鋁土礦是如何變成氧化鋁的？

　　鋁土礦實(shí)際上是指工業(yè)上能利用的，以三水鋁石、一水軟鋁石或一水硬鋁石為主要礦物所組成的礦石的統(tǒng)稱(chēng)。鋁土礦是目前氧化鋁生產(chǎn)中最主要的礦石資源，世界上99%以上的氧化鋁是用鋁土礦為原料生產(chǎn)的。

　　由鋁土礦生產(chǎn)氧化鋁方法大致可分為四類(lèi)，即堿法、酸法、酸堿聯(lián)合法和熱法。但目前用于工業(yè)生產(chǎn)的幾乎全屬于堿法。本文將為大家簡(jiǎn)單介紹這四種氧化鋁的生產(chǎn)方法，堿法中拜耳法應(yīng)用最為廣泛，因此本文對(duì)拜耳法工藝作了較為詳細(xì)的敘述。

　　一、堿法

　　堿法工藝流程文字說(shuō)明：

　　堿法生產(chǎn)氧化鋁，是用堿（NaOH或Na2CO3）來(lái)處理鋁礦石，使鋁礦石中的氧化鋁轉(zhuǎn)變成鋁酸鈉溶液。礦石中的鐵、鈦等雜質(zhì)和絕大部分的硅則形成不溶解的化合物，將不溶解的殘?jiān)ǔ：写罅垦趸F，呈紅色，習(xí)慣上稱(chēng)為赤泥。）與溶液分離，經(jīng)洗滌后棄去或綜合利用，以回收其中的有用組分。純凈的鋁酸納溶液在合適的條件下分解析出氫氧化鋁，經(jīng)與母液分離、洗滌后進(jìn)行焙燒，得到氧化鋁產(chǎn)品。分解母液可循環(huán)使用，處理另一批礦石。

　　堿法生產(chǎn)氧化鋁又分為拜耳法、燒結(jié)法和拜耳法-燒結(jié)法聯(lián)合法等多種流程。

　　1拜耳法

　　拜耳法是一種工業(yè)上廣泛使用的從鋁土礦生產(chǎn)氧化鋁的化工過(guò)程。由K.J.Bayer于1889-1892年提出的，一百多年來(lái)它已經(jīng)有了許多改進(jìn)。它適用于處理低硅鋁礦，尤其是在處理三水型鋁土礦時(shí)，具有流程簡(jiǎn)單，作業(yè)方便，產(chǎn)品質(zhì)量高，經(jīng)濟(jì)效益高等特點(diǎn)。

　　拜耳法基本原理：用濃氫氧化鈉溶液將鋁土礦中的氧化鋁水合物轉(zhuǎn)化為鋁酸鈉，通過(guò)稀釋和添加氫氧化鋁晶種使氫氧化鋁重新析出，剩余的鋁酸鈉溶液也叫母液重新用于處理下一批鋁土礦，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)化生產(chǎn)。下圖為拜耳法生產(chǎn)氧化鋁的基本工藝流程圖，每個(gè)工廠(chǎng)由于條件不同，可能采用的工藝流程會(huì)稍有不同，但原則上它們沒(méi)有本質(zhì)的區(qū)別。

　　從拜耳法生產(chǎn)的基本工藝流程，可以把整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程大致分為如下主要的生產(chǎn)工序：原礦漿制備、高壓溶出、溶出礦漿的稀釋及赤泥的分離和洗滌、晶種分解、氫氧化鋁分級(jí)與洗滌、氫氧化鋁焙燒、母液蒸發(fā)及一水蘇打苛化等，具體流程如下圖所示。

　　a、原礦漿制備

　　原礦漿制備是氧化鋁生產(chǎn)的第一道工序。所謂的原礦漿制備，就是把拜耳法生產(chǎn)氧化鋁所用的原料，如鋁土礦、石灰、鋁酸鈉溶液等按一定的比例配制研磨分散成符合溶出要求的原礦漿。

　　b、高壓溶出

　　溶出是拜耳法生產(chǎn)氧化鋁的兩個(gè)主要工序之一。溶出的目的在于將鋁土礦中的氧化鋁水合物溶解成鋁酸鈉溶液。溶出效果好壞直接影響到拜耳法生產(chǎn)氧化鋁的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

