氧化铝生产工艺(碱石灰烧结法)

章烧结法生产氧化铝的原理和基本流程将铝土矿与一定数量的苏打、石灰、循环母液配成炉料，在回转窑内进行高温烧结，炉料中的Al2O3与Na2CO3反应生成易溶于水或稀碱溶液的铝酸钠(Na2O•Al2O3)，杂质氧化铁生成易水解的铁酸钠(Na2O•Fe2O3)，二氧化硅和氧化钛分别生成不溶性的原硅酸钙(2CaO•SiO2)和钛酸钙(CaO•TiO2)。将烧结产物（熟料）用稀碱溶液溶出时Na2O·Al2O3便进入溶液，Na2O·Fe2O3水解放出碱，原硅酸钙(2CaO•SiO2)和钛酸钙(CaO•TiO2)不溶进入赤泥。碱石灰烧结法的原理生料浆的制备（原料准备）熟料烧结熟料溶出铝酸钠溶液脱硅碳酸钠分解氢氧化铝分离、洗涤氢氧化铝焙烧碳分母液蒸发碱石灰烧结法的主要工序第13章烧结法生产氧化铝的原理和基本流程铝土矿石灰矿燃料生料浆制备第13章烧结法生产氧化铝的原理和基本流程原料碱石灰烧结法适用原料：高硅铝土矿，一水硬铝石型，A/S=3-6化学成分要求：碳酸钙硅矿物等杂质含量技术指标要求：矿物类型,粒度碱石灰烧结法在湿磨时配入一定量的石灰，使矿石中SiO2和TiO2生成不溶性的原硅酸钙(2CaO•SiO2)和钛酸钙(CaO•TiO2)主要用烟煤、无烟煤、焦炭。主要技术指标要求其燃烧值，碳含量。碱石灰烧结法除用于焙烧工艺外，还在生料中加煤，作为还原剂，可以消除氧化铁和硫的有害影响，使Na2SO4分解而生成Na2O•Al2O3，有利于溶出，同时强化烧结过程。从母液蒸发工序送来的蒸发母液，通过碱液泵送到管磨与按比例分配下料的铝土矿，石灰及干燥的碱粉一道进入磨机桶体进行湿磨，管磨产出的生料浆通过输送系统输送到料浆槽，生料浆在此进行料浆调整和成分分析，料浆在此调配合格。熟料烧结熟料烧结是将制成的合格的料浆经过高温烧结成为熟料。熟料烧结在烧结法生产氧化铝中占着非常重要的地位，目前氧化铝企业一般采用回转窑进行熟料烧结。熟料烧结能耗占总能耗的三分之一以上，孰料的质量直接影响氧化铝生产的经济指标。第14章铝酸盐炉料烧结过程的物理化学反应就是要使调配合格后的生料浆在回转窑中高温烧结，使生料各成分互相反应。使其中的Al2O3尽可能转变成易溶于水或稀碱溶液的Na2O·Al2O3，而使Fe2O3转变成易水解的Na2O·Fe2O3，SiO2等杂质转变为不溶于水或稀碱溶液的2CaO·SiO2。并形成具有一定容积密度和孔隙率、可磨性好的熟料，以便在溶出过程中将有用成份与有害杂质较好的进行分离，最大限度提取氧化铝和回收碱。熟料烧结目的第14章铝酸盐炉料烧结过程的物理化学反应熟料中Al2O3含量高，生产一吨氧化铝的熟料量少Al2O3与Na2O必须是可溶性的物相，其余杂质则要成为不溶性物相原硅酸钙2CaO·SiO2还应尽可能转变为活性最小，在铝酸钠溶液中最稳定的形态，结晶应该粗大熟料应有一定的强度和气孔率熟料烧结要求第14章铝酸盐炉料烧结过程的物理化学反应标准溶出率熟料的密度和粒度负二价硫含量S2-判断熟料质量好坏的标准第14章铝酸盐炉料烧结过程的物理化学反应标准溶出率：熟料中的Al2O3和Na2O在标准溶出条件下的溶出率。标准溶出条件：是为了使熟料中可溶性的Al2O3和Na2O能够全部溶出来，而且不再进入赤泥而制定的溶出条件。烧结法厂：ηA标96%，ηN标97%；联合法厂：ηA标93.5%，ηN标95.5%反应烧结强度和气孔率。密度：烧结法厂1.2-1.3g/L;联合法厂1.2-1.45g/L粒度：粒度应均匀，30-50mm。