CN1095444C - 强化烧结法氧化铝生产工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种氧化铝生产工艺，特别涉及一种强化烧结法的氧化铝生产工艺。本发明其特征在于高铝硅比矿石、石灰、煤、蒸发碳母、碱粉进行原料磨制制得合格的生料浆，生料浆经烧成工序而得到熟料，将熟料进行溶出，再经赤泥分离得到粗液，粗液经压煮脱硅、硅渣分离得到一次精液，再经常压脱硅、钙硅渣分离，得到二次精液，二次精液分别经碳化和种分可以得到氢氧化铝浆液，再经分离、洗涤后的氧化铝经焙烧得到氧化铝成品。

Description

强化烧结法氧化铝生产工艺

本发明涉及一种氧化铝生产工艺，特别涉及一种强化烧结法的氧化铝生产工艺。

目前世界上氧化铝工业生产方法主要是碱法，包括烧结法和拜尔法以及由此两种基本方法组合形成的联合法，世界上90％的氧化铝产品采用拜尔法工艺生产，它的原料是高铝硅比(A/S)矿石，对于铝硅比低于4.5的铝土矿采用拜尔法就很不经济了，只有采用烧结法；世界上采用烧结法工艺生产氧化铝的主要国家有前苏联、中国和希腊，我国的烧结法是从前苏联引进的，虽经过40多年的理论研究和生产实践，改善了烧结法工艺，但理论框架没有突破，称之为传统的烧结法生产工艺。

传统的烧结法熟料配方采用低碱([N/R]＜1.0)、高钙([C/S]＞2.0)配方其理论核心是：低A/S矿石配制的生料浆中的氧化铝与氧化钠在熟料烧成过程中生成铝酸钠，主要杂质SiO2、TiO2与CaO分别生成硅酸二钙和钙钛矿，杂质Fe2O3与氧化钠生成铁酸钠。在溶出分离工序，铝酸钠溶于碱液，熟料烧成过程中生成的极少量不稳定的α-硅酸二钙与溶出液相互作用，造成少量SiO2进入溶液及少量的氧化铝因二次反应损失，而大部分硅酸二钙及钙钛矿不溶于溶液是弃赤泥的主体，铁酸钠在溶出过程中，氧化钠进入溶液，氧化铁进入赤泥。建立在这一理论基础上的烧结法生产工艺因而具有以下缺点：

1、处理的矿石品位较低，烧成熟料氧化铝含量低(只有34％-35％)、a/s低(≤3.4)，从而造成整个生产系统处理的固体物料量大。

2、烧结温度高、烧成温度范围窄，特别是随着熟料A/S的提高，烧成窑的操作愈来愈困难，生产上烧成熟料的A/S最高限值为3.5。

3、由于烧成过程中，SiO2大部分与CaO2形成2CaO·SiO2，并且少量不稳定的α’-2CaO·SiO2形成及游离的CaO的存在，二次反应损失成为传统烧结法难以克服的薄弱环节，造成氧化铝溶出率降低。

4、由于熟料氧化铝含量低、溶出率低，溶出工序受赤泥分离的限制及二次反应的影响，溶出液氧化铝浓度低，湿法系统氧化铝浓度普遍较低。

5、为了限制二次反应的进行，采用低αK溶出技术(溶出αK在1.2左右)并对Nc浓度有一定的限制范围，采用碳分母液和赤泥洗液作为调整液的重要组成部分。溶出液浓度水平最终维持在115g/l左右，经两次脱硅后所制得的精液氧化铝浓度只有90-95g/l。湿法系统低浓度运行，造成湿法系统液量循环量大。

6、生产传统的较大的固体物烊处理量、较大的液体循环量，造成整个系统在同样设备配制条件下生产能力降低，原、燃、物料及水、电、风、汽等动力消耗量增加，生产经济技术指标低下，生产成本较高。

