（有色金属冶金专业论文）烧结法熟料高浓度溶出浆液沉降分离和洗涤的研究.pdf

中南大学硕士学位论文 摘要 摘要 提高烧结法湿法系统中氧化铝浓度，从而显著提高设备产能和生 产效率，降低生产成本一直是氧化铝界研究的热点，其难点在于高浓 度下赤泥粒子表面具有较大的剩余价力、分子力和氢键作用力，可吸 附溶液中的带电离子并能和介质发生强烈的溶剂化作用，形成一定厚 度的扩散层，阻碍了粒子间的作用，使得赤泥粒子无法聚结成较大的 颗粒而难以沉降分离。在高浓度熟料溶出中，如不能尽快将赤泥从浆 液中分离，将造成二次反应加剧，导致铝和碱的损失加大。 本论文采用沉降分离方案，选择多种国内外絮凝剂进行了大量的 沉降探索实验，筛选了适合高浓度浆液沉降分离的高效絮凝剂a 1 1 ， 研究了絮凝剂的添加量、熟料粒度、碳碱浓度、魄( 指n a 2 0 k 与a 1 2 0 3 分子比) 等多种因素对a 1 2 0 3 浓度高于1 8 0 9 l 的熟料溶出浆液沉降性 能的影响。并研究了赤泥粒子的界面性质、絮凝剂结构和复配方式等 对沉降性能的影响规律，提出高浓度溶出浆液沉降分离与洗涤的工艺 制度，为工业生产条件下实现高浓度溶出浆液沉降分离提供指导。 研究结果表明：溶出浆液a 1 2 0 3 浓度大于1 8 0 9 l ，选取a l l 絮凝剂 可以较快实现浆液分离，9 0 进行沉降时，前5 m i n 沉高率为3 0 4 0 ，6 0 m i n 底流压缩液固比在5 - 一6 之间；絮凝剂的最佳用量为1 5 0 1 7 5 9 t - 干赤泥；提高熟料粒度，有利于浆液沉降：溶液n a 2 0 c 浓度和毗 升高不利于浆液沉降，碳碱浓度应该控制在1 0 - - 一2 0 9 l ，魄应控制在 1 4 1 7 ：絮凝剂的复配和添加剂在添加量较大时对循环溶出浆液的 沉降性能有一定的改善。赤泥洗涤沉降可以在不补加絮凝剂的情况下 得到满意的洗涤沉降效果。赤泥微粒z e t a 位的绝对值随着p h ，n a 2 0 s 浓度增加而减小、随着n a 2 0 c 的增大而增大。 关键词：烧结法，浆液，高浓度，沉降，絮凝剂 中南大学硕士学位论文 a b s t r a c t s t u d yo nt h es e t t l e m e n ta n dw a s h i n go f r e dm u df r o m p r e p a r a t i o no f g r e e nl i q u o rw i t hh i 曲a l u m i n a c cs i n t e r i n gp r o c e s s c o n c e n t r a t i o n i ns i n t e r i n gp r o c e s s a b s t r a c t i n c r e a s i n g 砧2 0 3c o n c e n t r a t i o ni nt h eh y d r o m e t a l l u r i a lp r o c e s sc o u l d s i g n i f i c a n t l yi n c r e a s et h ep r o d u c t i o ne f f i c i e n c ya n dr e d u c et h e p r o d u c t i o n c o s ti ns i n t e rp r o c e s s ，w h i c hi sar e s e a r c hf o c u si na l u m i n af i e l d t h e r e a r eb i gr e s i d u a lv a l e n c ef o r c e ，m o l e c u l a rf o r c ea n dh y d r o g e nb o n df o r c e o nt h es u r f a c eo fr e dm u d p a r t i c l ei nh i g hc o n c e n t r a t i o ns o l u t i o n ，w h i c h m a k e st h er e dm u da d s o r bt h ei o n sa n dc a u s es t r o n gs o n a t i o n t h e r e f o r e ad i f f u s i o nl a y e rf o r m so nt h es u r f a c e ，w h i c hh i n d e r st h ea g g r e g a t i o n a m o n gp a r t i c l e s a sar e s u l t ，s e t t l i n gt h er e dm u d b e c o m e sm o r ed i f f i c u l t t h a nt h a ti nl o w e ra l u m i n ac o n c e n t r a t i o n i nl e a c h i n gp r o c e s s ，w i t hh i g h a l u m