氧化铝生产工艺教学(复习).ppt

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1、总复习,基本概念：,铝土矿是目前氧化铝生产中最主要的原料，主要成分为Al2O3，SiO2，Fe2O3，TiO2等，氧化铝主要以三水铝石，一水软铝石，或一水硬铝石状态存在，按氧化铝水合物类型可分为三水铝石型，一水软铝石型，一水硬铝石型或各种混合型衡量铝土矿质量的标准为铝硅比、氧化铝含量、矿物类型。铝硅比是指矿石中Al2O3含量与SiO2含量的质量比。我国铝土矿的主要特点是高铝、高硅、低铁的一水硬铝石型铝土矿。生产氧化铝的方法有碱法、酸法、酸碱联合法、热法。在工业上得到应用的只有 碱法，其重要的中间产物是铝酸钠溶液；碱法生产氧化铝主要有拜耳法、碱石灰烧结法和拜耳-烧结联合法，联合法流程有串联、并联

2、和混联。,总复习,基本概念：,电解炼铝用的氧化铝必须在氧化铝的纯度和氧化铝的物理性质上符合一定的质量要求。硅量指数是指铝酸钠溶液中Al2O3与SiO2的质量比，以A/S表示。拜耳法的循环效率指一吨Na2O在一次拜耳法循环中所产出的Al2O3的量（吨），用E表示，E的数值越高说明碱的利用率越好。E=1.645(MRm-MRa)/MRmMRa拜耳法的循环碱量指生产一吨氧化铝在循环母液中所必须含有的碱量（不包括碱损失），它是循环效率的倒数。铝酸钠溶液的分子比（苛性比值）是指铝酸钠溶液中Na2O与Al2O3的摩尔比，它表示铝酸钠溶液中氧化铝的饱和程度和稳定性。MR=1.645Na2O/Al2O3,氧化

3、铝实际溶出率：铝土矿与NaOH反应实际溶出到溶液中的Al2O3量与铝土矿中Al2O3总量之比。,氧化铝理论溶出率：理论上矿石中可以溶出的Al2O3量（扣除不可避免的化学损失）与矿石中Al2O3总量之比。,总复习,基本概念：,铝酸钠溶液中的碱通常分为苛性碱NaO k、碳酸碱NaO c和硫酸碱NaO s，其中苛性碱NaO k和碳酸碱NaO c 的和称为全碱NaO T,氧化铝相对溶出率：氧化铝实际溶出率与理论溶出率之比。,总复习,基本概念：,赤泥的产出率：每处理1t铝土矿所生成的赤泥量,碱耗：铝土矿溶出过程，每溶出1tAl2O3所损失的碱量,总复习,基本概念：,铝酸钠溶液的稳定性通常是用从过饱和的铝

4、酸钠溶液开始分解析出氢氧化铝所需时间的长短来衡量的。配料分子比指预期矿石中Al2O3充分溶出时，溶出液所应达到的分子比氢氧化铝晶粒附聚：就是在范德华力、自粘力、附着力以及毛细管力和物质之间的紧密接触而形成的表面张力等力的作用下，氢氧化铝晶粒自发和定向的连接在一起的现象。,总复习,基本概念：,拜耳法溶出工艺目前分为压煮器和管道化 两大类溶出技术，其中 管道化溶出技术是目前比较先进的溶出技术，根据我国一水硬铝石铝土矿的溶出特点，我国形成了具有自主知识产权的管道预热-停留罐 溶出技术。,一水碳酸钠的苛化是在拜耳法生产过程中，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

5、一部分苛性碱变成了一水碳酸钠。使这部分一水碳酸钠从新变成苛性碱称为一水碳酸钠的苛化。,熟料溶出的副反应指在熟料溶出过程中赤泥中的原硅酸钙2CaOSiO2可以与铝酸钠溶液发生一系列的化学反应，使已溶出来的Na2O和Al2O3又有一部分重新转入赤泥而损失。这些反应称为二次反应或副反应。二次反应所造成的Na2O和Al2O3的损失称为二次反应损失或副反应损失。熟料溶出二次反应的主要产物是 水合铝硅酸钠、水化石榴石。我国碱石灰烧结法采用 低苛性比值、高碳酸钠浓度、二段磨料 溶出工艺。碱比、钙比：碱石灰烧结法生料配方中，N/(A+F)称为碱比；C/S称为钙比。饱和配方是指在烧结法配料过程中采用碱比等于1，

