一水硬鋁石型鋁土礦在預(yù)熱及溶出過程中的反應(yīng)行為研究.pdf

1、氧化鋁的生產(chǎn)過程就是將鋁土礦中的氧化鋁和鋁土礦中的雜質(zhì)礦物、雜質(zhì)成分進行有效分離的過程。對氧化鋁生產(chǎn)過程中雜質(zhì)礦物的反應(yīng)行為進行研究對氧化鋁生產(chǎn)過程工藝方法的確定、節(jié)能降耗、技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)的進一步優(yōu)化以及新技術(shù)新工藝的研究開發(fā)有著重要的意義。 在氧化鋁生產(chǎn)過程中鋁酸鈉溶液中的雜質(zhì)離子對各個工序都會產(chǎn)生影響，進而會影響到整個生產(chǎn)系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)。 本文研究了各主要因素對鋁土礦中的雜質(zhì)礦物以及鋁酸鈉溶液中主要雜質(zhì)離子在礦漿預(yù)

2、熱及溶出過程中的行為。 (1)我國拜耳法母液中SiO2的平衡濃度及脫硅產(chǎn)物的平衡固相研究雜質(zhì)離子不僅會影響鋁酸鈉溶液中的SiO2的平衡濃度及脫硅產(chǎn)物的平衡固相，還會影響到脫硅反應(yīng)達(dá)到平衡的時間。我國鋁酸鈉溶液中主要的雜質(zhì)離子為CO32-、SO42-、Cl-以及K+等。鋁酸鈉溶液中CO32-、SO42-及Cl-的存在均可使SiO2的平衡濃度降低，CO32-、SO42-有利于鈣霞石晶格的穩(wěn)定存在。鋁酸鈉溶液中Cl-的存在有利于方鈉石

3、晶格的穩(wěn)定存在，可促使方鈉石的生成，加快脫硅反應(yīng)的進行，使脫硅反應(yīng)較快速地達(dá)到平衡。 在我國實際的拜耳法母液及其濃度條件下，在110～280℃范圍內(nèi)，隨著溫度的升高，SiO2的平衡濃度呈逐漸升高的趨勢。其脫硅產(chǎn)物的平衡固相和體系溫度直接相關(guān)，在低于或等于210℃的溫度條件下脫硅產(chǎn)物的平衡固相為方鈉石，在高于210℃時溫度條件下，脫硅產(chǎn)物的平衡固相為鈣霞石。 (2)我國一水硬鋁石型鋁土礦中含鈦礦物反應(yīng)動力學(xué)研究我國一水硬鋁

4、石型鋁土礦中含鈦礦物在180～260℃的礦漿預(yù)熱過程中脫鈦反應(yīng)的表觀活化能測定值為84.4kJ/mol。含鈦礦物在180～260℃的預(yù)熱過程中的脫鈦反應(yīng)處于表面化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)控制階段。離子擴散傳質(zhì)步驟不是影響反應(yīng)速度的主要因素，因此礦漿的流動速度及狀態(tài)對其反應(yīng)速度不會有明顯的作用。由于表觀活化能較高，溫度對反應(yīng)速度影響甚大，因此含鈦礦物在高溫預(yù)熱段的反應(yīng)將隨預(yù)熱溫度的升高迅速加快，由此會導(dǎo)致高溫預(yù)熱段結(jié)疤的速度加快。 (3)含鎂

5、礦物在礦漿預(yù)熱溶出過程反應(yīng)行為研究綠泥石在鋁土礦漿的預(yù)熱及溶出過程中所生成的新的含鎂礦物主要為氫氧化鎂Mg(OH)2和鎂鐵礦MgFe2O4。 在一水硬鋁石型鋁土礦礦漿的預(yù)熱過程中，隨著預(yù)熱溫度的升高，鋁酸鈉溶液中Mg(OH)2的溶解度迅速變小，當(dāng)溫度高于178℃時，溶解度趨于0。 在一定范圍內(nèi)，鋁土礦中或者石灰中含有較多的MgO時，不僅不會使間接加熱面Mg(OH)2結(jié)疤速度加快，反而可在一定程度上減緩Mg(OH)2結(jié)疤的

6、生成。礦漿中MgO的含量越大，礦漿預(yù)熱過程中生成氫氧化鎂Mg(OH)2結(jié)疤和生成水合鋁硅酸鎂(Mg6-xAlx)(Si4-xAlx)O10·(OH)8結(jié)疤的速率都越低。 (4)鋁酸鈉溶液中K2O對礦漿預(yù)熱及溶出過程的影響研究在礦漿預(yù)熱及溶出過程中，K元素以類質(zhì)同象的方式等摩爾(mole)取代Na元素而進入脫硅產(chǎn)物的晶格。鋁酸鈉溶液中K2O的存在可使SiO2的平衡濃度升高，在礦漿預(yù)熱及溶出過程中鋁酸鈉溶液中K2O的存在可抑制脫硅產(chǎn)