i n ac o n c e n t r a t i o n ，t h es e c o n d a r yr e a c t i o nw i l lb em o r ea g g r a v a t i v e a n da l u m i n aa n da l k a l il o s sw i l li n c r e a s ei ft h er e dm u dc o u l dn o tb e s e p a r a t e df r o mt h es l u r r ya ss o o na sp o s s i b l e b a s e do nt h em e t h o do ff l o c c u l a t i o nt os e p a r a t et h er e dm u df r o m s l u r r y ，ag o o dm a n yo ff l o c c u l a n t sa r ec h o s e nt os e t t l et h es l u r r y r e s u l t s s h o w st h a ta l li st h em o s te f j f i c i e n tf l o c c u l a n t n l ee f f e c to ft h ea m o u n t o ff l o c c u l a n t ，s i n t e rp a r t i c l es i z e ，c o n c e n t r a t i o no fn c ，a n da k ( n a 2 0 ka n d a 1 2 0 3m o l e c u l a rp r o p o r t i o n ) o nt h es e t t l e m e n tp e r f o r m a n c ei ss t u d i e d t h ee f f e c to fi n t e r r a c i a lp r o p e r t i e so fr e dm u dp a r t i c l e ，s t r u c t u r eo f f l o c c u l a n ta n dt h eb l e n d i n gm e a n so ff l o c c u l a n t so nt h es e t t l e m e n t p e r f o r m a n c ei sa l s os t u d i e d ，n l et e c h n o l o g yo fr e dm u ds e t t l e m e n ti n h i 曲c o n c e n t r a t i o na n dr e dm u dw a s h i n gp r o c e s si sp u tf o r w a r di no r d e r t og u i d et h es e t t l e m e n to fh i g hc o n c e n t r a t i o ni nt h ei n d u s t r i a lp r o d u c t i o n r e s u l t so fe x p e r i m e n t si n d i c a t et h a tw h e nt h ec o n c e n t r a t i o no fa 1 2 0 3 i sa b o v e18 0 # l ，t h ef l o c c u l a n tal lc o u l ds e t t l et h es l u r r ye f f e c t i v e l ya t 9 0 t h eh e i g h tr a t i oo fb o t t o mf l o wt ot h ew h o l ef l o wr a n g e sf r o m3 0 中南大学硕士学位论文 a b s t r a c t t o4 0 i n5m i n u t e s t h el i q u i d s o l i dc o m p r e s s i o nr a t i oo fb o t t o mf l o wi s a b o u t5 - 6 ，a n do p t i m u ma m o u n to ff l o c c u l a n tv a r i e s15 0 9 t r e dm u dt o l7 5 9 t r e dm u d i n c r e a s i n gt h ep a r t i c l es i z eo fs i n t e rf a v o r st h es e t t l e m e n t a b i l i t y o fs l u r r y t h es e t t l e m e n t a b i l i t yb e c o m e sw o r s ew i t ht h e c o n c e n t r a t i o no fn a 2 0 ca n d 吼i n c r e a s i n g t h e