氧化铝工艺

杨国杰二0一二年五月氧化铝工艺基础2目录第一章、铝的诞生与发展史第二章、氧化铝工业发展史第三章、世界铝土矿资源分布情况第四章、氧化铝生产原理第五章、原料制备工艺介绍第六章、溶出、沉降、蒸发工艺介绍第七章、种分、焙烧工艺介绍3铝的诞生与发展史1854年，法国化学家德维尔把铝矾土、木炭、食盐混合，通人氯气后加热得到NaCl，AlCl3复盐，再将此复盐与过量的钠熔融，得到了金属铝。这时的铝十分珍贵，据说在一次宴会上，法国皇帝拿破仑第三独自用铝制的刀叉，而其他人都用银制的餐具。泰国当时的国王曾用过铝制的表链；1855年巴黎国用博览会上，展出了一小块铝，标签上写到：“来自粘土的白银”，并将它放在最珍贵的珠宝旁边。1889年，俄国沙皇赐给门捷列夫铝制奖杯，以表彰其编制化学元素周期表的贡献。1886年，美国的豪尔和法国的海朗特，分别独立地电解熔融的铝矾土和冰晶石的混合物制得了金属铝，奠定了今天大规模生产铝的基础。4氧化铝工业发展史•1858年吕·查得里提出铝土矿—苏打烧结法生产氧化铝。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，发展成为今天的碱——石灰烧结法。•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拜耳法。5氧化铝工业发展史•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，其次是烧结法和联合法。•我国氧化铝工业发展迅速，1954年山东铝厂投产后，相继又建成了郑州铝厂、贵州铝厂、山西铝厂、中州铝厂和平果铝厂等，各氧化铝厂生产规模还在不断扩大。6氧化铝工业发展史•中国首创了混联法，并从循环母液中回收金属镓、利用赤泥生产水泥，大大提高了氧化铝生产的综合效益。•随着生产技术的不断提高，一些新的生产方法如石灰拜耳法、选矿拜耳法等方法不断运用到生产中来。7世界铝土矿资源分布情况•按世界铝土矿产量计算，静态保证年限在200年以上。•2001年世界铝土矿资源量约为550-750亿吨，主要分布在南美洲（33%）、非洲（27%）、亚洲（17%）、大洋洲（13%）和其他地区（10%）。•从国家看，几内亚、澳大利亚两国的储量约占世界储量的一半,南美的巴西、牙买加、圭亚那、苏里南约占世界储量的四分之一。8世界铝土矿资源分布情况•澳大利亚是世界上拥有铝矾土资源最多的国家。•几内亚矾土资源丰富，主要分布在下几内亚、中几内亚和上几内亚。•世界主要的铝土矿生产国有20多个，规模型矿山80多座。•主要的铝土矿生产国除澳大利亚、几内亚以外，还有巴西、牙买加等，2001年，以上4国的铝土矿产量约占全球产量的70%，其中，澳大利亚产量占全球产量的38.5%，几内亚占13%，巴西占9.6%，牙买加占8.9%。氧化铝生产原理•氧化铝和氧化铝水合物•氧化铝：自然界中的氧化铝称为刚玉（α—Al2O3），是火山爆发后的产物，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。10氧化铝生产原理•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。•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）。11氧化铝生产原理•氧化铝水合物•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。12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。•氧化铝的化学纯度：氧化铝除主要含有Al2O3外，往往含有少量的SiO2、Fe2O3、Na2O和H2O等杂质。13铝电解生产用氧化铝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。安息角：物料在光滑平面上自然堆积的倾角。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。14铝电解生产用氧化铝•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。•粒度：是指物料的粗细程度。•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)。•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。15氧化铝质量指标（一级品）成份分子式原料含量成品含量氧化铝Al2O345-75%≥98.6%氧化硅SiO25-20%≤0.02%氧化铁Fe2O32-6%≤0.03%氧化钛TiO22-4%氧化钙CaO0.5-1%氧化钠Na2O≤0.50%灼减H2O≤0.80%16铝土矿及其它铝矿石•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。•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。17铝土矿及其它铝矿石•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。•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。氧化铝生产方法18氧化铝生产过程的实质：将铝土矿中的氧化铝与杂质进行分离的过程。