工藝現(xiàn)狀及發(fā)展(中).doc

Internetioneal Conference on “Advanced Mining For Sustainable Development” in Ha Long Bay，Vietnam （23rd Sep. 2010）世界鋁土礦開發(fā)工藝的發(fā)展與現(xiàn)狀劉志堅，門翠雙，馬朝建 (中鋁國際沈陽鋁鎂設計研究院,遼寧 沈陽 110001)摘要：簡要介紹在近年來世界鋁土礦資源、氧化鋁和電解鋁生產(chǎn)狀況,重點介紹氧化鋁生產(chǎn)工藝。即以鋁土礦為原料生產(chǎn)氧化鋁的各種生產(chǎn)方法的發(fā)展過程、工藝原理、主要技術經(jīng)濟指標，以及在氧化鋁工業(yè)中的應用現(xiàn)狀和發(fā)展方向。包括拜耳法、堿石灰燒結法。以及由拜爾法衍生出來的選礦拜耳法、石灰拜耳法；由拜耳法、堿石灰燒結法聯(lián)合衍生出來的串聯(lián)法、并聯(lián)法和混聯(lián)法。關鍵詞：鋁土礦；氧化鋁；生產(chǎn)方法；工藝原理；技術指標；應用現(xiàn)狀1 世界鋁土礦開發(fā)概況鋁土礦最早發(fā)現(xiàn)于法國南方小鎮(zhèn)Baux，故得名為Bauxite。鋁土礦的開發(fā)利用起源于1880年，最初的氧化鋁廠采用燒結法生產(chǎn)工藝，生產(chǎn)規(guī)模很小。經(jīng)過近130年的發(fā)展，目前已建立起龐大的鋁工業(yè)生產(chǎn)體系，成為世界第二大金屬生產(chǎn)行業(yè)。當今世界鋁土礦開發(fā)主要用于生產(chǎn)冶金級氧化鋁（生產(chǎn)原鋁原料）、耐火材料，以及化學品氧化鋁。其中90%以上用于生產(chǎn)冶金級氧化鋁。1.1 鋁土礦儲量根據(jù)1990年Mr. G.Bardossy & Mr. J.J.J.Aleva 編寫紅土型鋁土礦Latritic bauxites1，世界鋁土礦資源總量為550億噸。在世界各大洲的分布見圖1。圖1 世界鋁土礦資源的地區(qū)分布圖世界上大多數(shù)鋁土礦主要分布在赤道附近的熱帶和亞熱帶國家，鋁土礦資源儲量居世界前11位的國家列于表1，其資源儲量約占世界總量的86%。表1 鋁土礦資源儲量居前11位的國家（Mt）序號國家名稱證實儲量可能儲量次經(jīng)濟資源及推測資源資源總量1幾內亞260065001000101002澳大利亞3530455080803委內瑞拉350800500061504越南3003000140047005巴西500350050045006圭亞那400400200028007印度214028030027208印度尼西亞760100030020609牙買加1500500200011中華人民共和國1501250600200010喀麥隆6803503001330合計464401.2 氧化鋁產(chǎn)量根據(jù)英國BROOK HUNT 近期公布的調查數(shù)據(jù)，2003-2009年世界氧化鋁產(chǎn)量列于表2，其地區(qū)分布情況詳見圖2。