S2-0.25%的熟料是黑心多孔，质量好；S2-0.25%的熟料黄心或粉状黄料，质量差。碱石灰烧结法，煤生产1t氧化铝需3.6-4.2t熟料，每吨熟料的热耗达6.2GJ。烧结车间的投资为全厂的1/3，烧成费用约为成本的1/2，能量消耗为全厂总能耗的一半。固相反应：是以固体物质中质点的相互交换（扩散）来实现的，是在远低于原料及最终产物熔点的温度下进行。铝土矿熟料烧结过程是固态反应过程。第14章铝酸盐炉料烧结过程的物理化学反应A固→A气，A气+B固→AB固A固+X固→AX液，AX液+B固→AB固+X固熟料烧结过程是复杂的多相固相反应过程，硅酸盐和铝酸盐的形成都是经过各种中间相最后形成熟料的矿物组成。固态物质开始烧结的温度与其熔点间存在大致一定的规律：金属：T烧结≈（0.3-0.4）T熔点盐类：T烧结≈0.57T熔点硅酸盐及有机物：T烧结≈（0.8-0.9）T熔点生料浆：铝土矿，石灰，循环母液，硅渣第14章铝酸盐炉料烧结过程的物理化学反应铝土矿：Al2O3·nH2O(氧化铝水合物），Fe2O3（赤铁矿等），Al2O3·2SiO2·2H2O（高岭石），TiO2（锐钛矿等）石灰：CaO(石灰），CaCO3（石灰石）循环母液：Na2CO3，Na2SO4，NaAl(OH)4，H2O硅渣：Na2O·Al2O3·nSiO2·2H2O(钠硅渣)，CaO·Al2O3·xSiO2·yH2O(水化石榴石)这些成分在高温下烧结，总是朝向一定条件下的平衡物相转变，得到的平衡产物和同样条件下由单体氧化物得到的平衡物相是一样的，即最终都达到相同的热力学温度状态。因此生料烧结在充分进行前提下，可以看成是有单体氧化物组成的生料体系结构。的反应：熟料烧结过程中炉料中的Al2O3在较高的温度下可以与Na2CO3相互作用，生成铝酸钠Na2O·Al2O3。A12O3+Na2CO3＝Na2O·A12O3+CO2↑第14章铝酸盐炉料烧结过程的物理化学反应常温下反应向左进行温度在500~800℃开始反应，且反应速度较慢。随着温度升高，反应速度加快，温度高于1150℃时，烧结反应可在1小时内完成。Na2O:Al2O31，过量的Na2CO3在800℃左右促进反应进行，1000℃以上阻碍反应进行。在Na2O-Al2O3二元系中可构成5Na2O·Al2O3，Na2O·Al2O3，Na2O·5Al2O3，Na2O·11Al2O3等铝酸盐，对于碱石灰烧结法来说，只有Na2O·Al2O3是有用的，因为它易溶于水，碱含量也不高，更重要的是只有它才能在高温下与原硅酸钙并存。的反应：高温下Al2O3与CaO作用生成3CaO·Al2O3，12CaO·7Al2O3，CaO·Al2O3，3CaO·5Al2O3，12CaO·7Al2O3和CaO·Al2O3可以溶于碳酸钠溶液，对氧化铝生产有意义。第14章铝酸盐炉料烧结过程的物理化学反应制取同时含铝酸钠和铝酸钙的熟料是不合理的。因为:溶出铝酸钙时，溶出液中Al2O3浓度不应超过70g/L，Na2Oc浓度为50-60g/L溶出铝酸钠熟料时，溶出液中Al2O3浓度为120g/L，Na2Oc浓度小于40g/L熟料烧结时，当Na2CO3数量足以和Al2O3化合时，铝酸钙不至于生成，而生成铝酸钠。的反应：Fe2O3在熟料烧结过程中的行为与Al2O3的相似，烧结温度下可以与Na2CO3相互作用，生成铁酸钠Na2O·Fe2O3。Fe2O3+Na2CO3＝Na2O·Fe2O3+CO2↑第14章铝酸盐炉料烧结过程的物理化学反应Na2O·Fe2O3的形成速度比Na2O·Al2O3的快500℃反应尚未进行，700℃反应较快进行，在1000℃时，反应可在1小时内完成。