r e f o r e ，t h es u i t a b l e c o n c e n t r a t i o nr a n g eo fn a 2 0 ci s l o - 2 0 9 la n d 毗i s1 4 1 7 1 1 1 e b l e n d i n g f l o c c u l a n t sa n da d d i t i v ef a v o rt h es e t t l e m e n t a b i l i t y o f c i r c u l a t i n gl e a c h i n g s e t t l e m e n ta b i l i t yo fw a s h i n gp r o c e s sc o u l do b t a i n s a t i s f a c t o r ye f f e c tw i t hn oa d d i t i o n a lf l o c c u l a n t t h ea b s o l u t ev a l u eo f z e t ap o t e n t i a lo fr e dm u d p a r t i c l eb e c o m e sl o w e rw h e n t h ep ha n dn a ：o s c o n c e n t r a t i o ni n c r e a s e ，a n db e c o m e sh i g h e rw i t ht h en a 2 0 ci n c r e a s i n g k e yw o r d s ：s i n t e rp r o c e s s ，s l u r r y ，h i g hc o n c e n t r a t i o n ，s e t t l e m e n t f l o c c u l a n t i i i 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：磕丝 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 啦 中南大学硕士学位论文 前言 i 厶j 一 刖吾 随着矿石铝硅比的降低，拜耳法生产氧化铝的经济技术指标明显恶化。对于 铝硅比低于7 的矿石，单纯的拜耳法就不适用了。处理铝硅比在4 以下的矿石， 碱石灰烧结法几乎是唯一得到实际应用的方法。在处理s i 0 2 含量更高的其他炼 铝原料，如霞石、绢云石以及正长石时；它也得到应用，可以同时制取氧化铝、 钾肥和水泥等产品，实现了原料的综合利用。据报道，国外以霞石为原料的烧结 法企业，由于原料综合利用，实现无废料生产后，氧化铝的生产成本反而较低。 在我国已经查明的铝矿资源中，高硅铝土矿占有很大的数量，因而烧结法对于我 国氧化铝工业具有很重要的意义。我国第一座氧化铝厂一山东铝厂就是采用碱 石灰烧结法生产的，它在改进和发展碱石灰烧结法方面作出了许多贡献。 传统的烧结法和拜耳法比较，作业环节多，能量消耗大，投资和成本都较高， 成品氧化铝的质量较差。烧结法湿法系统中氧化铝浓度低是导致传统烧结法生产 氧化铝的设备产能和生产率低、生产效益差、产品缺乏竞争能力的关键因素。并 且在拜耳法和烧结法联合法生产氧化铝过程中，拜耳法流程中a 1 2 0 3 浓度高，可 以高达1 6 0 - - 1 7 0 9 l ，而烧结法过程中a h 0 3 浓度低，大概只有1 2 0 9 l 。浓度高 低不一样，不利于两种溶液的交换。烧结法生产迫切需要提高湿法系统氧化铝浓 度。提高湿法系统中氧化铝浓度的关键是突破熟料的高浓度溶出与分离技术难 点。 传统的熟料溶出与分离采用的是一段工艺，即熟料溶出、分级后粗砂返回溶 出、再固液分离，或熟料溶出、分级后粗砂再单独溶出、两种溶出浆液合起来固 液分离。工艺参数是：调整液毗( n a 2 0 k a 1 2 0 3 分子比) 1 6 - 1 7 ，她0 36 0 8 0 9 r l ； 溶出温度8 0 左右，溶出时间1 5 m i n 左右，在溶出浆液中加入相当干赤泥量 0 0 0 5 - 0 0 3 的絮凝剂，沉降分离得到氧化铝浓度为9 0 1 2 0 9 l ，s i 0 2 浓度为 3 - - - 5 9 l ，a k l 2 左右的粗液，熟料中氧化铝、氧化钠溶出率大于9 0 。在传统的 溶出工艺制度下，虽然通过增加熟料加入量，可以达到溶出高浓度铝酸钠溶液的 目的，但由于浆液固含太大、颗粒太细、溶液粘度大而无法快速进行固液分离， 使得溶出过程二次反应加剧，进而会明显降低熟料中氧化铝、氧化钠的溶出率， 最终不仅损失氧化铝和碱，而且也得不到高浓度的粗液。 受原有理论束缚，因技术原因，国内外传统烧结法无法制取和处理高浓度溶 液，致使溶液中氧化铝含量低、单耗高，存在能耗高、成本高、质量差、投资大 和效益差等问题，缺乏市场竞争力。基于我国铝土矿资源特点和烧结法氧化铝生 产的现状，必须通过大幅度提高火法系统中氧化铝含量和湿法系统中氧化铝浓 度，减少单位产品所需物料量，达到强化过程、大幅提高产能、降低消耗和成本 中南大学硕士学位论文 前言 的目的。为此，必须全面解决整个流程涉及的各个环节。