表2 世界氧化鋁（2003-2009）每年總產(chǎn)量及主要分布國家（萬噸）年 份2003200420052006200720082009澳大利亞1680169717921861192519652110中國6186988541374209027053189美國485559560533464493505巴西481513520672713791944俄羅斯323327326324332313311牙買加384403412411400416427印度287297307299318369473其他國家與地區(qū)1709183718871924183418731915世界合計5967 6331 6657 7398 8075 8925 9874 圖2 世界氧化鋁產(chǎn)量的地區(qū)分布圖1.3 電解鋁產(chǎn)量根據(jù)CRU（CommoditiesReseachUnit）近期公布的資料，近年來世界電解鋁產(chǎn)量及分布見表3。 表3 世界電解鋁產(chǎn)量分布（2003-2009）(萬噸)年 份北美洲拉丁美洲歐洲亞洲非洲大洋洲合計2003704.8232.4865.2961.7175.9217.23157.22004652.3237.2896.21213.4202.4224.33425.82005673.4242.5915.81389.9207.3228.03656.92006673.3252.9927.71542.9211.3230.83838.92007668.4260.4951.51809.8215.0232.44137.52008675.6275.71009.92107.7215.8233.24517.92009674.5277.31028.62431216.5234.44862.3綜上所述，世界鋁土礦、氧化鋁和電解鋁生產(chǎn)基本處于相互平衡狀態(tài)。1.4 鋁土礦開發(fā)的基本特點如上所述，世界鋁土礦開發(fā)主要呈現(xiàn)以下幾個特點。1） 按2009年氧化鋁產(chǎn)量計，考慮生產(chǎn)少量耐火材料和化學品氧化鋁，每年世界鋁土礦消耗量約為2.52.8億噸。根據(jù)世界鋁土礦資源總儲量（550億噸）判斷，世界氧化鋁工業(yè)具有較好的資源保證程度。2） 世界氧化鋁工業(yè)發(fā)展還不平衡。部分鋁土礦資源富足的國家尚未開發(fā)利用或正待開發(fā)利用。目前，氧化鋁工業(yè)的開發(fā)利用逐漸向資源所屬國傾斜，如越南、幾內亞、印度尼西亞、圭亞那等國家。3） 近年來中國氧化鋁工業(yè)發(fā)展異常迅猛，近5年內（2005-2009年）產(chǎn)量增加3.7倍，凈增2335萬噸，占世界當年總產(chǎn)量的26%。2鋁土礦開發(fā)工藝原理目前世界氧化鋁工業(yè)幾乎全部采用堿法生產(chǎn)，包括拜耳法、堿石灰燒結法。以及由拜爾法衍生出來的選礦拜耳法、石灰拜耳法；由拜耳法、堿石灰燒結法聯(lián)合衍生出來的串聯(lián)法、并聯(lián)法和混聯(lián)法。氧化鋁生產(chǎn)方法的選擇主要取決于鋁土礦的化學和礦物特性。為獲得工業(yè)生產(chǎn)的經(jīng)濟性，不同的鋁土礦種類（一水硬鋁石、一水軟鋁石、三水鋁石鋁礦或混合型鋁礦）和質量將適用于不同的氧化鋁生產(chǎn)方法。2.1 傳統(tǒng)拜耳法2.1.1工藝原理據(jù)資料2 3介紹，拜耳法是18891892年由奧地利科學家K.J.Bayer在俄國彼德堡提出的兩個專利（即鋁土礦溶出和氫氧化鋁分解）的基礎上而形成的。工藝的實質:Al2O3.3H2O +2NaOH +水 = 2NaAl(OH)4 + 水 （1）（1）式中的正向反應為第一個專利，逆向反應為第二個專利.。鋁土礦中的主要有害雜質礦物是含SiO2的礦物。