　　c、溶出礦漿的稀釋及赤泥的分離洗滌

　　為了促進(jìn)鋁酸鈉溶液發(fā)生分解，需對(duì)溶出礦漿的稀釋?zhuān)瑫r(shí)可降低鋁酸鈉溶液的黏度，以便于赤泥的沉降分離。由于分離后的赤泥附帶有一部分鋁酸鈉溶液，為了減小Al2O3 和Na2O的損失以及環(huán)保，所以要對(duì)赤泥進(jìn)行洗滌。

　　d、晶種分解

　　晶種分解就是將鋁酸鈉溶液降溫，增大其過(guò)飽和度，再加入氫氧化鋁作晶種，并進(jìn)行攪拌，使其析出氫氧化鋁的過(guò)程。它是拜耳法生產(chǎn)氧化鋁的另外一個(gè)關(guān)鍵工序。該工序?qū)Ξa(chǎn)品的產(chǎn)量、質(zhì)量以及全廠(chǎng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)有著重大的影響。晶種分解除得到氫氧化鋁外，同時(shí)得到苛性比較高的種分母液，作為溶出鋁土礦的循環(huán)母液，從而構(gòu)成拜耳法生產(chǎn)氧化鋁的閉路循環(huán)。

　　e、氫氧化鋁的分離與洗滌

　　經(jīng)晶種分解后得到的氫氧化鋁漿液，要進(jìn)行分離才能得到所需要的氫氧化鋁和種分母液。分離后得到的氫氧化鋁部分不經(jīng)洗滌返回流程作晶種，其余部分經(jīng)洗滌回收氫氧化鋁附帶的氧化鋁和氧化鈉后成為氫氧化鋁成品。種分母液則返回流程中重新使用。

　　為了達(dá)到氫氧化鋁和母液分離的目的，可采用不同的方法，如沉降或過(guò)濾等。料漿液固比大的可用沉降法，液固比小的可以過(guò)濾。由于料漿液固比影響過(guò)濾效率，因此，在一般情況下，都先將氫氧化鋁料漿進(jìn)行濃縮，然后再進(jìn)行過(guò)濾分離。

　　f、氫氧化鋁煅燒

　　煅燒就是將氫氧化鋁在高溫下脫去附著水和結(jié)晶水，并使其晶型轉(zhuǎn)變，制得符合特定要求氧化鋁的工藝過(guò)程。所以氧化鋁的許多物理性質(zhì)，特別是比表面積、α-Al2O3含量、安息角、密度等主要決定于煅燒條件。粒度和強(qiáng)度與煅燒條件也有很大關(guān)系。煅燒過(guò)程對(duì)氧化鋁產(chǎn)品的雜質(zhì) (主要是SiO2)含量也有影響。

　　煅燒產(chǎn)品的質(zhì)量指標(biāo)有：化學(xué)純度、灼減、α-Al2O3含量、粒度和安息角等。煅燒過(guò)程的技術(shù)及經(jīng)濟(jì)指標(biāo)有：煅燒溫度、燃料消耗量、產(chǎn)量等。

　　g、種分母液的蒸發(fā)

　　蒸發(fā)的主要目的是排除流程中多余的水分，保持循環(huán)系統(tǒng)中液量的平衡，使母液蒸發(fā)濃縮到符合拜耳法溶出鋁土礦配制原礦漿的要求。除隨赤泥帶走以及在氫氧化鋁煅燒等過(guò)程排除水分外，流程中多余的水分由蒸發(fā)工序排除。

　　h、一水碳酸鈉的苛化

　　鋁土礦中含有少量的碳酸鹽 (如石灰石、菱鐵礦等)，鋁土礦溶出時(shí)加入的石灰也因煅燒不完全而含有少量石灰石。碳酸鹽與高濃度苛性堿溶液作用生成碳酸鈉。鋁酸鈉溶液中的NaOH吸收空氣中的CO2也會(huì)生成碳酸鈉。這個(gè)反應(yīng)稱(chēng)為反苛性化反應(yīng)。

　　2NaOH+CaCO3(水溶液) →Na2CO3+Ca (OH)2(水溶液)

　　拜耳法生產(chǎn)過(guò)程中的苛性堿，由于在浸出過(guò)程中產(chǎn)生反苛化作用以及鋁酸鈉溶液吸收空氣中的CO2，有約3%左右轉(zhuǎn)變?yōu)樘妓釅A，這些碳酸堿在蒸發(fā)過(guò)程中以固相一水碳酸鈉析出。為減少苛性堿的消耗，將碳酸鈉進(jìn)行處理，以回收苛性堿。下面是一水蘇打的苛化反應(yīng)式。

