氧化鋁生產(chǎn)(共139頁(yè))

1、PAGE PAGE 146第二節(jié)氧化鋁工業(yè)(gngy)發(fā)展概況一、鋁工業(yè)(gngy)發(fā)展史世界氧化鋁工業(yè)有著(yu zhe)百多年的歷史。法國(guó)薩林德廠被認(rèn)為是氧化鋁工業(yè)的誕生地。第一個(gè)氧化鋁工業(yè)生產(chǎn)方法燒結(jié)法就是年在這里研究出來的。年呂.查得里提出鋁土礦蘇打燒結(jié)法生產(chǎn)氧化鋁。由于在燒結(jié)過程中鋁土礦中的Al2O3、SiO2將與蘇打反應(yīng)，生成不溶性鋁硅酸鈉，造成氧化鋁和蘇打大量損失。1880年由米.尤列爾提出往蘇打、鋁土礦爐料中添加石灰，以至發(fā)展成為今天的堿石灰燒結(jié)法。添加石灰，使得燒結(jié)過程不生成或少生成鋁硅酸鈉，大大減少了氧化鋁和蘇打的損失。這一方法是目前處理高硅鋁土礦生產(chǎn)氧化鋁的主要工業(yè)生產(chǎn)方

2、法。18891892年奧地利人K.J拜耳發(fā)明了用苛性堿溶液直接浸出鋁土礦生產(chǎn)氧化鋁的拜耳法，為氧化鋁大規(guī)模生產(chǎn)和迅速發(fā)展開辟了道路。此法用在處理低硅鋁土礦，特別是處理三水鋁石型優(yōu)質(zhì)鋁土礦，其經(jīng)濟(jì)效果遠(yuǎn)非其他生產(chǎn)方法所能比擬。燒結(jié)法和拜耳法是目前生產(chǎn)氧化鋁的主要工業(yè)方法。二、世界鋁工業(yè)發(fā)展情況1904年世界氧化鋁產(chǎn)量?jī)H為1000噸，1941年已達(dá)100萬噸。到1987年世界上有25個(gè)國(guó)家的41個(gè)公司82家氧化鋁廠生產(chǎn)氧化鋁，已經(jīng)在生產(chǎn)著和計(jì)劃投產(chǎn)的氧化鋁廠的總年產(chǎn)能力為4300萬噸。主要的氧化鋁生產(chǎn)國(guó)家有澳大利亞、美國(guó)、蘇聯(lián)、牙買加、日本、南斯拉夫、西德、法國(guó)、蘇里南和加拿大。國(guó)外生產(chǎn)氧化鋁絕大

3、多數(shù)采用拜耳法，其次是燒結(jié)法和聯(lián)合法。1998年全世界生產(chǎn)氧化鋁為4836萬噸。多年來國(guó)外氧化鋁生產(chǎn)在改革工藝流程，降低能耗，研制高效能、低消耗的大型專用設(shè)備；探索資源的綜合利用；提高產(chǎn)品質(zhì)量，增加產(chǎn)品品種；檢測(cè)分析，控制自動(dòng)化等方面都取得了很大的進(jìn)展。歐洲和日本的氧化鋁生產(chǎn)產(chǎn)品以粉狀氧化鋁為主，美洲以生產(chǎn)砂狀為主。氧化鋁產(chǎn)品主要供應(yīng)電解鋁生產(chǎn)主要原料，一噸電解金屬鋁需要兩噸氧化鋁。1988年在鋁產(chǎn)量為1450萬噸左右，僅次于鋼鐵產(chǎn)量，居各種有色金屬首位。世界許多國(guó)家正大力發(fā)展氧化鋁工業(yè)，氧化鋁除主要供電解煉鋁用以外，在其它工業(yè)部門也得到了廣泛應(yīng)用，非煉鋁用氧化鋁屬于多品種氧化鋁。三、我國(guó)鋁工

4、業(yè)發(fā)展情況我國(guó)鋁工業(yè)發(fā)展非常迅速，對(duì)鋁的需求越來越大。到2000年我國(guó)鋁產(chǎn)量達(dá)到180萬噸，自1954年僅有山東鋁廠（501廠），1958年后相繼建鄭州鋁廠（503廠）、貴州鋁廠（302廠），1978年建山西河津鋁廠，1990年建廣西平果鋁廠、焦作鋁廠等。這些氧化鋁廠都有一定規(guī)模和產(chǎn)量。山東鋁廠52萬噸/年，鄭州鋁廠80萬噸/年，貴州鋁廠50萬噸/年，河津鋁廠120萬噸/年，平果鋁廠40萬噸/年，焦作鋁廠30萬噸/年，各廠都在相繼改造和擴(kuò)建，現(xiàn)總產(chǎn)氧化鋁每年在400萬噸以上。中小鋁廠凱里氧化鋁廠年產(chǎn)氫氧化鋁4.6萬噸，我公司正在建設(shè)5萬噸/年氧化鋁。氧化鋁產(chǎn)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了我國(guó)電解鋁廠的需要，每