而熟料高浓度溶出浆液 分离技术即为其中关键技术难点之一，由于相关的理论研究相对匮乏，更没有工 业应用的先例，必须对相关过程所涉及到的理论和技术问题进行系统深入的研 究。 本论文的主要研究内容有： ( 1 ) 絮凝剂种类对沉降性能的影响； ( 2 ) 絮凝剂加入量和加入方式对高浓度浆液沉降性能的影响； ( 3 ) 熟料性质( 粒度、熟料组成等) 对高浓度浆液沉降性能的影响； ( 4 ) 沉降条件( 温度、固含量等) 对高浓度浆液沉降性能的影响； ( 5 ) 絮凝剂的复配和复配方式、合成的功能性官能团絮凝剂对高浓度浆液沉 降性能的影响； ( 6 ) 洗涤过程中底流沉降性能的变化规律； ( 7 ) 赤泥粒子表面电位的变化规律： 2 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 第一章文献综述 1 1 世界氧化铝工业的发展 从世界范围来看，氧化铝生产绝大部分采用铝土矿为原料，生产方法主要是 拜耳法，少数厂采用烧结法、联合法及其他方法。 拜耳法是由k j 拜耳在1 8 8 9 - 1 8 9 2 年提出，一百年来它已经有了许多改进。 拜耳法用在处理低硅铝土矿，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，其经济效果远非其他方法所能比美。目前全世界生产的 氧化铝和氢氧化铝，有9 0 以上是用拜耳法生产的【1 1 。 随着矿石铝硅比的降低，拜耳法生产氧化铝的经济技术指标明显恶化。对于 铝硅比在4 以下的矿石，碱石灰烧结法几乎是唯一得到实际应用的方法。在处理 s i 0 2 含量更高的其他炼铝原料，如霞石、绢云母以及正长石时，它也得到了应用， 可以同时制取氧化铝、钾肥和水泥等产品，实现了原料的综合利用。据报道，国 外以霞石为原料的烧结法企业，由于原料的综合利用，实现无废料生产后，氧化 铝的生产成本反而最低。在我国已经查明的铝矿资源中，高硅铝土矿占有很大的 数量，因而烧结法对于我国氧化铝工业具有很重要的意义。我国第一座氧化铝厂 山东铝厂，就是采用碱石灰烧结法生产的，它在改进和发展碱石灰烧结法方 面作出的许多贡献，其舢2 0 3 的总回收率，碱耗等指标都居于世界先进水平。 美国地质调查局( u s g s ) 资料显示，全球己探明铝土矿储量2 5 0 亿吨，远景 储量3 5 0 亿吨，储量非常丰富。按目前开采规模( 1 4 亿吨年左右) 进行计算，现 有铝土矿储量可满足世界铝工业近1 8 0 年的开采需要。这还不包括一些新增储量 以及其它含铝矿物的储量 2 1 。因此，全球铝工业资源的开发保证程度很高，铝土 矿资源丰富。全球铝土矿资源量估计约5 5 0 亿吨，分布情况：南美3 3 ，非洲2 7 口, 4 ， 亚洲1 7 ，大洋洲1 3 ，其它地区( 北美、欧洲) 1 0 。另有资料报道，我国周 边国家铝土矿储量：越南铝土矿探明储量为2 0 3 亿吨，居世界第五位；印尼储量 达到8 7 9 亿吨。2 0 0 5 年世界各大洲铝土矿，氧化铝产量如表1 1 所示。 世界铝土矿储量中几内亚占2 9 6 ，澳大利亚占2 2 8 ，上述两国合计占 5 2 4 ，即一半以上储量在上述两国。另外，牙买加占8 ，巴西占7 6 ，上述四 国合计占6 8 。说明世界铝土矿藏资源相对集中。 3 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 表1 12 0 0 5 年世界各大洲铝土矿，氧化铝产量( 千吨) t a b l ei - 1o u t p u to fb a u x i t ea n da l u m i n ai no f d i f i e r e n tc o n t i n e n ti n2 0 0 5 ( k t ) _ _ _ _ - _ o - _ _ _ _ _ o i _ _ 一m f _ o _ b a u x i t e a l u m i n a c o n t i n e n t o u t p u t ( k t ) p e r c e n t a g e ( )o u t p u t ( k t ) p e r c e n t a g e ( ) e u r o p e l1 4 9 3 46 ，5 71 3 31 5 1 9 9 5 a f r i c a2 0 0 1 51 4 4 57 4 61 1 2 a s i a3 6 7 0 6 1 2 0 9 9 1 4 6 4 2 2 1 9 4 a m e r i c a4 7 1 9 1 32 6 9 92 0 1 8 7 3 0 2 5 o c e a n i a5 9 4 6 93 4 0 01 7 8 5l2 6 7 5 t o t a l17 4 8 7 4 810 0 0 06 6 7 4 2 10 0 0 0 2 0 0 5 年全世界生产铝土矿1 7 4 8 4 8 k t ，生产氧化铝6 6 7 4 2 k t ，如按2 5 ：1 推算， 需铝土矿1 6 6 8 5 5 k t ，因此从氧化铝生产需要分析，两者是平衡的。全球生产铝土 矿的国家有2 5 个，主要氧化铝生产国如表1 2 所示。 