氧化铝生产工艺

第一章氧化铝的生产原理和方法第一节氧化铝和铝矿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生产氧化铝，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。一、、氧化铝的特性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，也可与其他氧化物杂质（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最稳定的一种，在酸或碱液中不溶解。γ-Al2O3属于立方晶系，具有很大的分散性，化学性质较为活泼，易与酸或碱溶液作用。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。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，则会引起电解质暴溅，危及操作人员的安全。氧化铝质量的分级根据标准YS/7274-1998分为4个等级，如表1-2所示。表1-2氧化铝质量等级标准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、容量、粒度和比表面积以及磨损指数等。二、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，它在自然界中以化合物状态存在。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。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。我们通常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≤1.0A/S表示。氧化铝生产要求铝土矿的铝硅比和氧化铝含量越高越好，因为铝硅比氧化铝含量对氧化铝厂的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，大部分为一水硬铝型铝土矿，铝硅比多数4.0-7.0之间，在10.0以上的优质铝土矿较少。第二节氧化铝生产方法一、氧化铝生产方面概述氧化铝生产过程就是从铝矿石中提取氧化铝使之与杂质分离的过程。自然界中的铝矿石及含铝原料的类型繁多，同一类型的铝土矿中各种杂质的含量又各有差异。为了最经济地生产氧化铝，对不同的铝矿必须采用不同的生产方法，已经提出的生产氧化铝的方法大致可分为碱法、酸法联合法、电热法、高压水化学法等几种。1、碱法生产氧化铝碱法生产氧化铝就是用碱（NaOH或Na2CO3）处理铝土矿，使矿石中的氧化铝和碱反应制成铝酸钠溶液。矿石中的铁、钛等杂质和绝大部分的二氧化硅则成为不溶性的化合物进入固体残渣中。因为这种残渣被氧化铝铁染成砖红色，故称为赤泥。与赤泥分离后的铝酸钠溶液经净化处理后，可以分解析出氢氧化铝，即Al（OH）3，将Al(OH)3溶液分离并经过洗涤和焙烧后，即获得产品氧化铝。分离Al(OH)3后的溶液称为母液，可以用来处理下一批矿石，因而也称为循环母液。碱法生产氧化铝按生产过程的特点，又分为拜耳法、烧结法和拜耳-烧结联合法（包括并联、串联、混联联合法等），目前工业上普遍采用碱法生产氧化铝。二、拜耳法生产氧化铝的原理和基本工艺流程采用拜耳法生产氧化铝已有100多年的历史，100多年来随着科学的发展、新技术的应用，这一方法已经有了很大的发展和改进。目前，它仍是世界上生产氧化铝的主要方法之一。拜耳法用在处理低硅铝土矿（一般要求A/S＞7.0），特别是用在处理三水铝石型铝土矿时有流程简单、作业方便、能量消耗低、产品质量好等优点。现在除了受原料条件限制的某些地区以外，大多数氧化铝厂都采用拜耳法生产氧化铝。拜耳法处理一水硬铝石型铝土矿时工艺条件要苛刻一些。拜耳法最主要的缺点是不能单独处理氧化硅含量太高的矿石，此外，拜耳法对赤泥的处理也很困难。1、拜耳法生产氧化铝的原理拜耳法生产氧化铝的原理简述如下：用苛性碱溶液在一定温度、一定压力条件下溶出铝土矿，氧化铝被溶出制得铝酸钠溶液，铝酸钠溶液净化后经过降温、添加晶种、搅拌分解析出氢氧化铝，析出的氢氧化铝经分离、洗涤、焙烧后得到氧化铝。分解后的母液（主要成分NaOH）经蒸发再重新溶出新的一批铝土矿，进入下一循环。氧化硅等杂质成为赤泥，经洗涤后外排或用于烧结法配料。拜耳法生产氧化铝的基本流程由于各地铝土矿的矿物成分和结构的不同以及采用的技术条件各有特点，各个工厂的具体工艺流程也常有差异。但作为拜耳法生产氧化铝其基本的流程主要由原矿浆制备、溶出、溶出矿浆稀释及赤泥分离和洗涤、晶种分解、氢氧化铝分级和洗涤、氢氧化铝焙烧、母液蒸发及苏打苛化等工序组成。拜耳法处理一水硬铝石型铝土矿的基本流程如图1-1所示。第二章原料制备原料制备是氧化铝生产的第一道工序，它包括铝土矿的破碎、配矿、磨矿、料浆的制备和石灰煅烧等。它的主要任务是：（1）铝土矿破碎和均化。（2）为拜耳法系统和烧结法系统分别磨制出合格的原矿浆和生料浆。（3）供应配料用的石灰以及碳酸化分解用的CO2气及脱硅、苛化用石灰乳。铝土矿成分的稳定是均衡稳定生产的首要条件。