5、年都進(jìn)口(jn ku)大批氧化鋁。氧化鋁產(chǎn)量和品種不斷的增加。根據(jù)我國(guó)鋁土礦資源的特點(diǎn)和生產(chǎn)現(xiàn)狀，我氧化鋁工業(yè)必須發(fā)展自己的技術(shù)。我國(guó)采用并發(fā)展了燒結(jié)法，首創(chuàng)了混聯(lián)聯(lián)合法。氧化鋁總回收率和堿耗與國(guó)外同類工廠相比達(dá)到了先進(jìn)水平，并用最經(jīng)濟(jì)的方法，從循環(huán)母液中回收金屬鎵。當(dāng)前，我國(guó)氧化鋁工業(yè)的主要技術(shù)發(fā)展方向，繼續(xù)發(fā)展具有我國(guó)特點(diǎn)的燒結(jié)法和聯(lián)合法生產(chǎn)工藝；采用間接加熱強(qiáng)化溶出、流態(tài)化焙燒等新技術(shù)和新設(shè)備。我國(guó)的鋁工業(yè)將形成技術(shù)先進(jìn)(xinjn)、布局合理以及科研、設(shè)計(jì)、設(shè)備制造、施工配套完整的鋁工業(yè)體系。第三節(jié) 氧化鋁水合物和氧化鋁 一、氧化鋁水合物氧化鋁水合物是構(gòu)成自然界各種類型鋁土礦的主要成分

6、(chng fn)，也可以用人工方法制取。結(jié)晶的氧化鋁水合物通常按所含結(jié)晶水?dāng)?shù)目不同分為：三水型Al2O3和一水型Al2O3兩類。 三水型氧化鋁的同類異晶體包括：三水鋁石，拜耳石和諾水鋁石（或稱新三水鋁石）。 一水型氧化鋁的同類異晶體則包括： 一水軟鋁石，一水硬鋁石。 氧化鋁水合物的分類如表1-1。氧化鋁水合物的分類及其表示符號(hào) 表1-1類 別組 成名 稱常 用 符 號(hào)三 水 型氧 化 鋁Al2O3H2O三水鋁石Al(OH)3或Al2O33H2O拜耳石-Al(OH)3或-Al2O33H2O諾水鋁石（或新三水鋁石）-Al(OH)3或-Al2O33H2O一 水 型氧 化 鋁Al2O3H2O一水軟鋁

7、石-AlOOH或- Al2O33H2O一水硬鋁石-AlOOH或- Al2O33H2O鋁 膠Al2O3nH2O擬薄水鋁石-Al2O3nH2O(n=1.42.0)無定型鋁膠Al2O3nH2O(n=35)1.三水鋁石三水鋁石是天然三水鋁石型鋁土礦的主要成份(chng fn)，它是氧化鋁生產(chǎn)中從鋁土礦提煉氧化鋁的中間產(chǎn)品，工業(yè)上稱之為普通氫氧化鋁（俗稱氫氧化鋁）。三水鋁石在熱液中脫水(tu shu)后可轉(zhuǎn)變成為一水軟鋁石，轉(zhuǎn)變溫度為160230，如在堿中可加速(ji s)其轉(zhuǎn)變，溫度可降至120。三水鋁石在空氣中加熱會(huì)發(fā)生一系列的脫水和晶型轉(zhuǎn)變。而在10001200高溫下最終都能轉(zhuǎn)變成為-Al2O3，

8、三水鋁石是典型的兩性化合物，能較快的溶于酸及堿液中，如與硫酸作用生成相應(yīng)的硫酸鹽：2Al(OH)33H2SO4=Al2(SO4)36H2O在苛性堿溶液中則生成鋁酸鈉：Al(OH)3NaOH=NaAl(OH)42.一水軟鋁石一水軟鋁石是構(gòu)成自然界中一水軟鋁石型鋁土礦的主要成份。這種氧化鋁水合物也可人工制得。如在溶出器中以200左右的溫度把三水鋁石在水介質(zhì)中溶出，可得一水軟鋁石。介于三水鋁石與一水硬鋁石之間。3.一水硬鋁石一水硬鋁石是構(gòu)成自然界中一水硬鋁石型鋁土礦的主要成分，人工制造一水硬鋁石是比較困難的。4.鋁膠自然界中存在的鋁膠主要在鋁土礦形成時(shí)起重要作用，它是一種介穩(wěn)狀態(tài)物，以后再結(jié)晶成三水

9、鋁石。人工制造鋁膠的方法很多。如低溫中鋁鹽溶液可得無定型鋁膠，無定型鋁膠屬于膠體，含有不定量的水分。另一方法沉淀出來的鋁膠叫擬薄水鋁石也稱假一水軟鋁石，帶12個(gè)分子的結(jié)晶水，顆粒極細(xì)，它經(jīng)過老化作用，可以轉(zhuǎn)變成拜耳石和三水鋁石。鋁膠可作為生產(chǎn)活性氧化鋁和石油化工用催化劑的原料。二、氧化鋁存在(cnzi)于自然界中的氧化鋁稱剛玉（- Al2O3），是火山爆發(fā)的產(chǎn)物。它在巖石中呈無色結(jié)晶(jijng)，也可與其它氧化鋁雜質(zhì)（氧化鉻和氧化鐵等）染成帶色的結(jié)晶，紅色稱紅寶石，藍(lán)色叫藍(lán)寶石。工業(yè)氧化鋁是各種氧化鋁水合物經(jīng)熱分解的脫水產(chǎn)物。它們(t men)形成一系列的同質(zhì)異晶體，有些呈分散相，有些呈過渡