6、钙比等于2的炉料配方称为饱和配方。在碱石灰烧结法生产氧化铝时，我国采用低碱高钙配方，这和我国生料掺煤工艺相符合。,基本概念：,总复习,熟料溶出的副反应指在熟料溶出过程中赤泥中的原硅酸钙2CaOSiO2可以与铝酸钠溶液发生一系列的化学反应，使已溶出来的Na2O和Al2O3又有一部分重新转入赤泥而损失。这些反应称为二次反应或副反应。二次反应所造成的Na2O和Al2O3的损失称为二次反应损失或副反应损失。熟料溶出二次反应的主要产物是 水合铝硅酸钠、水化石榴石。我国碱石灰烧结法采用 低苛性比值、高碳酸钠浓度、二段磨料 溶出工艺。碱比、钙比：碱石灰烧结法生料配方中，N/(A+F)称为碱比；C/S称为钙比

7、。饱和配方是指在烧结法配料过程中采用碱比等于1，钙比等于2的炉料配方称为饱和配方。在碱石灰烧结法生产氧化铝时，我国采用低碱高钙配方，这和我国生料掺煤工艺相符合。,基本概念：,总复习,判断熟料质量好坏的标准有标准溶出率、熟料的密度和粒度和负二价硫含量S2-。衡量熟料溶出过程好坏的标志是净溶出率,总复习,基本概念：,回转窑熟料烧结时，根据物料沿窑长的温度变化分为窑体分为烘干带、预热带、分解带、烧成带、冷却带 五个带。,总复习,基本概念：,烘干带：脱附着水干燥。窑气800250，炉料80 200预热带：脱结晶水，Na2SO4开始分解 窑气1200800，炉料200 750 分解带：Na2CO3+Al

8、2O3 Na2OAl2O3+CO2 Na2CO3+Fe2O3 Na2OFe2O3+CO2 Na2CO3+Al2O32SiO2 Na2OAl2O32SiO2+CO2 窑气14001200，炉料750 1200烧成带：2CaO+Na2OAl2O32SiO2 Na2OAl2O3+2CaOSiO2 窑气1500以上，炉料1250-1300冷却带：熟料逐渐冷却到900-1000 左右经下料口进入冷却机。,会分析30下的Na2O-Al2O3-H2O系平衡状态图：点、线、区域、分子比变化,总复习,基本原理和方法：,Na2OAl2O32.5H2O(48.8%Al2O329.7%Na2O21.5%H2O),Na

9、2OAl2O3(62.2%Al2O337.8%Na2O),53.5,NaOHH2O,T三水铝石,M一水铝石,B,E,H,C,D,F,MR=1,65.4,O,MR=3,总复习,30,60,200,MR=3.40,拜耳法生产Al2O3的四个组要工序,MR=1.65,铝土矿的溶出铝酸钠溶液的稀释晶种分解分解母液蒸发,拜耳法循环从铝土矿的溶出开始，溶出初温为30，终温为200。在此温度范围内实现溶出、稀释分解、蒸发过程。,A,B,A点：循环母液的组成点,AB线：溶出线,BC线：稀释线,CD线：分解线,DA线：蒸发线,拜耳循环：ABCDA,至Al2O3H2O,C,D,至Al2O33H2O,拜耳法生产氧化

10、铝的基本原理 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，溶液中的氧化铝便呈氢氧化铝析出。分解得到的母液，经蒸发浓缩后在高温下可用来溶出新的一批铝土矿。,总复习,基本原理和方法：,实质：,拜耳法生产氧化铝的基本流程：会画基本流程框图,会分析拜耳循环图,碱石灰烧结法生产氧化铝的基本原理,总复习,基本原理和方法：,碱石灰烧结法生产氧化铝的基本流程及各工序的作用,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(Na2OAl2O3)，杂质氧化铁生成易水解的铁酸钠(Na2OFe2O3