在鋁礦溶出過程中，鋁礦中的SiO2按反應（2）生成固體殘渣而造成堿和氧化鋁的損失，而成為主要的付反應:SiO2+2NaAl(OH)4+水= Na2O.Al2O3.xSiO2.nH2O+ 水 （2）由反應式（2）可見，拜爾法生產(chǎn)的經(jīng)濟性鋁土礦中可反應Al2O3和可反應SiO2的含量。研究4表明，鋁土礦中Al2O3/ SiO2（重量比）與拜耳法生產(chǎn)主要原材料費用的關系見圖1。圖1 鋁土礦A/S與拜耳法生產(chǎn)主要原材料費用的關系即當鋁土礦中可反應Al2O3在45%左右，Al2O3/ SiO27.0 ，在目前的市場條件下是比較經(jīng)濟的。2.1.2 主要技術經(jīng)濟指標根據(jù)鋁土礦的類型（一水硬鋁石、一水軟鋁石、三水鋁石鋁礦型）不同，習慣上分為高溫（245）拜爾法和低溫（145）拜爾法。資料8介紹，世界典型拜爾法生產(chǎn)廠的主要技術指標如表4所示。表4 拜爾法生產(chǎn)的主要技術指標比較項目單位美國某廠中國某廠澳大利亞某廠鋁礦成分:Al2O3有效45-5060.030-31SiO2反應0.7-1.54.621.4鋁礦類型/三水鋁石和一水軟鋁石一水硬鋁石三水鋁石溶出溫度243260143-145主要消耗指標：（以每噸產(chǎn)品氧化鋁計）鋁礦（干基）t2.52.13.5堿耗(100%NaOH)kg8095.060估計工藝能耗（按中國標準計算）GJ12.013.611.72.2 堿石灰燒結法2.2.1工藝原理據(jù)資料2 3介紹，堿石灰燒結法是1880年由米尤列爾提出，于1902年由M. 巴卡爾德完善后確立的一種氧化鋁生產(chǎn)方法。以后在前蘇聯(lián)、美國、中國得到工業(yè)應用。但是發(fā)展比拜耳法緩慢。堿石灰燒結法法的工藝的實質是向鋁礦中配入純堿和石灰石（或石灰），在高溫（1250 0C）下煅燒，使鋁土礦中的Al2O3與Na2CO3反應生成可溶于堿液的鋁酸鈉（Na2O.Al2O3），而SiO2則與CaO反應生成不溶于堿液的硅酸二鈣(- 2CaO. SiO2)2Al2O3. +2Na2CO3 = 2Na2O.Al2O32O2 （3）SiO2 +2CaO =- 2CaO. SiO2. （4）由此可見，從工藝原理上講，鋁土礦中SiO2含量對燒結法生產(chǎn)氧化鋁的經(jīng)濟性沒有直接影響。當然，提高供礦鋁硅比可提高燒結法生產(chǎn)的經(jīng)濟效益。但是，由于熟料燒結技術的限制，通常燒結法適宜于處理高鋁、高硅、低鐵（鋁硅比3.57）的鋁土礦，即低品位鋁土礦。2.2.2 主要技術經(jīng)濟指標堿石灰燒結法生產(chǎn)的特點是：處理高硅鋁土礦，氧化鋁回收率較高、礦耗低，堿耗低；但能耗很高。世界典型的堿石灰燒結法生產(chǎn)廠的主要技術指標列于表5。表5 堿石灰燒結法生產(chǎn)廠的主要技術指標比較項目單位中國某廠鋁礦成分:Al2O363.0SiO213鋁礦類型/一水硬鋁石型主要消耗指標：（以每噸產(chǎn)品氧化鋁計）鋁礦t1.78石灰石t0.850純堿(100%NaCO3)kg90氧化鋁實收率%89工藝能耗（按中國標準計算）GJ362.3 石灰拜耳法2.3.1工藝原理石灰拜耳法是在鋁土礦溶出過程中配入比常規(guī)拜耳法過量的石灰，以經(jīng)濟地處理較低品位鋁土礦氧化鋁的生產(chǎn)方法。