CN101058431B - 一种提取氧化铝的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提取氧化铝的方法，包括下述步骤：将碱石灰或石灰和活性的含铝原料混合，加水成型后进行蒸压反应，蒸压反应：温度为110-280℃，压力为0.14-6.4MPa，反应1-12小时，使得原料中的硅铝氧化物与碱石灰或石灰在水热条件下充分反应，生成水合硅铝酸盐；再经过低温煅烧分解，低温煅烧分解条件为：温度为800-1200℃的，煅烧时间为0.5-4小时；利用碳酸钠水溶液进行浸取溶出氧化铝；经过脱硅、炭化、煅烧等工序获得高纯度氧化铝，所述产生的废渣可用于建筑材料的生产。
Description
技术领域
本发明涉及一种氧化铝提取领域，特别涉及一种从含铝矿物原料或含铝工业废弃物中提取氧化铝的方法。
背景技术
由于世界经济的持续不断发展，人类对金属铝的需求不断增加。然而，优质铝土矿的资源越来越少，从劣质铝土矿或其他含铝矿物原料或含铝工业废弃物中提取氧化铝成了人们关注的重要课题。我国是优质铝土矿资源相对贫乏的国家，氧化铝的生产以碱石灰烧结法为主，能耗大，成本高，使得氧化铝需要常年进口。
从劣质铝土矿或其他含铝矿物原料或含铝工业废弃物中提取氧化铝的方法可分为碱法、酸法和热法三大类。由于酸法在工业上存在腐蚀设备，酸不易回收等致命缺点，尽管不断的还有专利出现，但是产业化推广还是受到了极大限制。热法是高能耗和易造成环境污染的方法，所以只有碱法得到了工业化的应用。
碱法中，由于劣质原料中富含氧化硅，拜尔法生产工艺不能适应，所以普遍采用碱石灰烧结法和石灰烧结法工艺。在碱石灰烧结工艺中，由于碳酸钠循环使用的需要，只能采用设备庞大的湿法烧结工艺。在烧结过程中，原料中水分蒸发后原料中各成分之间才发生固相反应，从而形成熟料。由于固相反应温度高，烧结温度超过1200℃，所以碱石灰烧结法能耗高，成本也高，产生的赤泥量大，赤泥的利用率低，造成环境负担。
在含铝工业废弃物中提取氧化铝，上世纪六十年代，波兰科学家吉米克(J.Grzymek)发明石灰自粉化法原理。我国科技工作者上个世纪八十年代也研究成功了用石灰石烧结、碳酸钠溶出从粉煤灰中提取氧化铝、残渣用于生产水泥的方法。直到2005年，内蒙古蒙西高新技术集团有限公司研究开发的“粉煤灰提取氧化铝联产水泥产业化技术”获得国家批准，在含铝工业废弃物中提取氧化铝的技术开始进入产业化建设时期。
以上从工业废弃物中提取氧化铝可以产业化的主要方法就是石灰烧结法，这种方法没有脱离波兰科学家吉米克的自粉化原理核心。这种方法非常突出的问题是，石灰石和含铝工业废渣煅烧时的温度太高，通常超过1300℃，不仅能耗高，而且高温燃烧废气易造成新的环境污染。
综上所述，碱石灰烧结法和石灰烧结法都存在能耗高的问题。本发明目的就是寻找降低烧结温度的途径，达到降低提取氧化铝能耗和氧化铝生产成本的目的。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种提取氧化铝的方法，该方法能降低传统方法中提取氧化铝的烧结温度，使用该方法能够降低成本、减少环境污染。
本发明的技术方案是：一种提取氧化铝的方法，其特征在于：按下列步骤进行：
1)将碱石灰或石灰和活性的含铝原料混合，加水成型后送入蒸压进行釜蒸压反应，蒸压时间为4～12小时，所述的蒸压反应条件是：温度：110℃～280℃，压力为0.14Mpa～6.4MPa，使原料中的硅铝氧化物与碱石灰或石灰在水热条件下充分反应，生成含有水合硅铝酸盐的蒸压熟料，
2)将蒸压熟料进行煅烧处理，所述的煅烧温度为800℃～1200℃，煅烧时间：0.5小时～12小时；