因此，进入生产流程中铝土矿的铝硅比以及氧化铝、氧化铁等的含量都应达到一定的要求。配矿的作用就是把成分上的差别的几部分铝土矿根据生产要求按比例混合均匀。一般来说，配矿工作在矿山应该进行，矿山对各供矿点开采出的不同品位或成分上有差别的矿石按比例混合，混合后达到生产要求的铝土矿才能进厂，但在近年来的生产实践中很难做到这一点，由于供矿的渠道越来越复杂，几种不同品位的铝土矿有可能同时进厂，这就使得配矿难度加大。一般来说，粗碎的铝土矿进厂后在经过技术人员计算配矿数量，安排和确定堆料位置，以便使混合后的铝土矿成分能够达到生产技术的要求。在有的工厂，进厂后的铝土矿先送原矿堆场贮存，进厂铝土矿经中碎和细碎后按不同品位分开堆放，碎铝土矿进行一次调配，合格后才能送支配料。一、碎铝土矿的配矿方法目前主要的配矿方式是用堆料机进行配矿。在一些老厂还有抓斗吊车（门式或桥式）配矿和贮罐配矿等。1、堆料机配矿混合碎矿也可以分两堆堆存，每堆存量数天，一堆使用，一堆配矿，用堆料机和桥式斗轮取料机分别自动堆取，多层平铺配矿，端面截取。这种配矿方式适用于进矿成分复杂的工厂，技术操作上要求对进厂物料的成分和数量有充分的了解，每堆一次料要核算一次现有混矿的成分，同时仍要计算需要进厂铝土矿的品位和数量等。对于矿石品位差别较大的工厂可以采用这种方法进行配矿，但配矿后的成分可能会与要求的成分有些偏差。采用这种方法必须严格按照配矿计算方法进行，配出的混矿A/S才能达到混矿指标要求，否则混矿分会有较大的偏差。为了保证氧化铝生产中的化学反应能充分而快速地进行，参加化学反应的各种固体物料必须进行磨细与均匀混合。磨矿作业大多是在装有磨矿介质的磨机内进行的。目前氧化铝生产中磨矿多采用管磨机和格子型球磨机，并采用湿法磨矿作业。磨矿作业电耗很大，在氧化铝生产中每磨碎1吨矿石往往要耗电15-23度，钢球和衬板消耗量1.2kg-1.6kg，加上磨矿作业的设备维护和修理的工作量大，因此改善磨矿作业条件，降低消耗和提高磨机生产率对氧化铝生产有很大的意义。二、氧化铝生产中的磨矿1、原矿浆的磨制是将碎铝矿按配比要求配入石灰和循环母液磨制成合格的原矿浆的过程。磨矿作业可采用格子型球磨机（简称格子磨）或管磨机（格子磨和管磨统称为球磨机）与分级设备组成一段闭路磨矿流程。三、影响球磨机产能的因素影响球磨机产能的因素很多，除球磨机的型号与样式、直径大小、转速、衬板形式、多仓球磨机的他仓度及各仓的长度和筛篦板过料面积等本身的因素外，还有许多其他的外部影响因素。当球磨机选定后，影响球磨机产能的主要因素有：矿石的可磨度、给矿粒度、产品细度要求、球级配比、球荷填充率、磨矿液固比等。在铝土矿的高压溶出过程中，为了得到预期的溶出效果，应该通过配料计算确定矿浆中铝土矿、石灰和循环母液的配料比例。四、拜耳法原矿浆指标对氧化铝生产的影响1、固含固含高低变化显示铝土矿与循环碱液配比的变化，固含高即铝矿多，配碱量少，固含低即铝矿少，配碱量多，生产上通常会在矿浆进入高压溶出之前进行固含调整。否则固含高将会影响铝土矿溶出反应完全程度，降低溶出率，增大赤泥量，降低氧化铝回收率；固含低会使溶出αk升高，造成分解困难，降低分解率和循环效率。2、细度矿浆细度跑粗将会加速管道磨损，使预脱硅槽沉淀增多，影响铝土矿溶出反应完全成度。矿浆细度过细将使溶出赤泥变细，使赤泥沉降性能变差，影响拜耳法赤泥的沉降分离作业。3、矿浆CaO含量矿浆CaO配入量要适中，以保证溶出过程中消除TiO2的危害。加入量不足时，将会降低溶出率；游离的CaO会造成Al2O3的损失。第三章石灰烧制第一节石灰的种类及生产方法按石灰中硅酸钙、铝酸钙和铁铝酸钙等成分的多少，石灰分为气硬性石灰和水硬性石灰。硅酸钙、铝酸钙和铁铝酸钙赋予石灰以水硬性的特征。在气硬性石灰中，这些化合物的含量通常为4.0%-12.0%，个别也有达20%；当在石灰中这些化合物的含量为25%-40%时，则石灰呈弱水硬性，这种石灰称为弱水硬性石灰。强水硬性石灰的这些化合物含量为40%-90%。石灰的生产方法石灰煅烧一般都是在立窑和回转窑中进行。石灰是温度控制在900℃-1300℃下煅烧以碳酸钙为主要成分的石灰原料而制得的，在煅烧过程中碳酸钙原料分解为氧化钙和二氧化碳气体。1、生产石灰用的原料用于生产石灰的原料是碳酸盐类岩石（或矿物），其主要成分是碳酸钙（CaCO3）。碳酸钙以两种矿物存在于自然界：方解石和文石。它含有的杂质有AL2O3、MgO、SiO2、Fe2O3等。在煅烧过程中，杂质含量过多则往往会生成熔结物（即结瘤），破坏正常的煅烧制度，降低石灰的质量。石灰石含的水分对石灰质量没有影响，但会增加燃料的消耗和降低二氧化碳的浓度，石灰石的块度对煅烧过程也有一定影响，块度大，煅烧速度慢，且不易烧透；块度小，煅烧速度较快，煅烧易完全，但不能过小，过小则会使内通风不好。氧化铝生产中对石灰石的质量要求：CaO＞52.0%，MgO＞1.5%,SiO2＞2.0%。烧制石灰用的燃料烧制石灰用的燃料有焦炭、无烟煤和可燃性气体等，选用何种燃料取决于燃料的资源情况。以焦炉煤气为燃料的石灰回转窑的煅烧工艺石灰回转窑的主要设备包括竖式预热器、回转窑、竖式冷却器等。石灰窑一般生产工艺流程如图2-6所示。石灰石由石灰库经皮带运送到预热器上部贮料仓，再由贮料仓通过棒条阀进入竖式预热器。物料在预热器通道内缓慢下移，滑入预热器