10、態(tài)，但當(dāng)加熱超過1000時(shí)，它們又都轉(zhuǎn)變成同一種穩(wěn)定的最終產(chǎn)物，真正無水氧化鋁，即- Al2O3（人造剛玉）。所以氧化的同質(zhì)異晶體又可以被看作是- Al2O3的中間過渡態(tài)。按照它們的生成溫度可以分為以下兩類：1.低溫氧化鋁低溫氧化鋁化學(xué)組成為Al2O3nH2O，式中0n0.6，是前述各種氫氧化鋁在不超過600的溫度下脫水的產(chǎn)物，屬于這一類的有- Al2O3、- Al2O3、- Al2O3及- Al2O3等四種。2.高溫氧化鋁高溫氧化鋁幾乎是無水的氧化鋁，是在9001000之間的溫度下生成的，屬于這一類的除- Al2O3外還有- Al2O3、- Al2O3及Q- Al2O3。在催化劑領(lǐng)域中常見的

11、和應(yīng)用最廣的是- Al2O3及- Al2O3。通常所指的“活性氧化鋁”，一種含義是指活性- Al2O3；另一種含義則泛指- Al2O3、- Al2O3和- Al2O3的混合物。在氧化鋁生產(chǎn)中通常所生產(chǎn)的電解煉鋁用的氧化鋁是- Al2O3和- Al2O3的混合物。- Al2O3屬于六角晶系，由于有完整堅(jiān)固的晶格，所以它是所有的氧化鋁同質(zhì)異晶體中化學(xué)性質(zhì)最穩(wěn)定的一種。在酸或堿溶液中不溶解。含有- Al2O3的細(xì)粉在冰晶石氧化鋁溶體中很快溶解，而且在空氣中貯存時(shí)不吸收水分，流動(dòng)性好，這對(duì)鋁電解生產(chǎn)是很重要的。純剛玉的熔點(diǎn)是2050，沸點(diǎn)是2980，密度是3.94.0，硬度僅次于金剛石居第二位。因此剛

12、玉被廣泛的用來做為磨料。Al(OH)3加熱脫水即可獲得- Al2O3，具有很大的分散性，化學(xué)性質(zhì)較為活潑，易和酸或堿溶液作用。- Al2O3對(duì)水和其它物質(zhì)具有很高的吸附特性，因此可作吸附劑和干燥劑等。第四節(jié) 鋁電解生產(chǎn)用氧化鋁鋁電解生產(chǎn)(shngchn)用氧化鋁主要由- Al2O3和- Al2O3組成。氧化鋁的質(zhì)量直接影響所得的金屬鋁的純度和鋁電解生產(chǎn)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。因此(ync)，作為鋁電解生產(chǎn)原料的氧化鋁對(duì)其化學(xué)純度和物理性質(zhì)都有一定要求。一、氧化鋁的化學(xué)(huxu)純度氧化鋁中除主要含有Al2O3外，往往含有少量的SiO2、Fe2O3、Na2O和H2O等雜質(zhì)。電解鋁用氧化鋁必須具有較高的

13、化學(xué)純度，這是因?yàn)槠渲兴蠕X更正電性元素的氧化物雜質(zhì)（如Fe2O3、SiO2等），在電解過程中這些元素將首先在陰極析出，進(jìn)入金屬鋁中，使鋁不純。而氧化鋁中比鋁更負(fù)電性的金屬氧化物雜質(zhì)（如Na2O等），則與電解質(zhì)作用，改變了電解質(zhì)的正常組成，不利于電解操作。生成SiF4則是有毒氣體。氧化鋁中殘存的結(jié)晶水以灼減表示。它也是有害雜質(zhì)。因?yàn)樗c電解質(zhì)中的AlF3作用而生成HF，造成了氟鹽的損失，并且污染了環(huán)境。此外，當(dāng)灼減高或吸濕后的氧化鋁與高溫熔融的電解質(zhì)接觸時(shí)，則會(huì)引起電解質(zhì)爆濺，危及操作人員的安全。氧化鋁質(zhì)量的分級(jí)根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)YB81475劃分為六個(gè)等級(jí)，電解法生產(chǎn)金屬鋁主要使用13級(jí)氧化鋁，

14、如表1-2所示。氧化鋁質(zhì)量等級(jí)標(biāo)準(zhǔn) 表1-2級(jí)別Al2O3(%)SiO2(%)Fe2O3(%)Na2O(%)灼減(%)一級(jí)98.60.020.030.500.8二級(jí)98.50.040.040.550.8三級(jí)98.40.060.040.600.8二、氧化鋁的物理性質(zhì)鋁電解生產(chǎn)用氧化鋁除對(duì)化學(xué)成分有嚴(yán)格要求外，而且還要求氧化鋁在冰晶石熔體中溶解速度快，電解槽槽底沉淀少，覆蓋在電解質(zhì)上結(jié)殼保溫性好，在空氣中不吸濕，飛揚(yáng)損失少，流動(dòng)性好，便于輸送和便于電解槽自動(dòng)加料。所有這些特性都取決于氧化鋁的物理性質(zhì)。用于氧化鋁物理性質(zhì)的指標(biāo)有：安息角、- Al2O3含量、容積密度、粒度和比表面積以及磨損系數(shù)等。1