一、铝土矿成份指标：成份分子式含量存在形态氧化铝Al2O345-75%三水铝石/一水硬(软)铝石Al2O3·H2O氧化硅SiO25-20%高岭石Al2O3·2SiO2·1.7H2O氧化铁Fe2O32-6%赤铁矿α-Fe2O3针铁矿α-FeOOH氧化钛TiO22-4%锐钛矿TiO2氧化钙CaO0.5-1%石灰石CaCO319铝土矿质量标准：1、氧化铝含量——越高越好。2、杂质含量——越低越好。3、矿物形态——三水铝石易溶出（我国基本上全是一水硬铝石）。4、铝土矿A/S：铝土矿中氧化铝与氧化硅的比值。A/S高的铝土矿称为高铝，常用于拜耳法系统生产氧化铝，A/S低的铝土矿称为普铝，常用于烧结法系统生产氧化铝。拜耳法工艺生产氧化铝时氧化硅与碱反应生成钠硅渣（Na2O·Al2O3·1.7SiO2·nH2O）(n≤2)。烧结法工艺生产氧化铝时氧化硅与石灰反应生成原硅酸钙（2CaO·SiO2）。20氧化铝生产方法•生产氧化铝的方法大致可分为碱法、酸法、酸碱联合法、电热法、高压水化学法等。•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。21氧化铝生产方法利用铝土矿中各物料的性质，使氧化铝变成液态从而实现液固分离，利用氧化铝是两性氧化铝的性质，生产氧化铝方法有酸法和碱法之分，由于酸法需要昂贵的耐酸设备所以没有形成工业规模生产；根据使用碱的不同碱法分为烧结法（纯碱Na2CO3）和拜耳法（烧碱NaOH），两种方法有多种不同的组合方式：串联法、并联法、混联法。根据氧化铁、氧化硅、氧化钛易发生还原反应的性质，利用电热法生产氧化铝，此方法适合于处理高硅高铁铝土矿。22拜耳法生产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。•拜耳法用在处理低硅铝土矿（一般要求A/S＞7.0）。•拜耳法生产氧化铝的原理：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。23拜耳法生产原理和基工艺流程•拜耳法生产氧化铝的基本流程：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。•原矿浆制备•将铝土矿破碎到符合要求的粒度（如果处理一水硬铝石型铝土矿需加适量的石灰），与含有游离的NaOH的循环母液按一定的比例配合，送入湿磨内进行细磨，制成合格的原矿浆。aqlaaqOAl4232OHAN22NaOHOH)31(）（或加晶种分解溶出24拜耳法生产原理和工艺流程•溶出•原矿浆经预热后进入压煮器组或管道化溶出设备，在一定的温度和压力下溶出。铝土矿内所含氧化铝与氧化钠反应生成铝酸钠进入溶液，而氧化铁和氧化钛以及大部分的二氧化硅等杂质形成固相残渣即赤泥。溶出所得矿浆称为溶出矿浆，经自蒸发器减压降温后再进行稀释。25拜耳法生产原理和工艺流程•溶出矿浆的稀释及赤泥分离和洗涤•溶出矿浆含氧化铝浓度高，为了便于赤泥分离和下一步的晶种分解，首先加入一次赤泥洗液将溶出矿浆进行稀释，然后利用沉降槽进行赤泥与铝酸钠溶液的分离。分离后的赤泥经过多次反向洗涤排至赤泥堆场或送烧结法配料。26拜耳法生产原理和工艺流程•晶种分解：分离赤泥后的铝酸钠溶液生产上称为粗液，粗液经过过滤净化后制得精液，精液在降温、添加晶种、搅拌条件下进行分解，结晶析出氢氧化铝。•氢氧化铝的分级与洗涤：分解后所得氢氧化铝浆液进行分级、过滤，细粒作晶种，粗粒经洗涤后送焙烧制得氧化铝，分离后的母液经热交换器预热送去蒸发，氢氧化铝洗液送稀释。27拜耳法生产原理和工艺流程•氢氧化铝焙烧：氢氧化铝含有部分附着水和结晶水，经过焙烧炉高温焙烧脱水并进行一系列的晶相转变制得含有一定γ—Al2O3和α—Al2O3的产品氧化铝。•母液蒸发和苏打苛化：预热后的母液经蒸发、补加NaOH调配后得到合乎浓度要求的循环母液，返回湿磨溶出下一批矿石。•在母液蒸发过程中会有一部分Na2CO3·nH2O结晶析出，为了回收这部分碱，将Na2CO3.nH2O用水溶解后加石灰乳进行苛化，苛化回收液返回蒸发。28指标概念介绍溶剂：用来溶化固体，液体或气体溶质的液体，继而成为溶液.在日常生活中最普遍的溶剂是水。溶质：能被溶解的物质称为溶质，溶液中被分散的物质称为溶质，溶质分散其中的介质称为溶剂。溶液：一种或几种物质分散到另一种物质里，形成的均匀的、稳定的混合物。1)固含：单位体积浆液（液固混合物）中所含固相物质的质量。单位：g/l2)液固比（L/S）：单位体积浆液中所含液相物质和固相物质的质量比值。293)含水率：单位体积滤饼中水份质量和固相液相物质总质量的比值。单位：%4)浮游物：单位体积浆液中所含微量固相物质的质量。单位：mg/l5)苛（性）碱浓度(Nk)：单位体积铝酸钠溶液中与氧化铝反应生成铝酸钠的Na2O和以游离的NaOH形态存在的Na2O的质量。单位：g/l6)碳碱浓度(Nc)：单位体积铝酸钠溶液中以游离的Na2CO3形态存在的Na2O的质量。单位：g/l7)全碱浓度（Nt）：单位体积铝酸钠溶液中以苛碱和碳碱形式存在的Na2O的总质量。单位：g/l8)氧化铝浓度（AO）：单位体积铝酸钠溶液中与苛性碱反应生成铝酸钠的Al2O3质量。单位：g/l9)苛性比值（αk）：铝酸钠溶液中所含苛性碱和氧化铝的摩尔比，它相等于苛性碱和氧化铝的浓度比乘以系数1.645。一、原料制备1、混联法生产简介：原料制备熟料烧结、熟料溶出、脱硅、赤泥分离洗涤等分解焙烧高压溶出、赤泥分离洗涤、蒸发等大宗原燃料氧化铝2、进厂原燃物料标准大块石灰石CaO（%）≥52.5SiO2（%）≤1.5MgO（%）≤1.5粒度（mm）40-100小块石灰石CaO（%）