拜耳法生产氧化铝工艺

拜耳法生产氧化铝工艺1.拜耳法定义所谓“拜耳法”系奥地利化学家K.J.Bayer于1887年发明的处理优质铝土矿制取氧化铝的一种方法。100多年来它已经有了许多改进，但仍然习惯地沿用着拜耳法这个名词。拜耳法在处理低硅铝土矿，特别是用在处理三水铝石型铝土矿时，流程简单，作业方便，产品质量高，其经济效果远非其它方法所能媲美。目前全世界生产的Al2O3和Al(OH)3，有90%以上是用拜耳法生产的。拜耳法包括两个主要过程，也就是拜耳提出的两项专利。（1）一项是他发现Na2O和Al2O3分子比为1.8的铝酸钠溶液在常温下，只要添加Al(OH)3作晶种，不断搅拌，溶液中的Al2O3便可以呈Al(OH)3徐徐析出，直到其中Na2O和Al2O3的分子比提高到6为止。这也就是铝酸钠溶液的晶种分解过程。（2）另一项是他发现，已经析出大部分Al(OH)3的溶液，在加热时，又可以溶出铝土矿中的Al2O3水合物，这也就是利用种分母液溶出铝土矿的过程。交替使用这两个过程就能够一批批地处理铝土矿，从中得出纯的Al(OH)3产品，构成所谓拜耳法循环。拜耳法的实质也可用下列反应来表示。反应在不同条件下的交替进行：Al2O3(1或3)H2O+2NaOH+aq=2NaAl(OH)4+aq2.拜耳法基本原理及适用范围2.1基本原理：（l）用NaOH溶液溶出铝土矿，所得到的铝酸钠溶液在添加晶种、不断搅拌的条件下，溶液中的氧化铝呈氢氧化铝析出，即种分过程。（2）分解得到的母液，经蒸发浓缩后在高温下可用来溶出新的铝土矿，即溶出过程。2.2适用范围氧化铝的生产方法有拜耳法、烧结法、拜耳—烧结联合法三种。各种方法的适用范围为：拜耳法：7A/S；烧结法：3~3.5A/S5；联合法：以拜耳法为主，以烧结法补其不足，处理中间品位的铝土矿。其中，符号A/S称为硅量指数，即铝酸钠溶液中的Al2O3与SiO2含量的比。拜尔法用来处理低硅铝土矿（一般要求铝硅比7~10之间），特别是处理三水铝石型铝土矿的时候，具有流程简单、作业方便、能量消耗低、产品质量好、容易实现自动控制等优点。主要缺点是不能单独地处理二氧化硅含量高的矿石。另外对于赤泥的处理很困难。3.拜耳法基本流程拜耳法的基本流程可以大致分为如下的主要生产工序：原矿破碎﹑高压溶出﹑溶出矿浆稀释和赤泥分离洗涤﹑晶种分解﹑Al(OH)3分离、洗涤﹑焙烧﹑母液蒸发及苛化等。3.1拜耳法工艺流程图图1拜耳法生产氧化铝工艺流程图3.2拜耳法各工序简介3.2.1高压溶出溶出的目的是将铝土矿中的Al2O3水合物溶解成铝酸钠溶液，溶出效果好坏破碎湿磨溶出稀释矿浆稀释沉降分离叶滤赤泥洗涤晶种分解沉降分离洗涤煅烧蒸发分离溶解苛化石灰乳补充苛性碱碱铝土矿石灰溶出矿浆热水稠浓赤泥浆稠浓赤泥浆精液赤泥洗液堆场氢氧化铝浆液晶种氢氧化铝浆液母液氢氧化铝氢氧化铝洗涤蒸发母液Na2CO3·H2O结晶直接影响到拜耳法生产Al2O3的技术经济指标。溶出工艺主要取决于铝土矿的化学成分以及矿物组成类型。示意图如图2。图2溶出示意图3.2.2溶出矿浆的稀释以及赤泥的分离洗涤赤泥就是溶出铝土矿得到的泥渣。由于其中常常含有大量氧化铁，呈现红色，习惯上称做赤泥。溶出矿浆稀释的作用：（1）当溶出过程结束后为了进行后面的分解过程。溶出矿浆的稳定性就不能太大，否则就不便于分解过程的进行。