15、.安息(nx)角。是指物料在光滑平面上自然(zrn)堆積的傾角。安息角較大的氧化鋁在電解質(zhì)中較易溶解，在電解過程中能夠很好覆蓋于電解質(zhì)結(jié)殼上，飛揚(yáng)損失也較小。2. - Al2O3含量(hnling)。- Al2O3含量反映了氧化鋁的焙燒程度，焙燒程度越高，- Al2O3含量越多，氧化鋁的吸濕性隨著- Al2O3含量增多而變小。所以，電解用的氧化鋁要求含一定數(shù)量的- Al2O3。但- Al2O3在電解質(zhì)中的溶解性能較- Al2O3差。3.容積密度。氧化鋁的容積密度是指在自然狀態(tài)下單位體積的物料質(zhì)量。通常容積密度小的氧化鋁有利于在電解質(zhì)中的溶解。4.粒度。氧化鋁的粒度是指粗細(xì)程度。氧化鋁的粒度必須

16、適當(dāng)，過粗在電解質(zhì)中溶解速度慢，甚至沉淀，過細(xì)則容易飛揚(yáng)損失。5.比表面積。氧化鋁的比表面積是指單位重量物料的外表面積與內(nèi)孔表面積之和的總面積。是表示物質(zhì)活性高低的一個(gè)重要指標(biāo)。比表面積大的氧化鋁在電解質(zhì)中溶解性能好，活性大，但易吸濕。6.磨損系數(shù)。所謂磨損系數(shù)是指氧化鋁在控制一定條件下的流化床上磨撞后，試樣中-44m粒級(jí)含量改變的百分?jǐn)?shù)，是氧化鋁強(qiáng)度的一項(xiàng)物理指標(biāo)。根據(jù)氧化鋁的物理性質(zhì)，通常又可將Al2O3分為砂狀、面粉狀和中間狀三種類型。這三種類型的Al2O3在物理性質(zhì)上有較大的差別。砂狀的Al2O3具有較小的容積密度，較大的比表面積，略小的安息角，含較少量的- Al2O3，粗粒較多且均勻

17、，強(qiáng)度較高。面粉狀的氧化鋁則有較大的容積密度，小的比表面積，含有較多的- Al2O3，粒度細(xì)粒較多，強(qiáng)度差。而中間狀氧化鋁的物理性質(zhì)介于二者之間。各種氧化鋁的物理性質(zhì)見表1-3。各種氧化鋁的物理性質(zhì) 表1-3樣品產(chǎn)地Al2O3類型比表面積(cm2/g)安息角Al2O3晶型容積密度(g/cm3)粒度-300#(%)- Al2O3(%)- Al2O3(%)圭亞那砂狀81.20311427.3272.680.9211.10澳大利亞砂狀51.20311532.5067.500.9722.20英國(guó)砂狀312543.7556.250.9055.00中國(guó)山東中間狀49.90325040.7059.300.9

18、244.00中國(guó)鄭州中間狀30.26325048.4051.600.9732.60日本面粉狀420087.0013.000.9785.00我國(guó)某氧化鋁廠生產(chǎn)(shngchn)砂狀氧化鋁對(duì)其物理性質(zhì)要求如下：粒度(l d)-44m12%，比表面積35g/m2，- Al2O3含量(hnling)20%。第二章 氧化鋁生產(chǎn)概述第一節(jié) 鋁土礦及其它鋁礦石一、鋁土礦地殼中鋁的平均含量為8.8%，僅次于氧和硅居于第三位。由于鋁的化學(xué)性質(zhì)活潑，它在自然界中只以化合物狀態(tài)存在。地殼中的含鋁礦物約有250種左右，其中約40%是各種鹽。最重要的含鋁礦物只有1415種。而鋁土礦就是目前氧化鋁生產(chǎn)的主要礦石資源。世界

19、上生產(chǎn)的氧化鋁95%是從鋁礦石中提煉出來的。鋁土礦是一種組成復(fù)雜、化學(xué)成份變化很大的礦石。前面講氧化鋁水合物時(shí)已提到。其中主要含鋁礦物三水鋁石、一水軟鋁石和一水硬鋁石。其它還含有不同數(shù)量的其它礦物。如赤鐵礦、針鐵礦、水赤鐵礦、黃鐵礦、菱鐵礦、高嶺石、石英、銳鈦礦、金紅石以及鈣鎂的碳酸鹽等。除此之外還含有微量元素鉻、釩、鎵、鍺、磷以及有機(jī)物。經(jīng)分析鋁土礦中含有42種元素之多。其中主要化學(xué)成分為Al2O3、SiO2、Fe2O3和H2O。鎵的含量雖然只有0.0010.01%，但它是氧化鋁生產(chǎn)中提取副產(chǎn)品鎵及其化合物的來源。根據(jù)鋁土礦中含鋁礦物存在的形態(tài)不同，將鋁土礦分為三水鋁石型、一水軟鋁石型、一水