表l - 22 0 0 5 年主要氧化铝生产国的产量 t a b l e1 - 2o u t p u to fa l u m i n ao fm a i nc o u n t r yi n2 0 0 5 q 堕笪堡业璺坚q 坐仑燮墼丝呈坠望竖亟塑 la u s t r a l i a1 7 8 5l2 6 7 3 2 c h i n a 8 6 0 9 1 2 9 0 3u s a5 6 3 48 4 4 4 b r a z i l 5 1 2 5 7 6 8 5j a m a i c a4 2 0 86 3 1 6 r u s s i a3 2 9 15 3 8 7 i n d i a 3 0 1 64 9 3 t o t a l4 7 7 3 47 2 3 7 1 2 我国氧化铝工业 1 2 1 我国氧化铝工业的发展 建国以来，我国氧化铝工业从无到有，从小到大，取得了很大的成就，先 后建立了山东、郑州、贵州三个氧化铝厂。特别是在国家优先发展铝的指导方针 下，陆续建成了山西、中州、平果等重点氧化铝企业。 4 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 我国铝工业经过半个多世纪的发展，铝产量到1 9 9 2 年才突破百万吨。但到 2 0 0 0 年以后，特别是近几年来，铝工业的发展速度惊人，由于电解铝工业产量快 速增长，推动了中国氧化铝工业的发展。2 0 0 0 年起，我国已跃居成为全球第二大 氧化铝生产国，中铝公司成为仅次于美国铝业公司的世界第二大氧化铝生产企 业。但是，尽管国产氧化铝产能和产量逐年增长，仍远不能满足电解铝生产的需 要，每年需大量进口氧化铝，氧化铝进口量和比例逐年增加。 由于氧化铝价格高居不下，我国氧化铝厂的建设进入白热化，与前5 年相对 平稳的增长相比，2 0 0 6 年氧化铝生产规模和产量迅速增加，由2 0 0 5 年的8 6 0 万 吨猛增至1 3 7 0 万吨，增长高达5 9 3 ，氧化铝生产企业达到1 8 家，生产能力达 到1 8 5 5 万吨左右。2 0 0 7 年我国氧化铝年产能约为2 7 0 0 万吨，实际产量为1 9 5 5 万吨，同比增长4 6 ，预计2 0 0 8 年产量将达2 6 0 0 万吨，2 0 0 5 2 0 0 8 年间我国 氧化铝年均增长率达4 5 ，远高于1 0 的国内氧化铝需求年均增长率。国内产 量快速增长对氧化铝进口形成了有效替代，导致2 0 0 7 年我国氧化铝进口量呈现 明显下降。由于国内氧化铝产能投放迅猛，上游产品铝土矿进口需求迅速放大。 2 0 0 5 年我国进口铝土矿仅为2 1 7 万吨，2 0 0 6 年进口量迅速增至9 2 5 万吨，2 0 0 7 年进口量又继续增至2 3 2 6 万吨，比上年增长1 5 倍。铝土矿进口量成倍增长对 进口氧化铝的替代作用日渐显著。近几年我国氧化铝产量及氧化铝，铝土矿进口 量如表1 3 所示。 表1 3 近年我国氧化铝产量和氧化铝，铝土矿的进口量( 万吨) t a b l e1 - 3t h eo u t p mo fa l u m i n aa n di m p o i to fa l u m i n aa n db a u x i t e( 10 l ( t ) y e a r2 0 0 32 0 0 42 0 0 52 0 0 62 0 0 7 o u t p u t 6 1 47 1 98 6 01 3 7 01 9 5 5 i m p o r t ( a l u m i n a ) 5 6 0 5 8 77 0 16 9 151 2 i m p o r t ( b a u x i t e ) 6 28 82 179 2 52 3 2 6 一i 一i 我国氧化铝工业经过半个世纪的发展，生产技术、装备水平不断提高【3 习。 先后开发应用了铝土矿选矿除杂( 脱硅) 提高矿石铝硅比技术、拜耳法间接加热强 化溶出技术、烧结法富矿烧结技术、烧结法粗液间接加热连续脱硅技术、降膜蒸 发及氢氧化铝的流态化焙烧技术等等，使得我国创造的混联法生产技术、装备水 平在不断提高，能耗、物耗和可比生产成本大幅度下降：烧结法在氧化铝总回收 率、碱耗、产品质量等方面创造了世界同类生产方法的先进水平；我国的拜耳法 生产技术也有了突出的成就。 5 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 1 2 2 我国氧化铝工业存在的主要问题 1 2 2 1 铝土矿品位低，储量少 主要特点是铝硅比为4 8 的中低品位铝土矿占探明储量的8 0 以上【6 。优 质高品位铝土矿相对缺乏，致使在我国的氧化铝生产工艺中以混联法和烧结法为 主 8 1 。表l - 4 列出了我国各省区的铝土矿平均品位。 表1 4 我国各省区的铝土矿平均品位 t a b l e1 - 4b a u x i t ec o n t e n to fd i f f e r e n tp r o v i n c e 目前，在中国铝业公司所属的各主要的铝土矿矿区中，除平果矿外，其它矿 山均出现严重贫化的趋势。