7、物由方鈉石向鈣霞石的轉(zhuǎn)化。 在礦漿預(yù)熱溶出過程中鋁酸鈉溶液中K2O的存在可減緩含硅礦物的反應(yīng)速率，從而可在一定程度上減緩礦漿預(yù)熱過程中含硅礦物的結(jié)疤速度。在預(yù)脫硅條件下鋁酸鈉溶液中的K2O可使高嶺石的反應(yīng)速度明顯變慢，在較高的反應(yīng)溫度條件下，鋁酸鈉溶液中的K2O對除伊利石之外的含硅礦物反應(yīng)速度的影響不明顯。 在含有伊利石的一水硬鋁石型鋁土礦的拜耳法過程中，在同樣的溶出條件下母液中K2O的存在有利于降低溶出赤泥的A/S和N

8、/S。 在一定條件下鋁酸鈉溶液中的K2O可使脫硅產(chǎn)物的結(jié)晶程度變差，因此鋁酸鈉溶液中的K2O有可能會對溶出赤泥的沉降分離過程產(chǎn)生不利影響。 對含有較大量的難反應(yīng)的含硅礦物特別是含有較大量的伊利石的一水硬鋁石型鋁土礦，應(yīng)綜合考慮拜耳法溶出工藝條件的選擇。 (5)雙流法條件下雜質(zhì)礦物的反應(yīng)行為研究在較長的預(yù)脫硅時間條件下，隨著礦漿固含的增加，預(yù)脫硅效率及礦漿液相中的SiO2濃度呈下降的趨勢。在礦漿預(yù)熱過程中，脫硅效率

9、隨著礦漿固含的增加而增加，當(dāng)固含增加到一定程度時，脫硅效率反而下降，脫鈦效率隨礦漿固含的變化規(guī)律和脫硅效率相同；礦漿液相中的SiO2濃度隨礦漿固含的增加而下降。在雙流法預(yù)熱條件下，礦漿固含越高，礦漿預(yù)熱過程中含硅礦物、含鈦礦物及含鎂礦物的結(jié)疤速率越低。 (6)石灰添加量及添加方式對礦漿預(yù)熱及溶出過程的影響研究加大石灰添加量可減緩一水硬鋁石型鋁土礦礦漿在預(yù)熱升溫過程中的整體結(jié)疤速率。 石灰前加，有利于減緩礦漿預(yù)熱過程中的整

10、體結(jié)疤速度。 在適宜的溶出條件下，或者說在通行的工業(yè)溶出條件下，對我國的一水硬鋁石型鋁土礦，不論是采用常規(guī)拜耳法或者是石灰添加量較大的拜耳法，石灰添加方式對溶出結(jié)果不產(chǎn)生影響。 在中國的一水硬鋁石型鋁土礦拜耳法礦漿預(yù)熱過程中，石灰后加不僅不能避免礦漿預(yù)熱過程中鈦酸鈣和羥基鈦酸鈣結(jié)疤的生成，還會有大量的鈦酸鈉結(jié)疤出現(xiàn)。較低溫度段的結(jié)疤中鈦礦物的存在形式主要是羥基鈦酸鈣；較高溫度段的結(jié)疤中鈦礦物的存在形式主要是鈦酸鈉和鈣鈦礦

11、，并且在鈦酸鈉分子中Na2O和TiO2的比例可以在一定的范圍內(nèi)存在。 觀察到的結(jié)疤中鈦酸鈉為針狀或者棒狀結(jié)晶，鈦酸鈉的分子組成有Na2O·6TiO2·nH2O，Na2O·4TiO2·nH2O，Na2O·2TiO2·nH2O，Na2O·TiO2·nH2O。Ca、K、Al、Mg和Fe可以類質(zhì)同象取代的方式存在于鈦酸鈉晶體中。 較低溫度段結(jié)疤中鈣霞石的分子式基本符合3(Na2O·Al2O3·2SiO2)·Na2[xSO4，2(

12、1-x)OH]。較高溫度段結(jié)疤中鈣霞石的分子式基本符合3(Na2O·Al2O3·2SiO2)·Na2SO4，和低溫段結(jié)疤中的鈣霞石分子組成相比，高溫段結(jié)疤中鈣霞石的分子中S元素的含量增加，并且不再含有羥基。在鈣霞石晶體中，K元素以類質(zhì)同象取代Na的方式而存在。 當(dāng)石灰前加時，礦漿預(yù)熱過程中的脫鈦產(chǎn)物為鈦酸鈣和羥基鈦酸鈣，相應(yīng)地，礦漿預(yù)熱過程的結(jié)疤中的含鈦礦物也只有鈦酸鈣和羥基鈦酸鈣，不會有鈦酸鈉結(jié)疤出現(xiàn)。 (7)加熱界面

13、溫度以及加入脫硅晶種對礦漿加熱過程結(jié)疤速度的影響研究礦漿加熱界面結(jié)疤的生成速度和界面處礦漿中的化學(xué)反應(yīng)直接相關(guān)。 加熱界面溫度越高，界面處礦漿液相中的SiO2的過飽和程度越大；Mg(OH)2在加熱界面處的過飽和程度越大，脫鈦產(chǎn)物CaTiO3的析出反應(yīng)速度越快。 礦漿預(yù)熱面溫度越高，含硅礦物、含鎂礦物及含鈦礦物結(jié)疤速度越快，即總體結(jié)疤速度越快。因此，從結(jié)疤的角度考慮，拜耳法礦漿預(yù)熱過程中的加熱介質(zhì)應(yīng)選擇蒸汽而不是熔鹽。