20、硬鋁石型及混合型四種類型。幾內(nèi)亞、澳大利亞、巴西、蘇里南、牙買加等有大量新生代三水鋁石型礦占世界鋁土礦總儲(chǔ)量（350億噸左右）的80%。法國(guó)、匈牙利、南斯拉夫等地中海地區(qū)的國(guó)家有中生代一水軟鋁石型鋁土礦。我國(guó)等地區(qū)的鋁土礦屬于一水硬鋁石型鋁土礦。根據(jù)鋁土礦的成因又可把它分為紅土型鋁土礦、沉積型鋁土礦、巖溶型鋁土礦、堆積型鋁土礦四大類。從根本上講，無論鋁土礦的化學(xué)組成還是其它礦物組成都取決于鋁土礦礦床的成因類型。鋁土礦的質(zhì)量評(píng)價(jià)，不僅看它的化學(xué)成分，鋁硅比的高低，而且還要看鋁土礦的類型。鋁土礦中有用成分氧化鋁含量變動(dòng)于45%75%之間。與其它有色金屬礦石(kungsh)相比，鋁土礦可算相當(dāng)富的礦

21、。鋁土礦中的二氧化硅是堿（尤其是拜耳法）生產(chǎn)氧化鋁中最有害的雜質(zhì)。我們把鋁土礦中氧化鋁與二氧化硅的重量比稱之為鋁土礦的鋁硅比，以符號(hào)A/S表示。如鋁土礦中含有(hn yu)氧化鋁為74.88%，二氧化硅(r yng hu gu)含量為5.14%，則鋁硅比為74.88/5.14=14.57。鋁硅比越高，說明鋁土礦中二氧化硅的含量越低。氧化鋁生產(chǎn)要求鋁土礦鋁硅比和氧化鋁含量越高越好。因?yàn)檫@兩項(xiàng)要求對(duì)氧化鋁廠技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)影響很大。處理鋁硅比低的鋁土礦較處理鋁硅比高的鋁土礦在工藝上要復(fù)雜得多，單位產(chǎn)品的投資成本要高（見表2-1）。鋁硅比低的要采用燒結(jié)法。不同鋁礦石A/S燒結(jié)法的生產(chǎn)費(fèi)用 表2-1礦 石

22、( A / S )2.062.663.03.53.964.55.127.11費(fèi) 用(元/t- Al2O3)231.4193.9185.9177.3171.7165.3160.9154.4鋁土礦的類型對(duì)氧化鋁的可溶性影響較大。三水鋁石最易溶于苛性堿溶液，一水軟鋁石次之，一水硬鋁石最難溶。我廠鋁土礦為一水硬鋁石礦，我國(guó)鋁土礦都屬于一水硬鋁石型鋁土礦，很少部分一水軟鋁石型鋁土礦，澳大利亞的鋁土礦屬于三水鋁石和一水軟鋁石混合型鋁土礦，溶出溫度245，苛性堿濃度為115g/l，溶出時(shí)間只需7分鐘。我廠屬于一水硬鋁石型的鋁土礦，溶出溫度為265280，苛性堿NK為230g/l，時(shí)間為4560分鐘。我國(guó)鋁土

23、礦資源較為豐富，其儲(chǔ)量已查明的有11.6億噸，次于澳大利亞、，幾內(nèi)亞、巴西、牙買加等七國(guó)，居世界第八位。我國(guó)鋁土礦在質(zhì)量方面的特點(diǎn)是含氧化鋁和二氧化硅均高，含氧化鐵低（也有少部分高鐵的）。鋁硅比多數(shù)在47之間，鋁硅比10以上的較少。但是我廠鋁礦石氧化鋁平均含量為74.89%，二氧化硅含量為5.14%，A/S為14.57，屬于優(yōu)質(zhì)一水硬鋁石型鋁土礦。現(xiàn)將我國(guó)部分地區(qū)鋁土礦的化學(xué)成份列表如下（表2-2）。表2-2產(chǎn) 地鋁 硅 比化 學(xué) 成 份 （ % ）Al2O3SiO2TiO2Fe2O3山 東3.4055.0016.002.5012.00河南()9.3870.797.553.303.12河南()

24、7.7160.257.813.609.70河南()3.8762.0016.043.032.00山西()4.7365.8013.903.101.50山西()5.2664.7012.303.004.40廣 西9.7057.545.923.5419.05貴州()7.3269.109.453.181.61貴州()9.3570.907.593.762.25二、其它(qt)鋁礦石除鋁土礦外，已用于工業(yè)生產(chǎn)的鋁礦石有明礬石和霞石。高嶺土與粘土中的氧化鋁含量(hnling)雖低，但在自然界分布很廣。1.明礬石礦主要(zhyo)成份是明礬石(NaK)2SO4Al(SO3)34Al(OH)3,此外還含有大量的氧化

25、硅和氧化鐵。由于明礬石含有氧化鋁、鉀、硫等有價(jià)值成分，故可綜合處理以生產(chǎn)氧化鋁、硫酸、鉀肥等。我國(guó)溫州化工廠就利用明礬石礦，采用還原熱解法生產(chǎn)氧化鋁，硫酸鉀和硫酸的綜合化工廠。2.霞石其成分為(NaK)2OAl2O32SiO2，常與長(zhǎng)石、磷灰石等礦物伴生。經(jīng)過選礦后所得霞石精礦，氧化鋁含量雖低，但可以綜合利用以生產(chǎn)氧化鋁、堿、水泥等。我國(guó)云南個(gè)舊市和四川南江縣發(fā)現(xiàn)了霞石資源，其儲(chǔ)量大，質(zhì)量好。3.高嶺土和粘土分布最廣泛(gungfn)的含鋁原料，其主要成分都是Al2O32SiO22H2O。但粘土(zhn t)中CaOMgOFe2O3和石英等雜質(zhì)含量較多，而高嶺土中雜質(zhì)含量較少。含鐵低的粘土是酸