11、)，二氧化硅和氧化钛分别生成不溶性的原硅酸钙(2CaOSiO2)和钛酸钙(CaOTiO2)。将烧结产物（熟料）用稀碱溶液溶出时Na2OAl2O3便进入溶液，Na2OFe2O3水解放出碱，原硅酸钙(2CaOSiO2)和钛酸钙(CaOTiO2)不溶进入赤泥，从而实现杂质矿物与有用矿物的分离。,熟料烧结在高温下能满足Na2OAl2O3和 Na2OFe2O3的优先生成，能保证Al2O3的溶出；生料加煤排硫结果使一部分Fe2O3转变为FeS;在烧结过程中还生成一种铁的化合物(CaOAl2O3Fe2O3)，且这一相比较稳定.,我国铝土矿碱石灰烧结法为什么采用低碱高钙配方？,低碱配方：,高钙配方：,能够保证

12、2CaOSiO2和CaOTiO2的生成；多余的钙能够分解三元化合物Na2OAl2O3SiO2 Na2OAl2O3SiO2+2CaO=Na2OAl2O3+2CaOSiO2,低碱高钙配方优点：,碱耗低赤泥的稳定性能比较好能保证碱和氧化铝的溶出率,总复习,在碱石灰烧结法生产氧化铝时，我国采用 低碱高钙 配方，这和我国 生料掺煤 工艺相符合。,氧化铝及其水合物,铝土矿主要矿物在拜耳法的溶出行为、主要危害及防治措施,氧化铝水合物在溶出条件下与循环母液中的NaOH作用生成铝酸钠进入溶液中。,含硅矿物,含硅矿物与碱反应，首先分解成铝酸钠和硅酸钠进入溶液，然后当硅酸钠浓度达一定值后与铝酸钠溶液反应生成水合铝硅

13、酸钠（钠硅渣）进入赤泥。,Al2O32SiO22H2O+6NaOH+aq2NaAl(OH)4+2NaH2SiO4+aq 溶解反应,2NaAl(OH)4+xNaH2SiO4+aq Na2OAl2O3xSiO2nH2O+2xNaOH+aq 脱硅反应,产生的主要危害是造成氧化铝和氧化钠的损失，在加热设备和管道上产生结疤，降低传热系数，阻塞管道。防治措施是在原矿浆进入高压溶出器前的预热阶段进行预脱硅。,总复习,基本原理和方法：,含铁矿物,铝土矿主要矿物在拜耳法中的溶出行为、主要危害及防治措施,含钛矿物,铝土矿中的赤铁矿在拜耳法溶出过称中不与苛性碱反应，直接进入赤泥，对溶出过程不产生影响；而针铁矿在拜耳

14、法溶出过称中会部分进入溶液，形成高度分散的细微粒子，影响赤泥的沉降和过滤性能。溶出过程，可以通过添加CaO将针铁矿转变为赤铁矿而消除不利影响。,TiO2不影响三水铝石的溶出。而在溶出一水硬铝石型铝土矿时，不添加石灰，氧化钛与碱作用生成致密的钛酸钠保护膜，降低氧化铝的溶出率。通过添加石灰，使TiO2与CaO作用生成不溶解的钛酸钙：2CaOTiO2=2CaOTiO2，消除生成钛酸钠保护膜的影响。,总复习,基本原理和方法：,溶出过程添加石灰的作用,消除铝土矿TiO2的不良影响，避免了钛酸钠的生成,提高氧化铝的溶出速率,总复习,促进针铁矿转变为赤铁矿，改善赤泥沉降性能,降低碱耗,清除杂质,铝酸钠（Na