有鉴于此，如何能利用原有的设备，采用烧结法处理高铝硅比的铝矿石，使得产出率高，工艺简单、成本低，正是本发明研创动机所在。

本发明设计人凭借多年从事氧化铝研究生产加工等领域的实际经验和对客观实际需要，在反复研究论证的基础上，做一全新工艺设计构成，终得本发明一种强化烧结法工艺的产生。

针对现有技术的不足，本发明的目的是设计一种高A/S矿石采取烧结法生产氧化铝工艺，其仍然具有很好的经济性和产出率。

本发明的熟料配方采用饱和的碱比([N/R]＝1)、不饱和钙比([C/S]＜1.5)配方，其理论依据是：高A/S矿石配制的生料浆中的氧化铝与氧化钠在熟料烧成过程中生成铝酸钠，主要杂质SiO2和TiO2除了分别形成硅酸二钙、钙钛矿外，还有硅酸钠、铝硅酸钠存在。在溶出过程中硅酸钠、铝硅酸钠中的氧化铝、氧化硅、氧化钠可以进入溶液，不至于造成氧化铝和氧化钠的损失，进入溶液的SiO2在后续的脱硅工序中被脱去，压煮脱硅产生的钠硅渣加石灰乳强化溶出进一步回收氧化钠后外排。

本发明的目的可以按下述方法实现：高铝硅比矿石与石灰石和煤烧制成的石灰、煤、蒸发碳母、碱粉进行原料磨制制得合格的生料浆，生料浆经烧成工序而得到熟料，将熟料进行溶出，再经赤泥分离得到粗液，粗液经压煮脱硅、硅渣分离得到一次精液，再经常压脱硅、钙硅渣分离，得到二次精液，二次精液分别经碳分和种分可以得到氢氧化铝浆液，再经分离、洗涤后的氢氧化铝经焙烧得到氧化铝成品，碳分母液经蒸发返回配料，种分母液直接送溶出工序作调整液，从而实现碱的循环利用，一次硅脱浆液经硅渣分离所得到的钠硅渣经石灰乳强化溶出和赤泥分离所得的赤泥经洗涤后外排，而得到的洗液再作为调整液循环利用。常压脱硅经硅渣分离后所得钙硅渣返回配料。

图1为本发明的工艺流程框图。

原料磨制的目的在于获得一定细度和配比及适宜的水份含量的料浆，本发明和传统烧结法的区别首先在于熟料配比采用饱和碱比、不饱和钙比配方，从而造成生料配方的不同。本发明通过对熟料烧结过程中的深入研究发现：Al2O3、Na2O、SiO2、TiO2、CaO在烧结过程初期低温时就开始反应，生成铝硅酸钠(Na2O·Al2O3·2SiO2)，当有CaO存在时，随着温度的提高和烧结反应的进行铝硅酸钠被分解为铝酸钠(Na2O·Al2O3)和硅酸二钙(2CaO·SiO2)，如果氧化钙过量则反应的最终结果仍为铝酸钠、硅酸二钙和游离的氧化钙，如果氧化钙的量不足以全部生成硅酸二钙，氧化硅以硅酸二钙、硅酸钠、铝硅酸钠形态存在，如果没有氧化钙存在(实际试验时，由于矿石中含有氧化钙，熟料中的氧化钙含量一般为2％左右)，氧化硅主要以硅酸钠、铝硅酸钠形态存在。研究发现，不同钙比的熟料在溶出时，溶出液中的氧化硅含量差别很大。不配钙时，熟料中的氧化硅绝大部分进入溶液，随着钙比的提高，熟料中的氧化硅的溶出率逐渐降低。适当配入CaO，使钙比1.5，烧成熟料的质量比较高。本发明综合考虑熟料烧成质量及熟料溶出、赤泥分离以及脱硅等工艺过程的技术指标的控制，确定钙比配方。与传统的烧结法相比较，由于钙比的降低，溶出液中的氧化硅浓度有所提高，为避免一次脱硅工序氧化钠的损失量增加，本发明采用加石灰乳以回收其中的氧化钠，脱钠后的硅渣进入赤泥洗涤后外排。由于采用高铝硅比矿石和低钙比配方，钠硅渣经洗涤后直接外排，熟料中的氧化铝含量得以大大提高，因此，熟料折合比、赤泥产出率大大降低，吨氧化铝固体物料流量显著减少；同时溶出液浓度、精液浓度等湿法系统浓度也大大提高，全系统固、液量处理量的减少、溶出率的提高使得产能大幅度提高，各种消耗显著降低，经济技术指标明显改善。

