的主要设备（四）螺旋分级机第二部分：拜耳法高压溶出拜耳法高压溶出一、概述二、铝土矿溶出过程铝土矿溶出过程的工艺影响铝土矿溶出过程的因素杂质及添加剂对溶出过程的影响三、铝土矿溶出过程的结疤四、溶出过程主要设备五、其他拜耳法氧化铝生产技术简介六、拜耳法溶出过程新工艺新技术一、概述高压溶出的目的就是用苛性碱溶液将铝土矿中的氧化铝溶出，生成铝酸钠溶液，有效地提取铝土矿的氧化铝。使溶液充分脱硅，避免过量的SiO2影响，把苛性碱的消耗减至最少。工业生产中一般采用循环母液来溶出铝土矿。为了加快氧化铝水合物（特别是一水硬铝石）的溶出速度，添加石灰，并且把铝土矿、石灰、循环母液磨制成矿浆后在溶出设备中完成溶出过程。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溶出过程的主要反应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。二、铝土矿溶出过程2.1铝土矿溶出过程的工艺（1）预脱硅为了减轻拜耳法过程中，硅渣在溶出时析出，影响溶出效果，在原矿浆进入溶出之前进行预脱硅，是减轻结疤的有效途径。预脱硅就是在高压溶出之前，将原矿浆在90℃以上搅拌6-10h，添加钠硅渣晶种，使硅矿物尽可能转变为硅渣，该过程称为预脱硅。预脱硅过程并不是所有的硅矿物都能参加反应，只有高岭石和多水高岭石这些活性的硅矿物才能反应生成钠硅渣，保持较长时间，可以使生成钠硅渣的反应进行得更充分。在100℃的温度条件下，以高岭石（Al2O3·2SiO2·2H2O）形态存在的SiO2在苛性碱溶液中溶解生成硅酸钠进入溶液，当溶液中的SiO2含量达到临界饱和状态时铝硅酸钠就会分解出来，进入固相。液相SiO2浓度脱硅时间高岭石溶解铝硅酸钠分解铝土矿常压脱硅过程二氧化硅的分解产物是方钠石[3(Na2O·Al2O3·2SiO2·2H2O)Na2X]，(分子式中的X代表CO32-、SiO42-、Cl-等)方钠石和赤泥一起被排除。在添加石灰的情况下，Ca2+就可以取代方钠石中的Na+从而减少苛性碱的消耗量。在预脱硅阶段主要发生以下两个反应：a高岭石的溶解Al2O3·2SiO2·2H2O+6NaOH→2NaAlO2+2Na2SiO3+5H2Ob方钠石的分解2NaAlO2+1.7Na2SiO3+(n+1.7)H2O→Na2O·Al2O3·1.7SiO2·nH2O+3.4NaOH分解速度和溶液中最终的SiO2含量受以下因素影响：①溶液中苛性碱（Na2Ok）浓度。苛性碱浓度越低分解速度越快，溶液中最终的SiO2含量越低。②脱硅温度。温度越高分解速度越快，溶液中最终的SiO2含量越低。③溶液中Al2O3浓度。Al2O3浓度越低分解速度越快，溶液中最终的SiO2含量越低。④脱硅停留时间。时间越长分解速度越快，溶液中最终的SiO2含量越低。⑤铝土矿中存在的高岭石含量和质量。高岭石含量越高分解速度越快，溶液中最终的SiO2含量越低。铝土矿溶出过程的工艺（2）高压溶出预脱硅后的矿