26、法生產(chǎn)氧化鋁和電熱法生產(chǎn)鋁硅合金的原料，粘土還是水泥、耐火材料(nihucilio)及陶瓷等的工業(yè)原料。第二節(jié) 氧化鋁生產(chǎn)方法概述氧化鋁生產(chǎn)過程就是從鋁土礦中提取氧化鋁使之與雜質(zhì)分離的過程。自然界中鋁礦石及原料類型繁多，同一類型的鋁土礦中各種雜質(zhì)的含量又各有差異。為了最經(jīng)濟(jì)地生產(chǎn)氧化鋁，對(duì)不同的鋁土礦必須采取不同的生產(chǎn)方法。生產(chǎn)氧化鋁的方法大致可分為堿法、酸法和電熱法等幾種。一、堿法生產(chǎn)氧化鋁就是用堿（NaOH或Na2CO3）處理鋁土礦，使礦石中的氧化鋁和堿反應(yīng)制成鋁酸鈉溶液。礦石中的鐵、鈦等雜質(zhì)和絕大部分的二氧化鋁則成為不溶性的化合物進(jìn)入固體渣中。因?yàn)檫@種殘?jiān)谎趸F染成磚紅色，故稱為赤泥。

27、與赤泥分離后的鋁酸鈉溶液，經(jīng)凈化處理后，可以分解析出氫氧化鋁，將氫氧化鋁與堿液分離經(jīng)過洗滌和焙燒后即獲得產(chǎn)品氧化鋁。分離氫氧化鋁后的堿液稱為母液，可以用來處理下一批礦石，因而也稱為循環(huán)母液。堿法生產(chǎn)氧化鋁按生產(chǎn)過程的特點(diǎn)又分為拜耳法、燒結(jié)法和聯(lián)合法（包括并聯(lián)、串聯(lián)、混聯(lián)聯(lián)合法）等。目前工業(yè)上幾乎全部采用堿法生產(chǎn)氧化鋁。二、酸法生產(chǎn)氧化鋁酸法生產(chǎn)氧化鋁就是用硫酸、鹽酸、硝酸等無機(jī)酸處理鋁礦石，得到該酸的鋁鹽水溶液，然后用堿中和這些鹽的水溶液，使鋁成為氫氧化鋁析出，焙燒氫氧化鋁或各種鋁鹽的水合物晶體。便得到氧化鋁。用酸法處理鋁土礦時(shí)，存在于礦石中的鐵、鈦、釩、鉻等雜質(zhì)與酸作用進(jìn)入溶液中，這不但引起

28、酸的消耗，而且它們與鋁鹽的分離是困難的。氧化硅絕大多數(shù)成為不溶物質(zhì)進(jìn)入殘?jiān)信c鋁鹽分離，但少量成為硅膠進(jìn)入溶液，鋁鹽溶液需要脫硅，而且需要昂貴的耐酸設(shè)備。用酸法處理鋁土礦，在原則上是合理的，在鋁土礦資源缺乏的情況下可以采取此法。三、電熱生產(chǎn)氧化鋁電熱生產(chǎn)氧化鋁是在電爐中熔煉鋁礦石和碳的混合物，使礦石中的氧化鐵、氧化、氧化鈦等雜質(zhì)還原，形成硅合金。而氧化鋁則呈熔融狀態(tài)的爐渣而上浮，由于密度不同(b tn)而分離，所得氧化鋁渣再用堿法處理提取氧化鋁。此法適合于處理高硅高鐵的鋁礦。隨著鋁工業(yè)的迅速發(fā)展，生產(chǎn)氧化鋁的原料在不斷擴(kuò)大，新的生產(chǎn)氧化鋁的方法亦隨之提出。如處理霞石和高硅高鐵鋁土礦的高壓水化法

29、及添加(tin ji)還原劑的堿石灰燒結(jié)法，還有綜合利用明礬石的還原焙燒法和氨堿法等等。第三節(jié) 拜耳法的原理和基本(jbn)工藝流程拜耳法用于氧化鋁生產(chǎn)已有近百年的歷史，幾十年來已經(jīng)有了很大的發(fā)展和改進(jìn)。目前仍是世界上生產(chǎn)氧化鋁的主要方法。拜耳法用在處理低硅鋁土礦（一般要求A/S為710），特別是用在處理三水鋁石型鋁土礦時(shí)流程簡(jiǎn)單，作業(yè)方便、能量消耗低，產(chǎn)品質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)?，F(xiàn)在除了受原料條件限制的某些地區(qū)外，大多數(shù)氧化鋁廠都采用拜耳法生產(chǎn)氧化鋁。拜耳法處理一水硬鋁石型鋁土礦時(shí)工藝條件要苛刻一些。拜耳法最主要的缺點(diǎn)是不能單獨(dú)地處理氧化硅含量高的礦石。一、拜耳法生產(chǎn)氧化鋁的原理基本原理是拜耳法精心研