熟料烧成是烧结法工艺的核心，生料中的主要成分Al2O3、Na2O、Fe2O3、TiO2、SiO2、CaO通过烧成反应分别生成了能溶于水的铝酸钠(Na2O·Al2O3)、铁酸钠(Na2O·Fe2O3)(对于本发明配方，还有硅酸钠(Na2O·SiO2)、铝硅酸钠(Na2O·Al2O3·2SiO2))，稳定的硅酸二钙(2CaO·SiO2)(主要是β和γ形态的硅酸二钙)以及部分不稳定的硅酸二钙(主要是α和α’硅酸二钙)；造成工艺的不稳定，本发明烧成熟料中基本没有α’和α硅酸二钙。传统烧结法烧成窑的操作讲究“快速、短焰、正烧”，烧成熟料的铝硅比最高极限值为3.5。本发明烧成熟料为高铝硅比熟料，对于窑系统的操作进行了一系列的调整。适当增强前风、拉大后风；采取长火焰操作；提高窑后系统温度，窑尾温度大于200℃；适当降低窑的转速；熟料容重控制在0.9-1.15范围，这是本发明关键技术之一。

熟料溶出的目的在于使熟料中有用成分溶于碱液或通过与碱液的相互作用使得有用成分进入溶液系统，而杂质由于不溶于溶液或与溶液相互作用进入赤泥以固体形态存在。

传统烧结法由于采用高钙配方，熟料中有游离的氧化钙存在，杂质二氧化硅以硅酸二钙形态存在，特别是其中一部分硅酸二钙以不稳定的α和α’硅酸二钙形态存在，使得溶出过程中二次反应比较严重，造成氧化铝的损失，成为传统烧结法难以克服的痼疾。为尽量避免二次反应造成的损失，溶出工艺采用低αk溶出技术，并严格控制Nc浓度，而且有的工厂还采用两段磨工艺流程以及增加专用过滤设备的办法以降低二次反应损失，尽管获得了一些成效，但不仅增加了设备投资，同时运行费用也增加。

本发明烧成熟料为高A/S熟料，采用不饱和钙比配方，熟料中没有游离的氧化钙，硅酸二钙的含量相对较少，基本没有不稳定的α和α’硅酸二钙存在，避免了溶出工段的二次反应，所以可以采用高αk溶出技术，溶出αk＝1.35-1.45，用种分母液代替碳分母液配制调整液。由于熟料中氧化铝含量增高(≥43％)，赤泥产出率显著降低并且由于采用了高αk溶出技术，溶出液氧化铝浓度达到180g/l左右(传统烧结法，溶出液氧化铝浓度只有115g/l左右)，为湿法系统浓度的提高奠定了基础，这是本发明的关键技术之二。

赤泥分离溶出浆液的液固分离，目的是实现液相有用成分和固体杂质的分离。

由于熟料的容重低、溶出液浓度提高，赤泥的沉降性能明显变差，但过滤性能较好。本发明对赤泥分离采用不同的分离技术进行了研究，采用转鼓过滤设备和沉降过滤器、各种过滤、压滤设备均可以满足工业生产的需要，随后的研究又表明，如果赤泥作为压煮脱硅的晶种，压煮脱硅也可以取得满意的脱硅效果。硅渣及经过高温处理后的赤泥沉降性能很好，完全可以满足工业生产的需要，本发明采用旋转器作为分离设备，这是本发明关键技术之三。

脱硅的目的在于进一步降低溶液中的氧化硅含量，降低产品中氧化硅杂质的含量。高浓度粗液的脱硅长期以来一直是一个未能攻克的技术难题。本发明由于在溶出工序采用了高αk溶出技术，脱硅前、后均不加种分母液调整溶液αk，脱硅浆液固含≥60g/l，一次脱硅指数220，一次脱硅浆液采用絮凝沉降技术实现液、固分离，常压脱硅控制合适的石灰乳加入量，采用强化脱硅技术，控制合适的温度、时间及适宜的反应条件，脱硅指数达到600以上，这是本发明的技术关键之四。