3)将煅烧熟料利用4％～12％的低碱碳酸钠水溶液进行浸取溶出氧化铝，所述的溶出氧化铝的温度为50℃～90℃，溶出时间为15分钟～45分钟，固液比为1∶5～1∶40，浸取溶出结束后，获得铝酸钠粗液和以硅酸二钙和碳酸钙为主要成分的硅钙渣；
4)按照30∶1～50∶1的钙硅比进行脱硅处理，获得铝酸钠精液，继而在40℃～60℃的温度下进行碳化分解处理，碳分终点为pH＝8-10；过滤后获得氢氧化铝；
5)将氢氧化铝在煅烧设备中进行煅烧，获得氧化铝。
所述的碱石灰或石灰和活化后的含铝原料混合比例为1∶1～1∶3；加水成型的固液比为1∶0.1～1∶1。
所述含铝原料为含氧化铝重量百分比大于30％的矿物原料或工业废弃物。
所述的矿物原料为高硅铝土矿、高岭土矿或霞石。
所述的工业废弃物为煤矸石、粉煤灰或拜尔法赤泥。
本发明的有益效果是：
本发明充分利用水在氧化铝提取过程中的作用，将传统的氧化铝生产中水作为液体介质，不参与化学反应，反而蒸发水分消耗大量的能量的弊端，改为让水不但作为介质使用而且参与化学反应，和生产氧化铝的原料通过水热反应生产水合物，再将水合物低温分解，获得氧化铝浸出熟料，达到节能和简化工艺设备的目的，从而降低氧化铝生产成本，实现在高硅铝土矿、高岭土、霞石和煤矸石、粉煤灰、拜尔法赤泥等粘土矿和工艺废弃物中提取氧化铝的目的。
本发明将蒸压工艺和低温煅烧工艺结合在一起，实现了节能和简化煅烧设备的目的，极大地降低氧化铝的生产成本。利用成熟的技术对原料进行水热蒸压处理，利用技术成熟的低温煅烧设备进行熟料煅烧，利用成熟的氧化铝提取技术进行氧化铝浸出，利用成熟的建筑材料生产技术将提铝产生的废渣制备成建筑材料。
附图说明
图1为含铝矿物原料或含铝工业废弃物中提取氧化铝的工艺流程图。
具体实施方式
本发明中含铝矿物原料指高硅铝土矿、高铝高岭土矿、霞石矿等粘土类矿物；本发明中的工业废弃物指煤矸石、粉煤灰、赤泥等工业废弃物。
首先将含铝原料进行活化处理，已经具有活性的工业废弃物可以直接使用，将活化后氧化铝含量大于30％(重量百分比)的含铝原料和煅烧好的氧化钙(也可以以氢氧化钙为主要成分的电石渣)按照1∶(1-3)的比例进行球磨混合，按照固液比为1∶(0.1-1)的比例加水成型后送入蒸压釜进行蒸压反应，蒸压反应可以是蒸汽加热，也可以是自蒸压，蒸压温度110-280℃，(该温度范围对应的最大压力范围为0.14-6.4MPa)。蒸压时间为0.5-12小时，蒸压之后获得的产物为蒸压熟料。
其次，将蒸压熟料进行煅烧处理，煅烧温度为800-1200℃，煅烧时间0.5-12小时。煅烧设备可采用陶瓷生产工艺用的隧道窑，也可以采用化工生产用的回转窑、水泥生产用的立窑或回转窑等设备。
第三，将合格煅烧熟料进行低浓度碳酸钠溶液浸取。浸取溶出使用浓度为4-12％的碳酸钠水溶液作为浸取溶出液。浸取溶出温度为50-90℃，浸取溶出时间为15-45分钟，固液比为1∶(5-40)。浸取溶出结束后，获得铝酸钠粗液和以硅酸二钙和碳酸钙为主要成分的硅钙渣。
第四，按照(30-50)∶1的钙硅比进行脱硅处理，获得铝酸钠精液，继而在40-60℃的温度下进行碳化分解处理，碳分终点为pH＝8-10。过滤后获得氢氧化铝，滤液经过处理再生循环使用。碳化所用二氧化碳气体可以从石灰炉中获得。
第五，将氢氧化铝进行煅烧，获得冶金级氧化铝。煅烧设备可采用传统的氧化铝煅烧设备，也可以采用流态化煅烧设备或先进的沸腾煅烧设备。
第六，对硅钙渣进行必要的成分调整，加入调整原料后，可用作建筑材料的生产。
具体实施举例：
实例一：
用高铝粉煤灰提取氧化铝，原料化学成分：
| 原料 | SiO<sub>2</sub> | Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> | Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub> | CaO |