当Na2O·Al2O3，Fe2O3同时存在时，低温下主要是铁酸钠，随着温度升高，铁酸钠数量减少，铝酸钠数量增加。铝酸钠和铁酸钠可生成连续固溶体，固溶体中的Na2O·Fe2O3和Na2O·Al2O3与单独的氧化物质一样可与碱和水反应。当炉料中Na2CO3配量不足且有CaO存在时，高温下Fe2O3与CaO反应生成CaO·Fe2O3和2CaO·Fe2O3，他们可与Na2O·Al2O3反应，降低氧化铝的溶出率。的反应：烧结法处理的是高硅铝土矿，因此Al2O3与SiO2的分离，烧结过程生成的含硅化合物必须满足：第14章铝酸盐炉料烧结过程的物理化学反应烧结过程中炉料中SiO2应转变为不含Na2O和Al2O3的化合物在高温下能与Na2O和Al2O3同时稳定存在在溶出时不与铝酸钠溶液显著反应。SiO2可与CaO生成：因此烧结时控制条件使SiO2转变为2CaO·SiO2。碱石灰烧结法熟料中2CaO·SiO2以β-2CaO·SiO2形式存在CaO·SiO2(偏硅酸钙）：在高温下易与铝酸钠反应生成铝硅酸钠，造成氧化铝和氧化钠的损失3CaO·2SiO2(二硅酸钙）：同上3CaO·SiO2(三硅酸钙）：含CaO多，稳定存在范围窄，不稳定2CaO·SiO2(原硅酸钙）：具备上述三个条件。的反应：TiO2在烧结过程中生成CaO·TiO2（钙钛矿),存在于熟料和溶出渣中。因此配制炉料时，CaO的配入应同时满足SiO2和TiO2所需的量。第14章铝酸盐炉料烧结过程的物理化学反应碱石灰铝土矿炉料烧结过程反应顺序：加热到500℃时：脱水过程。氧化铝和氧化铁水合物脱出结晶水；高岭石（Al2O3·2SiO2·H2O）脱水后成为偏高岭石(Al2O3·2SiO2)。700℃:生成Na2O·2Al2O3和Na2O·2Fe2O3的反应开始。初期铁酸钠反应占优势，900℃以后，铝酸钠的反应加强，1000℃铁酸钠生成反应完成，1150℃时铝酸钠生成反应完成。750-900℃：Al2O3·2SiO2+Na2CO2=Na2O·Al2O3·2SiO2(霞石)+CO21000℃:Na2O·Al2O3·2SiO2+2CaO=Na2O·Al2O3·SiO2+2CaO·SiO21200℃:Na2O·Al2O3·SiO2+2CaO=Na2O·Al2O3+2CaO·SiO2章铝酸盐炉料烧结过程的物理化学反应炉料配方：为了保证炉料中各组分在烧结时能生成预期的化合物，因此各组分间必须严格地保持一定的配合比例。它对于炉料的性质、烧结进程和熟料质量有着决定性的影响。铁铝比[F]/[A]铝硅比A/S饱和配方：碱比等于1，钙比等于2高钙配方，低碱高钙配方、高碱低钙配方等都是与饱和配方相比较而言的。我国采用低碱高钙配方。钙比[C]/[S]碱比[N]/([A]+[F])水分含量固定碳含量生料的细度章铝酸盐炉料烧结过程的物理化学反应炉料配方：•饱和配方：生产上把按化学反应所需理论量计算出的配方，习惯地叫做“饱和配方”或正碱、正钙配方。即碱比[N]/[R]=1；钙比[C]/[S]=2.0的配方。•非饱和配方：生产上把不能按化学反应所需理论量计算出的量进行的配方统称为非饱和配方。碱比[N]/[R]＜l.0的叫做低碱配方；钙比[C]/[S]＞2.0的叫高钙配方；钙比[C]/[S]＜2.0的叫做低钙配方。章铝酸盐炉料烧结过程的物理化学反应烧成温度：铝酸盐炉料烧结成为熟料的温度。熟料烧结的最佳温度条件决定于原来的化学及矿物组成和生料的配料比。原料中的