30、究出來的。他在1889年的第一專利談到用氫氧化鋁的晶粒作為種子，使鋁酸鈉溶液分解，也就是種子分解法。1892年提出第二個(gè)專利系統(tǒng)地閘述了鋁土礦所含氧化鋁可以在氫氧化鈉溶液中溶解成鋁酸鈉的原理，也就是今天所采用的溶出工藝方法。直到現(xiàn)在工業(yè)生產(chǎn)上實(shí)際使用的拜耳法工藝還是以上述兩個(gè)基本原理為依據(jù)。為了紀(jì)念拜耳稱之為拜耳法。原理歸納如下。用苛性堿溶液溶出鋁土礦中氧化鋁而制得鋁酸鈉溶液，采用溶液降溫、加晶種、攪拌的條件下，從溶液中分解出氫氧化鋁，將分解后母液（主NaOH）經(jīng)蒸發(fā)用來溶出新的一批鋁土礦，溶出過程是在加壓下進(jìn)行的。拜耳法的實(shí)質(zhì)也就是下一反應(yīng)在不同的條件下交替進(jìn)行： 加壓Al2O3n H2ON

31、aOHaq 2NaAl(OH)4aq （n=13） 加晶種二、拜耳法生產(chǎn)氧化鋁的基本原理由于各地鋁土礦成份和結(jié)構(gòu)的不同所以采用的技術(shù)條件各有特點(diǎn)，各個(gè)工廠的具體工藝流程也常有差別(chbi)。拜耳法處理一水硬鋁石型鋁土礦的基本流程如圖2-1所示。拜耳法生產(chǎn)氧化鋁有原礦漿制備(zhbi)，高壓溶出，壓煮礦漿稀釋及赤泥分離和洗滌、晶種分解、氫氧化鋁分級(jí)和洗滌、氫氧化鋁焙燒、母液蒸發(fā)及蘇打苛化等主要生產(chǎn)工序。1.原礦漿(kun jin)制備首先將鋁礦破碎到符合要求的粒度25mm（如果處理一水硬鋁石型鋁土礦需加少量的石灰大約79%），與含有游離的NaOH的循環(huán)母液按一定比例配合一道送入濕磨內(nèi)進(jìn)行細(xì)磨，

32、制成合格的原礦漿，并在礦漿槽內(nèi)預(yù)熱和貯存。2.高壓溶出原礦漿經(jīng)預(yù)熱（預(yù)脫硅）后進(jìn)壓煮器組（或管道溶出器設(shè)備），在高溫、高壓、高堿下溶出。鋁土礦內(nèi)所含氧化鋁溶解成鋁酸鈉進(jìn)入溶液，面氧化鐵和氧化鈦以及大部分的二氧化硅等雜質(zhì)進(jìn)入固相殘?jiān)闯嗄嘀?。溶出所得礦漿稱壓煮礦漿，經(jīng)自蒸發(fā)器減壓降溫后送入稀釋槽（溶出后槽）。3.壓煮礦漿的稀釋及赤泥洗滌及分離壓煮礦漿含氧化鋁濃度高，為了便于赤泥沉降分離和下一步晶種分解，首先加入赤泥母液溢流溢流溢流洗液洗液石灰焙燒成品Al(OH)3種子過濾機(jī)成品過濾機(jī)種子分解槽外運(yùn)或管道輸送赤泥堆場(chǎng)棄赤泥板式熱交換器壓濾機(jī)精液赤泥底流葉液機(jī)赤泥洗滌粗液赤泥沉降苛化槽赤泥底流過濾機(jī)

33、赤泥分離稀釋高壓溶出管磨或格子磨沉降槽蒸發(fā)母液蒸發(fā)器鋁土礦循環(huán)母液分解母液石灰蒸汽熔鹽爐圖拜耳法生產(chǎn)氧化鋁基本工藝流程圖洗液將壓煮礦漿進(jìn)行稀釋（稱赤泥漿液），然后利用沉降槽進(jìn)行赤泥與鋁酸鈉溶液的分離。分離后的赤泥經(jīng)過幾次洗滌回收所含的附堿后排到赤泥堆場(chǎng)（國(guó)外有的排入深海），赤泥洗液用來稀釋下一批壓煮礦漿。4.晶種分解分離后鋁酸鈉溶液（生產(chǎn)上稱粗液）經(jīng)過進(jìn)一步過濾凈化后制得精液，經(jīng)過板式熱交換器冷卻到一定溫度，在添加晶種的條件下進(jìn)行分解，結(jié)晶析出氫氧化鋁。5.氫氧化鋁(qn yn hu hu)的取得分解后所得的氫氧化鋁漿液鋁廠設(shè)有沉降槽進(jìn)行分級(jí)(fn j)，由旋流篩進(jìn)行分級(jí)， 細(xì)粒(x l)Al

34、(OH)3作為晶種，送往分解槽做種子。粗粒Al(OH)3經(jīng)過過濾分離和洗滌，取得Al(OH)3送往焙燒工序進(jìn)行焙燒。分離溶液稱之為分解母液，經(jīng)板式熱交換器送到蒸發(fā)工序進(jìn)行濃縮（脫水）。Al(OH)3洗液送到沉降槽做為洗液。我廠Al(OH)3的取得，不經(jīng)過沉降槽和旋流篩進(jìn)行分級(jí)，而直接用平盤過濾機(jī)取得成品Al(OH)3，再送去焙燒成氧化鋁。用圓筒式過濾機(jī)取得Al(OH)3做為種子，送往種子分解槽進(jìn)行種子分解。6.氫氧化鋁焙燒Al(OH)3含有部分附著水和結(jié)晶水，經(jīng)過高溫焙燒后在1000以上的溫度進(jìn)行，先脫附著水后脫結(jié)晶水，并進(jìn)行一系列的晶相轉(zhuǎn)變，制得含有一定- Al2O3和- Al2O3的商品氧