石灰拜耳法中，通過在鋁土礦的溶出過程中配入比常規(guī)拜耳法過量的石灰，所謂配入過量的石灰是指，所配入的石灰量除滿足與TiO2反應所需的常規(guī)石灰添加量外，還需部分或全部滿足與SiO2反應所需的石灰量，使溶出過程中的脫硅產(chǎn)物部分或全部地由方鈉石型的水合鋁硅酸鈉變?yōu)樗袷偷乃箱X硅酸鈣。其反應可表示為下列反應式：xNa2SiO3 + 3Ca(OH)2 + 2NaAl(OH)4 + aq. 3CaO.Al2O3xSiO2nH2O + 2(1-x)NaOH+aq. （5）研究結果10證明，在一水硬鋁石型鋁土礦的溶出條件下，反應式中x的值為0.91.0。從反應式(5)可見，石灰拜耳法的溶出固體殘渣（赤泥）中不含堿。當配入足夠的石灰時，理論上赤泥中Na2O的化學損失趨于零，氧化鋁生產(chǎn)堿耗與鋁土礦中的SiO2含量無直接關系。這樣就大大放寬了拜耳法生產(chǎn)的經(jīng)濟性對鋁土礦A/S的限制，使中國中、低品位的一水硬鋁石型鋁土礦適應于用常規(guī)拜耳法生產(chǎn)氧化鋁。與傳統(tǒng)拜耳法比，石灰拜耳法只是鋁土礦溶出機理的改變，工藝流程與常規(guī)拜耳法完全一樣。 2.3.2 主要技術經(jīng)濟指標石灰拜耳法生產(chǎn)廠的主要技術指標生產(chǎn)的特點是：處理高硅鋁土礦，氧化鋁回收率較高、礦耗低，堿耗低；但能耗很高。典型的石灰拜耳法生產(chǎn)廠10的主要技術指標列于表6。表6 石灰拜耳法生產(chǎn)廠的主要技術指標 比較項目單位石灰拜耳法鋁礦成分:Al2O364.6SiO211.29鋁礦類型/一水硬鋁石溶出溫度260主要消耗指標：（以每噸產(chǎn)品氧化鋁計）鋁礦t2.110石灰石t0.52堿耗(100%NaOH)kg90工藝能耗GJ16.32.4 選礦拜耳法2.4.1工藝原理選礦拜耳法是物理選礦和拜耳法冶煉工藝有機結合，以處理高硅鋁土礦生產(chǎn)氧化鋁的生產(chǎn)方法。即通過浮選方式分離高硅鋁土礦中的鋁礦物和硅礦物，以降低選后精礦中的SiO2含量，改善拜耳法處理高SiO2鋁土礦的經(jīng)濟性。鋁土礦選礦在20世紀80年代由前蘇聯(lián)學者提出，但未進一步研究?；谥袊X土礦的資源（高硅一水硬鋁石型）特點，與1995年以中國鋁業(yè)公司為主，針對中國鋁土礦資源開展選礦拜爾法的系統(tǒng)研究，取得了以下重大成果。將中國鋁土礦資源的平均鋁硅比由56提高到911，尾礦鋁硅比小于1.3，選礦過程的氧化鋁回收率約85以上。選礦拜爾法除浮選工藝外，氧化鋁生產(chǎn)工藝與拜爾法完全相同。2.4.2 主要技術經(jīng)濟指標選礦拜耳法生產(chǎn)的特點是：處理高硅鋁土礦，氧化鋁回收率較高、礦耗低，堿耗低；但能耗很高。世界典型的選礦拜耳法生產(chǎn)廠10的主要技術指標列于表7。表7 選礦拜耳法生產(chǎn)廠的主要技術指標比較項目單位選礦拜耳法鋁礦成分:Al2O364.6SiO211.29A/S/5.72鋁礦類型/一水硬鋁石主要消耗指標：（以每噸產(chǎn)品氧化鋁計）鋁礦t2.119石灰石t0.243堿耗(100%NaOH)kg90氧化鋁實收率%73工藝能耗GJ16.12.5 聯(lián)合法2.5.1工藝原理所謂聯(lián)合法是指由拜耳法和燒結法按不同方式組合的氧化鋁生產(chǎn)方法的總稱。根據(jù)拜耳法和堿、石灰燒結法之間的不同的組合方式，聯(lián)合法又分為串聯(lián)法、并聯(lián)法和混聯(lián)法。