山东分公司阳泉矿区已经枯竭，湖田矿区品位过低， 资源严重不足，因此山东分公司主要靠河南、山西两省和国外供应原矿。河南铝 土矿开采量最大，除满足中州、河南两个分公司用矿量至少4 0 0 万讹以上，每年 还向山西、山东供应约1 0 0 万t ，目前已经出现高a s 比的矿石紧缺，价格上涨的 局面。据国土资源部1 9 9 9 年的调查，河南境内a s 1 0 的高品位铝土矿储量为 2 6 7 1 6 万t ，按每年消费5 0 0 万t 计，5 年内河南高铝矿石即将采完，如不采取有效 措施，河南、中州、山西、山东4 个分公司都将面临高铝矿石短缺的严重威胁。 贵州分公司露天开采的也是普铝矿石，有限的高铝矿石需地下开采，产量很小。 如何通过技术手段解决中国氧化铝生产需要快速提产与矿石资源日益贫化之间 的矛盾，是我国氧化铝工业必须认真思考的问题。 基于对今后我国氧化铝年产量的不同推测，一些专家得出的我国铝土矿资源 对氧化铝工业的保证程度也不同。陈岱、阎鼎欧1 9 预测我国已探明的铝土矿资 源至t j 2 0 5 0 年前后将全部用完；徐天仇【l o 】等也对我国铝土矿资源利用做了预测，前 景也不容乐观。目前我国铝土矿的开采，正规矿山供矿比例不足5 0 ，而另外的 5 0 以上的供矿则是民采，并且还有一些非法采矿。品位高的、容易采的被开采 了，而品位较低的就废弃了，造成矿山早期枯竭，服务年限缩短，开采后生态环 境破坏严重。 为解决我国铝土矿资源相对不足的问题，必须加大对铝土矿资源的勘察力 度。有报道表明，近期在广西地区新发现铝土矿储量6 亿t 以上。但从全世界范围 内看，有经济价值的铝土矿储量还可以满足开采2 0 0 年以上，因此可以说，从世 6 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 界范围内看，我国铝土矿资源相对不足。 1 2 2 2 综合能耗高、成本高 由于我国铝土矿大多为高铝、高硅、低铁、铝硅比较低的一水硬铝石型铝土 矿，不能采用较经济的低温拜耳法生产氧化铝，只能采用技术条件苛刻、流程复 杂、工艺落后的混联法或烧结法生产氧化铝，造成其能耗高、生产成本高，氧化 铝生产综合能耗是国外采用拜耳法处理三水铝石或一水软铝石生产氧化铝能耗 的3 - 4 倍，见表1 5 。 表1 - 5 国内外氧化铝厂能耗对比 t a b l e1 - 5e n e r g yc o n s u m p t i o no fa l u m i n ap l a n t _ 1 - - - - i i mi _ _ _ _ _ 嘶 舭0 f p 删。n 珊。f 蛐y 讶难二 1 2 2 3 技术装备水平落后、劳动生产率低 目前，我国氧化铝工业装备水平与国际先进水平相比，存在着技术装备水平 落后、自动化程度低的差距【l l 】。具体为：在拜耳法，包括混联法中的拜耳法部分， 虽然新建厂的高压溶出技术采用了单管预热反应釜间接加热溶出技术设备， 个别老厂引进了管道化溶出技术与设备，在一定程度上提高了溶出的技术装备水 平，但一些老厂的主导溶出技术仍采用高能耗的列管双程预热、新蒸汽直接加热 压煮器溶出；在赤泥分离洗涤技术上，除新建厂引进了大型高效分离设备外，其 余各氧化铝厂的赤泥分离设备普遍存在着规模小、产能低、自动化程度低及劳动 强度大的缺点；种子分解技术，多数氧化铝厂动力消耗高；在蒸发上，虽然个别 厂采用了先进的膜式蒸发及强制排盐技术，但多数氧化铝厂仍然采用效率低、能 耗高的三效自然循环蒸发技术装备。 对于烧结法，包括混联法中的烧结法，在熟料烧成技术上仍然采用能耗高、 控制水平落后的湿式筒形回转窑加圆筒冷却机的工艺技术；而在粗液脱硅方面， 除个别厂采用间接加热连续脱硅技术外，其余均采用能耗高的蒸汽直接加热压煮 器脱硅技术。 7 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 1 3 烧结法基本原理 早在拜耳法提出之前，法国人勒萨特里【1 2 j 在1 9 5 8 年就提出了碳酸钠烧结法， 即用碳酸钠和铝土矿烧结，得到固体铝酸钠n a 2 0 a 1 2 0 3 的烧结产物，这种产物 称为熟料或烧结块，将其用稀碱溶液溶出便可得到铝酸钠溶液，往溶液中通入 c 0 2 气体，即可析出氢氧化铝，残留在溶液中的主要是碳酸钠，可以循环使用。 用这种方法，原料中的s i 0 2 仍然是以铝硅酸钠的形式转入泥渣，而成品氧化铝 质量差，流程复杂，耗热量大，所以拜耳法问世以后此法就遭淘汰了。 后来发现用碳酸钠和石灰石按一定比例与铝土矿烧结，可以很大程度上减轻 s i 0 2 的危害，使a 1 2 0 3 和n a 2 0 的损失大为减少，这样就形成了碱石灰烧结法。 在处理高硅铝土矿时，它比拜耳法优越。 在碱石灰烧结法中，一般是使炉料中的氧化物经过烧结转变为铝酸钠，铁酸 钠，原硅酸钙和钛酸钙。因为铝酸钠易溶于水或稀碱溶液，而铁酸钠则易水解为 n a o h 和f e 2 0 3 h e o 沉淀，在溶出条件适当时，钛酸钙和大部分原硅酸钙不与溶 液反应而全部转入渣中。所以，主要由这四种化合物组成的熟料，在用稀碱溶出 时，就可以溶出舢2 0 3 和n a 2 0 ，而将其余杂质分离出去。