| 粉煤灰 | 44.28 | 48.80 | 3.29 | 2.56 |
| 石灰 | 4.58 | 1.61 | 1.26 | 88.74 |
原料经过磨细后按照：粉煤灰/石灰＝1/2的配比，加水固液比为：1∶0.3，180℃蒸养4小时，900℃煅烧4小时，8％碳酸钠溶液按照液固比5∶1在80℃浸取溶出40min，经过除硅、碳化等工序，最终氧化铝浸出率为85％，氧化铝中氧化硅的含量低于0.3％，达到冶金级氧化铝的成分要求。
实例二：
利用实例一中的原料和工艺，原料配比：粉煤灰/石灰＝1/3，加水固液比为：1∶0.25，120℃蒸养4小时，800℃煅烧5小时，8％碳酸钠溶液按照液固比5∶1在80℃浸取溶出40min，经过除硅、碳化等工序，最终氧化铝浸出率为75％，氧化铝中氧化硅的含量低于0.3％，达到冶金级氧化铝的成分要求。
实例三：
利用实例一中的原料和工艺，原料配比：粉煤灰/石灰＝1/2.5，加水固液比为：1∶0.35，240℃蒸养4小时，950℃煅烧6小时，8％碳酸钠溶液按照液固比5∶1在80℃浸取溶出40min，经过除硅、碳化等工序，最终氧化铝浸出率为89％，氧化铝中氧化硅的含量低于0.3％，达到冶金级氧化铝的成分要求。
实例四：
用铝土矿提取氧化铝，原料化学成分：
| 原料 | SiO<sub>2</sub> | Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> | Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub> | CaO |
| 铝土矿 | 24.12 | 58.88 | 4.15 | 3.26 |
| 石灰 | 4.58 | 1.61 | 1.26 | 88.74 |
通过将铝土矿机械磨细活化处理，按照SiO2和CaO的摩尔比率为1∶2，Al2O3和Na2O的摩尔比率为1∶1的比例配料，将石灰铝土矿和纯碱加水球磨制备成料浆，料浆含水率为60％，然后在水热条件下蒸压反应，温度为170℃，时间为4小时，然后在900℃温度下煅烧3小时，用去离子水或稀碱溶液浸出，经过除硅、碳化等工序，最终氧化铝浸出率为82％，氧化铝中氧化硅的含量低于0.3％，达到冶金级氧化铝的成分要求。
实例五：
原料同实例四中使用的原料，通过将铝土矿在500℃下焙烧活化处理，按照SiO2和CaO的摩尔比率为1∶2，Al2O3和Na2O的摩尔比率为1∶1的比例配料，将石灰铝土矿和纯碱加水球磨制备成料浆，料浆含水率为60％，然后在水热条件下蒸压反应，温度为190℃，时间为4小时，然后在850℃温度下煅烧4小时，用去离子水或稀碱溶液浸出，经过除硅、碳化等工序，最终氧化铝浸出率为90％，氧化铝中氧化硅的含量低于0.3％，达到冶金级氧化铝的成分要求。
实例六：
原料采用铝硅比为1.8的拜尔法赤泥经烘干焙烧活化后，按照SiO2和CaO的摩尔比率为1∶2，Al2O3和Na2O的摩尔比率为1∶1的比例加入石灰和纯碱进行配料，将生料球磨制备成料浆，料浆含水率为70％，然后在水热条件下蒸压反应，温度为180℃，时间为3小时，然后在900℃温度下煅烧4小时，用去离子水或稀碱溶液浸出，经过除硅、碳化等工序，最终氧化铝浸出率为86％，氧化铝中氧化硅的含量低于0.3％，达到冶金级氧化铝的成分要求。
实例七：
以霞石为原料300℃烘干焙烧活化后，按照SiO2和CaO的摩尔比率为1∶2，Al2O3和Na2O的摩尔比率为1∶1的比例加入石灰和纯碱进行配料，将生料球磨制备成料浆，料浆含水率为70％，然后在水热条件下蒸压反应，温度为175℃，时间为4小时，然后在950℃温度下煅烧4小时，用去离子水或稀碱溶液浸出，经过除硅、碳化等工序，最终氧化铝浸出率为83％，氧化铝中氧化硅的含量低于0.3％，达到冶金级氧化铝的成分要求。