为了促进铝酸钠溶液的分解，就必须进行溶出矿浆的稀释。（2）由于溶出后的矿浆要进行赤泥沉降分离，对溶出矿浆进行稀释，可以降低铝酸钠溶液的粘度，以便于赤泥的沉降分离。（3）促使铝酸钠溶液进一步脱硅，由于铝酸钠溶液中的氧化硅的平衡浓度随Al2O3浓度的升高而升高，为了保证Al(OH)3的质量，必须要求精液的硅量指数在300以上，对铝酸钠溶液的稀释会降低氧化硅的平衡浓度，加上大量赤泥作种子，使溶液发生脱硅反应。洗涤：由于分离后的赤泥附带着一部分铝酸钠溶液，为了减小Al2O3和氧化钠的损失，所以要对赤泥进行洗涤。赤泥的分离及洗涤如图3所示。图3赤泥的分离及洗涤示意图3.2.3晶种分解晶种分解就是将铝酸钠溶液降温，增大其过饱和度。再加入Al(OH)3作晶种，并进行搅拌，使其析出Al(OH)3的过程。它是拜耳法生产Al2O3的另外一个关键工序，该工序对Al(OH)3的产量，质量以及全厂的技术经济指标有着重大的影响。晶种分解除得到Al(OH)3外，同时得到分子比较高的种分母液，作为溶出铝土矿的循环母液，构成拜耳法生产Al2O3的闭路循环。示意图如图4、图5所示。图4分解示意图图5晶种过滤示意图3.2.4Al(OH)3的分离、洗涤经晶种分解得到的Al(OH)3浆液，要进行分离才能得到所需要的Al(OH)3和种分母液，分离后的Al(OH)3，一部分不经洗涤返回流程作晶种。分离Al(OH)3和母液相，可以采用不同方法，如沉降或过滤等。其余部分经洗涤回收Al(OH)3附带的Al2O3和氧化钠后成为Al(OH)3成品。种分母液则返回流程重新使用。如图6所示。图6成品过滤及洗涤示意图3.2.5分解母液蒸发和碳酸钠的苛化分解母液蒸发主要是排除流程中多余水分，保持循环系统中水量平衡，使母液蒸浓到符合拜耳法溶出铝土矿或烧结法配制生料浆的浓度要求。由于苛性碱与矿石中的碳酸盐以及空气中的二氧化碳作用的结果，母液每一次循环都有一部分（约3％）苛性碱变成了苏打，为使其重新变成苛性碱，以便循环使用，必须对这部分进行苛化。主要采用石灰法苛化，将一水碳酸钠溶解，然后加入石灰乳，发生苛化反应，碳酸根离子与加入的钙离子结合，生成CaCO3沉淀。如图5、图6所示。3.2.6氧化铝的焙烧3.2.6.1焙烧反应是在一定温度下把氢氧化铝的附着水和结合水脱除，并发生分解反应，形成氧化铝，再进行晶型转变，得到具有一定物理和化学性能的氧化铝产品。100-120℃2Al(OH)3+附水→Al2O3·3H2O+H2O↑200-250℃失去两个结晶水转变为一水软铝石(Al2O3·H2O)；Al2O3·3H2O→Al2O3·H2O+2H2O↑500℃左右一水软铝石转变为无水γ-A12O3；Al2O3·H2O→γ-Al2O3+H2O↑900℃以上转变为α-Al2O3；γ-Al2O3→α-Al2O33.2.6.2焙烧设备A：气态悬浮焙烧炉（1）设备组成（以某厂为例）产能为2000t/d的气态悬浮焙浇炉1台，与焙烧炉配套的启动热发生器，干燥热发生器、主燃烧器、点火燃烧器各1台，容积为100m3的给料仓1台，宽1400mm的定量给料机1台，宽800mm的胶带输送机1台，双室流态化冷却器2台，三叶罗次鼓风机（45.6m3/min）3台，电收尘1台，排风机1台，拉链输送机、星型卸料器、螺旋输送机、垂直卸料螺旋泵、三叶罗次鼓风机（27.5m3/min）各2台。