15、2OAl2O3）,熟料溶出过程的主要反应,铁酸钠（Na2OFe2O3）,总复习,基本原理和方法：,Na2OAl2O3+4H2O+aq=2NaAl(OH)4+aq,Na2OFe2O3+4H2O+aq=2Na(OH)+Fe2O33H2Oaq,原硅酸钙（2CaOSiO2）：与NaOH、Na2CO3、NaAl(OH)4发生一系列的二次反应，是造成熟料中Na2O和Al2O3损失的主要原因。,钛酸钙（CaOTiO2）:熟料中的钛酸钙溶出时不发生任何反应，残留于赤泥中,减少二次反应损失的措施:,低分子比（即低岢性比值）。溶出后铝酸钠溶液的分子比控制在1.25左右，以减小溶液中游离苛性碱浓度。高碳酸碱浓度。溶

16、液中Na2Oc浓度保持不大于30g/L，是溶液组成位于苛化曲线上部CaCO3平衡区。低温度溶出。在不显著影响赤泥沉降速度的条件下采取偏低的溶出温度78-82。二段磨溶出工艺。采用两段湿磨溶出，快速分离赤泥，缩短赤泥与溶液的接触时间，以减少原硅酸钙的分解。,总复习,基本原理和方法：,赤泥分离洗涤的步骤:,总复习,基本原理和方法：,赤泥浆液稀释沉降分离赤泥反向洗涤粗液控制过滤,拜耳法赤泥浆液稀释的作用:,降低铝酸钠溶出液的浓度，便于晶种分解降低铝酸钠溶液的黏度，加速赤泥沉降分离促使铝酸钠溶液进一步脱硅有利于稳定沉降槽的操作,氧化铝生产中硅的危害,引起Al2O3和Na2O的损失：水和铝硅酸钠（Na2

17、OAl2O32SiO2nH2O）水化石榴石（3CaOAl2O3xSiO2yH2O）影响氢氧化铝产品质量，不利于电解铝所用原料的要求：产品中SiO2含量高，与电解质中的AlF3反应生成SiF4，造成电解质损失和环境污染生产设备和运输管道产生结疤现象：结疤部位：溶出工序、分解工序、蒸发工序及各工序间 的连接管道或设备 结疤危害：降低传热系数，堵塞管道，增加能耗和清理 工作影响赤泥的沉降分离：增大赤泥量，形成极分散的细悬浮体,总复习,在熟料溶出过程中，粗液中的SiO2主要来源于-2CaOSiO2与NaOH、Na2CO3和NaAl(OH)4反应，而使较多的SiO2进入溶液。粗液中Al2O3浓度约120

18、g/L，SiO2为4.5-6g/L（溶液硅量指数为20-30），比SiO2平衡浓度高出许多倍，这些SiO2是极不稳定的，由于在溶液中是过饱和的，分解时大部分析出进入氢氧化铝产品，影响产品质量。因此，铝酸钠分解前必须设置专门的脱硅过程，使溶液中硅尽可能转变为固相从铝酸钠溶液中分离出来。经过脱硅净化处理的铝酸钠溶液的硅量指数一般要求大于400，浮游物不大于0.012克/升。,碱石灰烧结法铝酸钠溶液脱硅的目的,总复习,碱石灰烧结法脱硅流程：“两段脱硅流程”,一段脱硅：不添加石灰，使溶液中SiO2成为水合铝硅酸钠结晶析出，脱硅后溶液A/S为400左右二段脱硅：添加石灰，使溶液中SiO2成为水化石榴石结

19、晶析出，脱硅后溶液A/S达到1000-1500左,工业上为了减少CaO和Al2O3的损失，通常在一段脱硅将大部分的SiO2成为水合铝硅酸钠分离后，再添加石灰使剩余的SiO2呈水化石榴石进行深度脱硅。,总复习,铝酸钠溶液晶种分解过程的机理,在工业生产条件下，分解过程就是在添加大量晶种的条件下进行的分解反应。,Al(OH)4-+xAl(OH)3(x+1)Al(OH)3+OH-,但铝酸钠溶液中的种分过程不只是单纯的晶种长大，同时还有一些其它极为复杂的物理化学变化，其中包括：氢氧化铝晶体的长大，氢氧化铝晶种的附聚，次生晶核的形成，氧化铝晶粒的破裂和磨损。分解过程，这些作用往往同时发生，只是不同的条件下