1）串聯(lián)法所謂串聯(lián)法是指：鋁土礦經(jīng)拜耳法處理得到的赤泥，再用燒結法處理，回收其中氧化鋁和堿的氧化鋁生產(chǎn)方法。串聯(lián)法5是世界上最早出現(xiàn)的拜耳法與燒結法聯(lián)合的聯(lián)合法生產(chǎn)工藝。美國率先建成了兩個串聯(lián)法氧化鋁廠，其一為1943年投產(chǎn)的哈立根克立克氧化鋁廠，1975年產(chǎn)量為800kt，1983年因故停產(chǎn)；其二為1952年投產(chǎn)的博克賽特氧化鋁廠，規(guī)模為380kt/a。1975年產(chǎn)量為340kt，1985年因故停產(chǎn)。哈薩克斯坦有目前世界上唯一的一個大型串聯(lián)法廠即巴夫洛達爾氧化鋁廠5。該廠為1964年建成投產(chǎn)。目前生產(chǎn)能力為1400kt/a。2）并聯(lián)法早期的并聯(lián)法是指高品位鋁土礦用拜耳法處理，低品位鋁土礦或霞石礦用燒結法處理，燒結法產(chǎn)出的鋁酸鈉溶液全部用于補充流程堿損失的氧化鋁生產(chǎn)方法。早期的并聯(lián)法是由前蘇聯(lián)在40年代提出來。根據(jù)資料介紹14，并聯(lián)法首先于1935年用于第聶伯氧化鋁廠建設工程，并于1944年投產(chǎn)，以處理烏克蘭鋁土礦和進口鋁土礦。此后，并聯(lián)法在前蘇聯(lián)又先后被用于博戈斯洛夫氧化鋁廠，烏拉爾氧化鋁廠；有資料報道，伏爾加格勒鋁聯(lián)年產(chǎn)6萬噸的氧化鋁廠也采用并聯(lián)法生產(chǎn)工藝。3）混聯(lián)法所謂混聯(lián)法是指鋁土礦經(jīng)拜耳法處理得到的赤泥配入適量的鋁土礦，再用燒結法處理的氧化鋁生產(chǎn)方法?；炻?lián)法是中國為適應中國的高硅鋁礦資源于1962年在串聯(lián)法的基礎上發(fā)展而創(chuàng)立、并日臻完善的氧化鋁生產(chǎn)方法13。即在串聯(lián)法中增建燒結法中的中壓脫硅、碳酸分解、碳分蒸發(fā)，而形成中國獨特的聯(lián)合法生產(chǎn)工藝。在該工藝中，拜耳法部分處理較高鋁硅比的礦石，而燒結法部分處理較低鋁硅比的礦石和拜耳法部分的赤泥，并各自生產(chǎn)產(chǎn)品氧化鋁。中國鋁業(yè)河南、貴州、山西、山東分公司多年來一直采用混聯(lián)法生產(chǎn)。2.5.2 主要技術經(jīng)濟指標聯(lián)合法生產(chǎn)的特點是：處理高硅鋁土礦，氧化鋁回收率較高、礦耗低，堿耗低；但能耗很高。世界典型的聯(lián)合法生產(chǎn)廠的主要技術指標列于表8。表8 典型聯(lián)合法生產(chǎn)廠的前主要技術指標序號指標單位串聯(lián)法并聯(lián)法混聯(lián)法典型工廠名稱巴夫洛達爾(1998年)烏拉爾(1989年)設計指標（1998年）1生產(chǎn)能力萬t/a140901202鋁土礦消耗t2.651.65鋁礦化學組成：Al2O3 SiO2A/S%-41.911.73.58514.710.8564.611.295.723100%純堿 (Na2CO3)kg11435804燒堿 (100% NaOH)kg1172-5石灰石kg1.42無0.827燃料(標煤)kg4642464908電耗Kw.h4563734259總能耗 GJ2926.553210投產(chǎn)日期年19641939-3 開發(fā)及應用現(xiàn)狀1）拜耳法世界目前已探明鋁土礦絕大多數(shù)為紅土型三水鋁土礦，其Al2O3含量在45-52%（除少數(shù)32-35%），SiO2小于5.0%。