得到的铝酸钠溶液经 过净化精制，通入c 0 2 气体，降低其稳定性，便可析出氢氧化铝，这个过程叫 做碳酸化分解。碳酸化分解后的溶液称为碳分母液，主要成分为碳酸钠，可以再 用来配料。因此在烧结法生产中，碱也是循环使用的。 1 4 高浓度溶出浆液快速分离的难点 赤泥的自由沉降过程可用赤泥颗粒所受重力与其下降所受的液相阻力达到 平衡时的s t o c k s 公式来描述： y = g 警 ( 1 - 1 ) y 2 = _ 二 l 卜i j 式中： y 自由沉降速度，l i 以； 以，p 赤泥颗粒的密度与液相的密度，k g m 3 喀赤泥颗粒的当量直径，m ；l i _ 一液相的动力粘度，p a s ；卜重力加速度，m s 2 在高浓度溶出条件下，溶出浆液的氧化铝浓度，妣都较传统工艺要高，这就 对铝酸钠溶液的粘度有很大的影响，成琼文对铝酸钠溶液粘度拟合公式如下： 8 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 l n ( t 1 ) = 一1 5 5 4 + i 1 3 9 毗+ o 0 1 8 7 2 a - - 0 0 5 0 3 t( 1 - 2 ) 式中：卜溶液温度，c ；q l 广溶液苛性分子比；a 氧化铝浓度，g l 该公式对苛性比在1 3 9 - - , 3 0 、温度在2 5 - - 6 5 度之间的铝酸钠溶液适用，根据 此公式，在6 5 度的条件下，计算高浓度溶出工艺( 溶出浆液嗽：1 5 ，a 1 2 0 3 ：1 8 0 9 l ) 与传统工艺( 溶出浆液毗：1 4 ，a 1 2 0 3 ：1 2 0 9 l ) 铝酸钠溶液的粘度比如下： l n m l ) = 一1 5 5 4 + 1 1 3 9 + 0 0 1 8 7 2 a - - 0 0 5 0 3 t = 0 2 5 4 6 h l m 2 ) = 一i 5 5 4 + 1 1 3 9 + 0 0 1 8 7 2 a o 0 5 0 3 t = - - 0 9 8 2 5 则：r l l r 1 2 = 3 4 4 5 6 1 l 。高浓度溶出工艺浆液粘度；q 广专统工艺溶出浆液粘度 由计算结果可以看出，高浓度溶出铝酸钠溶液的粘度是传统工艺的3 4 倍左 右，根据s t o c k s 公式，这不仅使赤泥颗粒在高浓度的铝酸钠溶液中的沉降速度大 大减小，而且也会减小赤泥颗粒在絮凝过程中的碰撞几率，从而影响絮团的长大， 对于高浓度溶出浆液的分离会产生极为不利的影响。 1 5 烧结法氧化铝生产中溶出浆液的快速分离 实际生产中，熟料在溶出球磨机内的停留时间为3 一5 m i n ，在螺旋分级机内 为2 3 m i n ，丽铝酸钠溶液与赤泥在沉降槽内的分离时间却达2 3 m i n 以上。在其他 条件基本稳定的情况下，由于接触时间的延长，将加剧二次反应的程度。 铝酸钠和铁酸钠组成的固容体易溶于水和稀碱，用稀碱溶液在9 0 度下溶出细 磨熟料，在3 - 5 分钟内便可将其中的铝酸钠完全溶出来。原硅酸钙( 2 c a o s i 0 2 ) 在熟料中的含量在3 0 以上，它是不溶于水的。但在溶出过程中赤泥中2 c a o s i 0 2 可与铝酸钠发生一系列的化学反应，使已经溶出来的舢2 0 3 ，n a 2 0 又有一部分转 入赤泥而损失。由此造成a 1 2 0 3 和n a 2 0 的损失。 溶出过程中的二次反应主要有： 2 c a o s i 0 2 + 2 n a 2 c 0 3 堋砷嘞s i 0 3 + 2 c a c 0 3 + 2 n a o h + a q( 1 3 ) 2 c a o s i 0 2 + 2 n a o h + a l q _ 2 c a ( o h ) 2 + n a e s i 0 3 + a q( 1 4 ) 3 c a ( o i - i ) 2 + 2 n a a i ( o h ) 4 - 3 c a o a 1 2 0 3 6 h 2 0 + 2 n a o h( 1 5 ) 3 c a o a 1 2 0 3 6 h 2 0 + x n a 2 s i 0 2 ( o h 0 2 = 3 c a o a 1 2 0 3 x s i 0 2 ( 6 - 2 x ) h 2 0 + 2 x n a o h ( x = 0 5 - - 0 8 )( 1 - 6 ) 3 c a ( o h ) 2 + 2 n a a i ( o h ) 4 + x n a 2 s i 0 3 = 3 c a o a 1 2 0 3 x s i 0 2 ( 6 - 2 x ) h 2 0 + ( 1 + x ) n a o h + x h 2 0( 1 7 ) 9 中南大学硕十学位论文 第一章文献综述 2 n a 2 s i 0 3 + 2 n a a l ( o h ) 4 + a q = n a 2 0 a 1 2 0 3 2 s i 0 2 2 h 2 0 + 4 n a o h + a q ( 1 - 8 ) 这一点从二次反应造成的a 1 2 0 3 损失也可以看出。赤泥与铝酸钠溶液接触时 间的延长是造成a 1 2 0 3 损失的主要原因。所以，尽快地分离赤泥是减轻损失的重 要措施，并且可以减轻其他因素变动所带来的不利影响。 