20、发生的程度不同。氢氧化铝的粒度分布就是这些作用综合的结果。,总复习,晶种分解温度制度：温度直接影响铝酸钠溶液的稳定性，分解速度，分解率以及氧化铝粒度。所以温度是晶种分解的重要因素之一。,工业上生产砂状氧化铝，通常采用将铝酸钠溶液逐渐冷却的变温分解制度，即分解初期较快地降温，分解后期则降慢。这有利于在较高的分解率的条件下，获得质量较好的氢氧化铝。,生产砂状氧化铝的拜耳法厂，分解初温一般控制在70-85，末温 为60。,总复习,铝酸钠溶液碳酸化分解的原理：铝酸钠溶液碳酸化分解是同时存在气、液、固三相的多相反应过程。,CO2为铝酸钠溶液吸收，使苛性碱中和 NaOH+CO2=Na2CO3+H2O氢氧化

21、铝的析出 NaAl(OH)4=NaOH+Al(OH)3 水合铝硅酸钠的结晶析出水合碳铝酸钠的生成和破坏，并在碳酸化分解终了时沉淀析出 2 Na2CO3+2Al(OH)3=Na2OAl2O32CO22H2O+NaOH,碳酸化分解氢氧化铝结晶形成同晶种分解一样包括四个过程：次生晶核的生成，Al(OH)3晶粒的破裂与磨蚀，Al(OH)3晶体的长大和Al(OH)3晶粒的附聚。,总复习,碱石灰烧结法中，为获得粒度较粗、强度较大和杂质含量低的氢氧化铝，在碳酸化分解过程应采取的措施：,将粗液充分脱硅，并根据其硅量指数控制适当的分解率。精液的硅量指数越高，可以达到的分解率也越高。在较高的温度下进行碳分。提高分

22、解温度，有利于氢氧化铝晶体的长大，减少其吸附碱和氧化硅的能力，便于分离洗涤。采用纯度高、浓度高的CO2气体进行碳酸化，分解速度快，分解时间短，分解槽产能高；CO2与Na2O起中和反应及Al(OH)3结晶析出所放出的热量，足以维持碳酸化过程在较高温度下进行，有利于Al(OH)3粒度长大。在碳分前期强烈搅拌溶液，后期则降低搅拌强度。搅拌可使溶液成分均匀，避免局部碳酸化，并有利于晶体长大，得到粒度较粗和碱含量较低的氢氧化铝。搅拌可以减轻碳分槽内的结垢和沉淀。添加适量晶种。预先往精液中添加一定数量的晶种，在碳酸化分解初期不致生成分散度大，吸附能力强的氢氧化铝，减少它对SiO2的吸附，所得氢氧化铝的杂质

23、含量减少而晶体结构和粒度组成也有改善。,总复习,拜耳法和碱石灰烧结法的异同,相同点：均属于碱法生产氧化铝，它们生产氧化铝的基本过程相同。,总复习,铝矿石,铝酸钠浆液,碱处理,铝酸钠溶液,赤泥(Fe、Ti、Si等杂质),分离,分解,Al(OH)3,Al2O3,母液,循环母液,拜耳法和碱石灰烧结法的异同,不同点：,总复习,从原料角度从原理角度从流程角度从能耗角度从产品质量角度从经济成本角度,第五章 铝土矿中氧化铝的溶出,已知：,矿石组成：A%，S矿%，T%，C矿%循环母液：nk g/L，a g/L石灰：添加量为干矿石量的w%，C灰%，S灰%赤泥中碱硅比：Na2O:SiO2=b%Al2O3实际溶出率：A配料分子比：MR,每吨铝土矿需要的循环母液量,拜耳法生产氧化铝的配料计算,Thank You!,