实例八：
用煤矸石中提取氧化铝，原料化学成分如下：
| 原料 | SiO<sub>2</sub> | Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> | Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub> | CaO |
| 煤矸石 | 44.28 | 48.80 | 3.29 | 2.56 |
| 石灰 | 4.58 | 1.61 | 1.26 | 88.74 |
将煤矸石在700-900℃度的温度下，焙烧成偏高岭石，原料配比：偏高岭石/石灰＝1/2，加水固液比为：1∶0.3，180℃蒸养4小时，900℃煅烧4小时，8％碳酸钠溶液按照液固比5∶1在80℃浸取溶出40min，氧化铝浸出率为84％，氧化铝中氧化硅的含量低于0.3％，达到冶金级氧化铝的成分要求。
实例九：
用高岭石提取氧化铝，原料化学成分如下：
| 原料 | SiO<sub>2</sub> | Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> | Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub> | CaO |
| 高龄石 | 45.26 | 47.86 | 1.43 | 2.03 |
| 石灰 | 4.58 | 1.61 | 1.26 | 88.74 |
将高岭石在700-900℃度的温度下，焙烧成偏高岭石，原料配比：偏高岭石/石灰＝1/2.5，加水固液比为：1∶0.3，185℃蒸养5小时，880℃煅烧3小时，8％碳酸钠溶液按照液固比5∶1在80℃浸取溶出40min，氧化铝浸出率为80％，氧化铝中氧化硅的含量低于0.3％，达到冶金级氧化铝的成分要求。
Claims (5)
1.一种提取氧化铝的方法，其特征在于：按下列步骤进行：
1)将碱石灰或石灰和活性的含铝原料混合，加水成型后送入蒸压进行釜蒸压反应，蒸压时间为4～12小时，所述的蒸压反应条件是：温度：110℃～280℃，压力为0.14Mpa～6.4MPa，使原料中的硅铝氧化物与碱石灰或石灰在水热条件下充分反应，生成含有水合硅铝酸盐的蒸压熟料，
2)将蒸压熟料进行煅烧处理，所述的煅烧温度为800℃～1200℃，煅烧时间：0.5小时～12小时；
3)将煅烧熟料利用4％～12％的低碱碳酸钠水溶液进行浸取溶出氧化铝，所述的溶出氧化铝的温度为50℃～90℃，溶出时间为15分钟～45分钟，固液比为1∶5～1∶40，浸取溶出结束后，获得铝酸钠粗液和以硅酸二钙和碳酸钙为主要成分的硅钙渣；
4)按照30∶1～50∶1的钙硅比进行脱硅处理，获得铝酸钠精液，继而在40℃～60℃的温度下进行碳化分解处理，碳分终点为pH＝8～10；过滤后获得氢氧化铝；
5)将氢氧化铝在煅烧设备中进行煅烧，获得氧化铝。
2.如权利要求1所述方法，其特征是在于，所述的碱石灰或石灰和活化后的含铝原料混合比例为1∶1～1∶3；加水成型的固液比为1∶0.1～1∶1。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述含铝原料为含氧化铝重量百分比大于30％的矿物原料或工业废弃物。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述的矿物原料为高硅铝土矿、高岭土矿或霞石。
5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述的工业废弃物为煤矸石、粉煤灰或拜尔法赤泥。
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