1 5 1 加旋流器机械离心分离赤泥 机械离心分离赤泥过程主要使用旋流器和离心机来代替沉降槽将赤泥和铝 酸钠溶液快速分离【1 3 1 。其工艺过程见图1 1 。 送往洗涤 图1 - 1 机械快速分离工艺流程 f i g 1 1f l o ws h e e to fm e c h a n i c a l l yq u i c ks e p a r a t i o n 溶液 流程相对简单，絮凝剂用量减少，分离系统动力消耗相对增大，但赤泥洗涤 工序整体动力消耗是减小的。 有研究者将机械离心分离处理的溶出浆液a 1 2 0 3 浓度提到1 5 0 9 l ，比沉降分 离处理的溶出浆液浓度( 1 3 0 9 l ) 高y 2 0 9 l 。由于实现了快速分离，使铝酸钠溶液 与赤泥的接触时间仅有2 5 一- 3 m i n ，a 1 2 0 3 损失量较小，赤泥中a 1 2 0 3 的含量平均 6 8 ，分离溶出率比沉降分离的溶出率提高约2 - - - 3 。在粗液浓度达至l j l 4 0 9 l ， n a 2 0 c 没有发生太大变化的情况下，s i 0 2 的平衡浓度也只有5 9 3 9 l ，溶液中的浮 游物在1 o 2 5 9 l 之间。完全满足了生产的要求。 机械离心分离处理的溶出浆液，其温度、细度与沉降分离的要求基本相同， 只是溶液浓度提高了，溶出过程并没有变化，所以生产流程比沉降分离流程更简 单。另外采用机械强制分离浆液后，絮凝剂的加入量更少。 沉降分离赤泥浆液l s 约4 5 左右，而离心分离赤泥含水率平均3 3 ，所以赤 1 0 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 泥洗涤次数肯定要降低。 与沉降分离比较，机械离心强制分离溶出浆液，对浆液指标要求范围更宽， 进料液固比( l s ) 1 0 1 8 ；细度+ 1 6 0 # 筛上s 1 5 、+ 6 皑筛下1 0 ，温度7 8 - - 9 2 c 。 机械离心分离溶出浆液经过生产试验，虽然能够满足生产要求，各项指标 达到或优于沉降分离控制指标，但此系统刚试验于生产，仍有许多部分需要完善。 ( 1 ) 此设备自动化控制系统目前故障率较高，因自动停机造成设备维护工作 量加大。尤其是通讯中断或信号丢失引起误动作须立即解决。 ( 2 ) 此设备由于转速高，负荷大卜易损件标准低，从而影响离心机的正常运 行。 ( 3 ) 离心分离设备处理的浆液2 0 3 浓度虽然比沉降分离中处理的浆液浓度 高，但a 1 2 0 3 高于1 6 0 9 l 时，控制指标恶化严重。直接处理较高浓度浆液时，离 心机处理的泥量较大，扭矩很高，添加旋流器，被迫拉长了流程，增加了消耗。 使用旋流器时，其底流控制较难，还有一部分高浓度趾2 0 3 物料进入赤泥，造成 a 1 2 0 3 的损失。另外分离的浮游物在2 5 9 l 以上，大于沉降分离时的控制指标。 1 5 2 翻盘式真空过滤机在烧结法赤泥分离中的应用研究 翻盘式真空过滤机是水平放置的圆盘状过滤装置，其结构简图如图1 2 所示。 图1 2 翻盘式真空过滤机结构图 f i g 1 2s t r u c t u ；r eo f t i l t i n g - p a nt y p ev a c u u mf i l t e r 1 归线导轨；2 滚轮；3 翻盘又；4 平台；5 滤盘；6 托轮；7 抽液管；8 传动杆；9 下错气 盘：1 0 上错气盘；1 1 挡轮；1 2 加料斗；1 3 转盘；1 4 星轮；1 5 涡轮减速器；1 6 三角皮 带轮；1 7 电机； 由一些研究者试验结果可看出【1 4 】，采用翻盘过滤机后，氧化铝溶出率可以提 高l 左右；在第二、第三阶段的高浓度溶出试验中，浓度达到t l s o e , l 以上， 而滤饼的氧化铝溶出率仍然保持在较高水平，滤饼与熟料的溶出率差值控制在 l 之内，这对提高氧化铝的净溶出率起到了很大的作用。但当溶液苛性比值提 高以后，滤饼与熟料的溶出率差值有扩大的趋势，这对氧化铝溶出率的提高不利。 在高浓度溶出液赤泥快速分离时，翻盘过滤机的产能最高还不至l j 2 5 0 k g 干赤 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 泥m 2 h ，而现有的分离沉降槽的产能可以达到近3 5 0 k g ： z , ：赤泥m 2 h ，因此，和分 离沉降槽相比，翻盘过滤机的产能略低。另外，滤布的产能会随着滤布的使用而 降低，在试验过程中，需要根据滤布的使用情况来调整进料量，这将对生产的控 制带来一定的困难。 在苛性比值低的条件下，滤布的使用寿命只有2 0 小时左右，提高溶液苛性比 值后，滤布使用寿命提高至1 4 7 d x 时，滤布寿命明显延长，但总体来说，滤布的使 用寿命仍较短。 ， 滤饼的含水率维持在一个较恒定的水平，一般在4 0 - - 5 0 之间，而正常分 离底流的液固比在3 8 左右。与分离沉降槽相比，采用翻盘过滤机后，可有效地 减少进入洗涤段的附液量，这对提高洗涤效率、，稳定洗涤沉降槽的操作会起到很 大的作用。 通过工业试验，可得到如下结论： ( 1 ) 翻盘式真空过