適合采用拜耳法生產(chǎn)氧化鋁。因此，世界上95%左右的氧化鋁都采用拜耳法生產(chǎn)而成為當今世界氧化鋁生產(chǎn)的主要生產(chǎn)方法。由于中國的鋁礦資源絕大多數(shù)屬于高硅一水硬鋁石型，平均鋁硅比約為5.46，不能直接采用經(jīng)濟的拜耳法生產(chǎn)氧化鋁。因此研究成功選礦拜耳法和石灰拜耳法新工藝，并成功產(chǎn)業(yè)化。目前已形成220萬噸/a的生產(chǎn)能力，并日臻完善。2） 堿石灰燒結法堿石灰燒結法主要適宜于處理高硅低鐵鋁土礦和霞石生產(chǎn)氧化鋁。由于國家的鋁礦資源特點，目前僅中國、俄羅斯和哈薩克斯坦的聯(lián)合法生產(chǎn)中采用堿石灰燒結法工藝，其生產(chǎn)能力約占世界總產(chǎn)量的5%。隨著世界能源價格的不斷上漲，堿石灰燒結法在世界氧化鋁工業(yè)中已逐漸萎縮。3） 聯(lián)合法雖然聯(lián)合法（串聯(lián)法、并聯(lián)法和混聯(lián)法）處理高硅鋁土礦比拜耳法堿耗低、氧化鋁回收率較高，但生產(chǎn)能耗高出1倍以上。因此目前僅在中國、俄羅斯和哈薩克斯坦很少幾個國家使用。隨著世界能源價格的不斷上漲，各聯(lián)合法生產(chǎn)廠都盡量減少聯(lián)合法中燒結法部分的生產(chǎn)比例，以改善生產(chǎn)的經(jīng)濟性。4 結語世界鋁土礦資源總量為約550億噸，具有較好的資源保證程度。經(jīng)過近130年的開發(fā)利用，已建立起龐大的鋁工業(yè)生產(chǎn)體系，成為世界第二大金屬生產(chǎn)行業(yè)。隨著經(jīng)濟的不斷發(fā)展，世界鋁工業(yè)仍有較大的發(fā)展空間。當今世界鋁土礦開發(fā)主要用于生產(chǎn)冶金級氧化鋁（生產(chǎn)原鋁原料）、耐火材料，以及化學品氧化鋁。其中90%以上用于生產(chǎn)冶金級氧化鋁，其生產(chǎn)工藝為拜耳法、堿石灰燒結法。以及由拜爾法衍生出來的選礦拜耳法、石灰拜耳法；由拜耳法、堿石灰燒結法聯(lián)合衍生出來的串聯(lián)法、并聯(lián)法和混聯(lián)法。由于拜耳法生產(chǎn)氧化鋁具有投資省、熱耗低、成本低的明顯優(yōu)勢，很好的資源保證程度，因此拜耳法仍是當今世界氧化鋁工業(yè)的主要生產(chǎn)方法。堿石灰燒結法（包括聯(lián)合法中的燒結法部分），隨著世界能源價格的不斷上漲，堿石灰燒結法在世界氧化鋁工業(yè)中已日趨萎縮。當前鋁土礦工藝開發(fā)方向是進一步在完善拜耳法生產(chǎn)工藝。主要包括：赤泥綜合利用、經(jīng)濟地排出生產(chǎn)系統(tǒng)中的雜質（C、硫等）、提高分解產(chǎn)出率等方面。參考文獻1 G. BARDOSSY and G.J.J. ALEVA,LATERITIC BAUXITES.Amsterdam-Oxford New York- Tokyo. 19902 東北工學院和中南工業(yè)大學，專業(yè)輕金屬冶金學.中國工業(yè)出版社 19613 楊重愚，氧化鋁生產(chǎn)工藝學M.冶金工業(yè)出版社。19934 Mr. Ma Chaojian.Optimization in alumina production with Bayer process to