（2）流程描述氢氧化铝由胶带输送机送入氢氧化铝仓，出仓氢氧化铝经仓底电子胶带秤计量，由螺旋输送机喂入文丘干燥器。含水氢氢化铝被来自旋风预热器P02和干燥热发生器T11的热气体吹散并迅速干燥，干燥了的氢氧化铝和含水蒸汽的混合气体经载流管入旋风分离器P01，分离后干氢氧化铝与旋风离器P03出来热气体充分混合，进入旋风预热器P02中被预热及部分焙烧，从旋风预热器P02分离出来的物料沿着平行于P04锥体的斜壁方向进入焙烧炉P04。作为燃料的煤气炉锥体下面的侧部进入炉内，已被旋风冷却系统预热的助燃空气从锥体底部进入炉内。物料只在炉内停留几秒钏，就被高温气体从上部夹带出焙烧炉，直接入与它紧连着的旋风分离器P03，焙烧后的氧化铝经与热气体分离进入一段旋风冷却系统，而热气体进入旋风预热器P02。一段冷却是否四级旋风冷却器中进行。焙浇好的氧化铝产品自上而下通过顺级垂直配置的四级旋风冷却器C01、C02、C03、C04与来自大气及自流态化冷却器自下而上的气体进行充分的逆流换热。由一段旋风冷却后出C04的氧化铝，再进入二段冷却的流化床冷却器K01、K02、被水逆流间冷却作为成品，送入氧化铝仓。从旋风分离器P01顶部出来的烟气进入收尘器P11中进一步除尘，除尘后的烟气，通过装有控制风量的百叶风门，由排风机P17经烟囱排入大气。电收尘收集的氧化铝粉尘经星型卸料器、螺旋输送机、返灰螺旋吹送泵、返回旋风冷却器C02。示意图如7。图7拜耳法生产氧化铝煅烧工段示意图B：回转窑流程描述回转窑在氧化铝煅烧工艺中过程解析，氧化铝生料浆从料浆槽由高压泵抽出，经喷枪雾化喷入氧化铝回转窑内，在烘干带被烟气烘干后，变成含水5～10%的生料。生料借回转窑的斜度与旋转，从窑尾向窑头移动。移动过程中不断受到烟气加热，物料温度逐渐升高，在烧成带达到最高，并在此发生烧结反应，变成熟料。熟料经冷却带、下料口进入单筒冷却机。熟料在冷却机中，一方面受到吸入空气冷却；另一方面受到冷却机外的淋水冷却，使熟料从1000℃左右冷却到200～250℃，然后进入中碎系统的裙式机。通过冷却机内的空气经预热，进入回转窑作为煤粉燃烧的二次空气。贮存在煤粉仓中的煤粉经“双管”螺旋给煤机和螺旋泵进入喷煤管，由煤风机送一次风把煤粉吹入回转窑内烧成带燃烧。烟气在窑尾排烟机的抽力作用下从回转窑窑头经过整个窑体到过窑尾，再由窑尾罩进排烟收尘系统，在此过程中，窑内气将本身的热传给物料。回转窑采用喷入法喂料，窑内烟气带走大量灰尘。回转窑若强化生产，窑灰循环量由45%～60%提高到120%，故窑内烟气必须经过多级收尘。各级收尘器的窑灰经过一系列螺旋运输机，由返灰管返回窑内，大量的返回可使窑尾料浆不致于结泥浆圈。为了防止生料在烘干带结圈，设有刮料器。4.氧化铝质量标准我国氧化铝的质量标准：表2我国氧化铝的质量标准等级化学成分%Al2O3≥杂质≤SiO2Fe2O3Na2O灼烧一级98.60.020.030.550.8二级98.50.040.040.600.8三级98.40.060.040.650.8四级89.30.080.050.700.8五级98.20.100.050.701.0六级97.80.150.060.701.2注：本表摘自GB8178-87