本发明不仅对于建立在新的理论上的每一个工艺过程进行了研究，采取了有别于传统烧结法的工艺控制技术指标和操作方法，而且是一个完整的烧结法氧化铝生产新工艺。一个完整的新的氧化铝生产工艺必须有一套与此工艺相匹配的新的物料平衡。本发明的完成亦即一个新的物料平衡的建立。由于本发明用于处理高品位的铝矿石，熟料中的氧化铝含量远高于传统烧结法的熟料，要求生料中的配碱量明显增加，碱平衡是整个工艺能否贯通实施的关键，生产能力提高30％以上的前提是生料浆水分变化不大。本发明对碳分母液Ns、Nc、Nk、A平衡浓度及不同的蒸发工艺进行了研究，采用结晶蒸发、沉降浓缩等技术可满足本发明碱平衡的需要，这是本发明关键技术之五。

本发明与传统烧结法比较，原料消耗降低10％-15％，动力消耗、燃料消耗、工艺能耗降低20％-25％；产品质量二级品率100％，一级品率40％；在同等设备装备水平条件下，产能提高30％以上，简化了工艺流程。

实施例：本发明工业试验在中州铝厂采用中州铝厂现有的长传轴管磨、Φ4.5×100M烧成窑、溶出磨、脱硅机组及其他工业生产设备进行了25天的工业运行，烧成并溶出熟料16000吨，具体技术指标及控制条件：

(1)原料：矿石：Al2O3≥含量68％，A/S≥10.5

(2)原料磨制：[N/R]＝1.03±0.04  水份＜40％

               [C/S]＝1.65-1.75   细度    +120#＜12％

(3)熟料烧成  配方[N/R]＝1.02±0.02，[C/S]＝1.5±0.03，烧成温度不低于1250℃。

(4)溶出：单位立方米调整液溶出熟料量350-400公斤，溶出温度90-100℃，溶出αk＝1.35-1.45，溶出液氧化铝浓度≥180克/l。

(5)赤泥分离    底流L/S≤4

(6)脱硅，高压脱硅，各脱硅机及自蒸发器、缓冲槽压力温度同传统烧结法，脱硅原液固含≥60g/l，一次脱硅指数220-230；常压脱硅：石灰乳加入量6g/l，脱硅温度105℃，脱硅时间60-120分钟，二次精液硅量指数≥600。

取得的主要技术指标如下：

1、熟料氧化铝含量43％-45％，A/S，8.0±0.5；

2、溶出液氧化铝浓度170-190g/l；

3、精液氧化铝浓度≥160g/l；

4、精液A/S 600以上。

Claims (4)

1、一种强化烧结法氧化铝生产工艺，其特征在于高铝硅比矿石、石灰、煤、蒸发碳母、碱粉进行原料磨制制得合格的生料浆，生料浆经烧成工序而得到熟料，熟料配比采用饱和碱比、不饱和钙比配方，将熟料进行溶出，再经赤泥分离得到粗液，粗液经压煮脱硅、硅渣分离得到一次精液，再经常压脱硅、钙硅渣分离，得到二次精液，二次精液分别经碳分和种分可以得到氢氧化铝浆液，再经分离、洗涤后的氧化铝经焙烧得到氧化铝成品，碳分母液经蒸发返回配料，种分母液直接送溶出工序作调整液，从而实现碱的循环利用，一次硅脱浆液经硅渣分离所得到的钠硅渣经石灰乳脱钠和赤泥分离所得的赤泥经洗涤后外排，而得到的洗液再作为调整液循环利用，常压脱硅经硅渣分离后所得钙硅渣返回配料。

2、根据权利要求1所述的工艺，其特征在于熟料配比采用饱和碱比[N/R]＝1、不饱和钙比[C/S]＜1.5配方。

3、根据权利要求1所述的工艺，其特征在于熟料烧成采用增强前风、拉大后风；提高窑后系统温度，窑尾温度大于200℃，采取长火焰操作，熟料容重控制在0.9-1.15范围。

4、根据权利要求1所述的工艺，其特征在于溶出过程采用高αk溶出技术，溶出αk＝1.35-1.45，用种分母液代替碳分母液配制调整液。

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