　　Na2CO3·H2O+Ca(OH)2 →2NaOH+CaCO3+H2O

　　用拜耳法生產(chǎn)1t 氧化鋁一般需用礦石1.7——3.4t，堿耗(NaOH)60——150kg，電耗200——350kW·H ，總能耗7.4——32.6GJ。

　　2燒結(jié)法

　　堿石灰燒結(jié)法的基本原理是，使?fàn)t料中的氧化物經(jīng)過(guò)高溫?zé)Y(jié)轉(zhuǎn)變?yōu)殇X酸鈉 (Na2O·Al2O3)、鐵酸鈉 (Na2O·Fe2O3)、原硅酸鈣 (2CaO·SiO2)和鈦酸鈣 (CaO·TiO2)用水或稀堿液溶出時(shí)，鋁酸鈉溶解進(jìn)入溶液，鐵酸鈉水解為NaOH和Fe2O3·H2O沉淀，而原硅酸鈣和鈦酸鈣不溶成為泥渣，分離除去泥渣后，得到鋁酸鈉溶液，再通入CO2進(jìn)行碳酸化分解，便析出Al(OH)3，而碳分母液 (主要成分為Na2CO3)經(jīng)蒸發(fā)濃縮后可返回配料燒結(jié)，循環(huán)使用。Al(OH)3經(jīng)過(guò)焙燒即為產(chǎn)品Al2O3。

　　堿石灰燒結(jié)法的特點(diǎn)：a適合于低A/S礦，A/S3——6；b流程復(fù)雜、能耗高、成本高；c產(chǎn)品質(zhì)量較拜耳法低。

　　3聯(lián)合法

　　拜耳法和堿石灰燒結(jié)法是目前工業(yè)上生產(chǎn)氧化鋁的主要方法，它們各有其優(yōu)缺點(diǎn)和運(yùn)用范圍。而當(dāng)生產(chǎn)規(guī)模較大時(shí)，采用拜耳法和燒結(jié)法的聯(lián)合生產(chǎn)流程，可以兼有兩種方法的優(yōu)點(diǎn)，而消除其缺點(diǎn)，取得比單一的方法更好的經(jīng)濟(jì)效果，同時(shí)可以更充分利用鋁礦資源。聯(lián)合法可分為并聯(lián)、串聯(lián)和混聯(lián)三種基本流程，它主要適用于A/S 7——9的中低品位鋁土礦。

　　下表為堿法的三種工藝的對(duì)比。

　　我國(guó)鋁土礦資源特點(diǎn)是高鋁高硅的中低品位的一水硬鋁石礦，采用的生產(chǎn)方法是燒結(jié)法和聯(lián)合法，聯(lián)合法中的拜耳法 (溶出溫度高，苛性鈉濃度大)也不同于國(guó)外處理三水鋁石型鋁土礦的拜耳法 (溶出溫度低，苛性鈉濃度小)，所以，我國(guó)氧化鋁生產(chǎn)與國(guó)外相比能耗高，成本高。

　　二、酸法

　　即用硝酸、硫酸、鹽酸等無(wú)機(jī)酸處理含鋁原料而得到相應(yīng)鋁鹽的酸性水溶液。然后使這些鋁鹽或水合物晶體 (通過(guò)蒸發(fā)結(jié)晶)或堿式鋁鹽 (水解結(jié)晶)從溶液中析出，亦可用堿中和這些鋁鹽水溶液，使其以氫氧化鋁形式析出。煅燒氫氧化鋁、各種鋁鹽的水合物或堿式鋁鹽，便得到氧化鋁。

　　三、酸堿聯(lián)合法

　　先用酸法從高硅鋁礦中制取含鐵、鈦等雜質(zhì)的不純氫氧化鋁，然后再用堿法 (拜耳法)處理。其實(shí)質(zhì)是用酸法除硅，堿法除鐵。

　　四、熱法

　　適于處理高硅高鐵鋁礦，其實(shí)質(zhì)是在電爐或高爐內(nèi)進(jìn)行礦石的還原熔煉，同時(shí)獲得硅鐵合金 (或生鐵)與含氧化鋁的爐渣，二者借密度差分開(kāi)后，再用堿法從爐渣中提取氧化。