35、化鋁。7.母液蒸發(fā)和蘇打苛化預(yù)熱后的分解母液經(jīng)板式降膜蒸發(fā)器濃縮后，得到符合要求濃度的循環(huán)母液，補(bǔ)加一部分苛性堿返回管磨（或格子磨）進(jìn)行配料，準(zhǔn)備溶出下一批鋁土礦，周而復(fù)始地進(jìn)行。母液蒸發(fā)過程中有一部分Na2CO3H2O結(jié)晶析出，為了回收這部分堿，將Na2CO3H2O與水解后加石灰配成石灰乳進(jìn)行苛化使生成NaOH送入洗滌沉降槽。第四節(jié) 燒結(jié)法的原理和基本工藝流程拜耳法處理低硅鋁土礦，處理高鋁土是不經(jīng)濟(jì)的。堿石灰燒結(jié)法處理高硅鋁土礦是行之有效的生產(chǎn)方法，鋁土礦中的二氧化鋁主要變成硅酸鈣（2CaOSiO2）。燒結(jié)法用碳酸鈉弱堿，堿的價(jià)格便宜。燒結(jié)法的優(yōu)點(diǎn)有：a.適應(yīng)高硅鋁土礦；b.堿耗低，價(jià)格便宜

36、；c.氧化鋁總回收率高。缺點(diǎn)有：a.生產(chǎn)流程復(fù)雜(fz)；b.設(shè)備投資(tu z)高，能耗高；c.產(chǎn)品質(zhì)量(chn pn zh lin)差。一、堿石灰燒結(jié)法生產(chǎn)氧化鋁的原理將鋁土礦與一定量的純堿、石灰或石灰石，配成生料漿在高溫下進(jìn)行燒結(jié)，使二氧化硅與石灰生成不溶于水的二鈣硅酸鹽（2CaOSiO2）。其反應(yīng)方程式如下：2CaOSiO2=2CaOSiO2Fe2O3Na2CO3=Na2O Fe2O3CO2Al2O3Na2CO3= Na2OAl2O3CO2在熟料窯內(nèi)進(jìn)行上述反應(yīng)，燒結(jié)成燒結(jié)塊。將燒結(jié)塊也稱熟料用調(diào)正液進(jìn)行溶出，Na2OAl2O3便進(jìn)入溶液，生成Na2O Fe2O3水解生成堿，而氧化鐵以

37、水合物與2CaOSiO2一道進(jìn)入赤泥，與再經(jīng)過沉降分離的溢流經(jīng)過脫硅得的粗液，再經(jīng)過葉濾，送往分解，再通入二氧化硅可析出氫氧化鋁。分離氫氧化鋁后的母液稱為碳分母液（主要成分為Na2CO3），經(jīng)蒸發(fā)后又返回配料。因此，在燒結(jié)法中也是循環(huán)使用的。堿石灰燒結(jié)法所處理的礦石鋁硅比應(yīng)在3以上，除鋁土礦外還可以是霞石和拜耳赤泥或拜耳赤泥和鋁土礦的混合原料。二、堿石灰燒結(jié)法生產(chǎn)氧化鋁基本工藝流程該法有生料漿制備、熟料燒結(jié)、熟料溶出、沉降分離與洗滌、粗液脫硅、精液碳酸化分解、氫氧化鋁過濾及洗滌、氫氧化鋁焙燒、母液蒸發(fā)等主要工序，蒸汽鍋爐、供電、供水、供風(fēng)等輔助系統(tǒng)。見圖2-2（堿石灰燒結(jié)法生產(chǎn)氧化鋁基本工藝流

38、程圖）1.生料漿制備將鋁土礦、石灰（或石灰石）、堿粉、無煙煤及碳分母液按一定比例，送入原料磨磨成生料漿，經(jīng)料漿調(diào)正槽調(diào)配成合格的料漿，它是燒結(jié)成合格熟料的物質(zhì)基礎(chǔ)。為了消除鋁土礦內(nèi)硫的危害，所以配有一定量的無煙煤，用以脫硫。2.熟料燒結(jié)熟料燒結(jié)通常在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)進(jìn)行。配好的合格生料漿用泵通過噴槍送入窯尾即烘干段，窯前噴入煤粉進(jìn)行燒結(jié)，燒成帶溫度為12001300的高溫下，發(fā)生一系列物理化學(xué)變化，主要生成Na2OAl2O3、Na2O Fe2O3、2CaOSiO2，冷卻后成為灰墨色的塊狀或粒狀物料即為熟料。3.熟料(sh lio)溶出蒸汽加熱蒸汽鍋爐蒸發(fā)氫氧化鋁焙燒（焙燒窯或沸騰焙燒爐）熱軟水赤泥洗滌

39、（三次或四次反向洗滌）底流碳分母液氫氧化鋁洗滌赤泥堆場(chǎng)（脫硅機(jī)）赤泥氫氧化鋁過濾（分離）精液分解槽碳分調(diào)正液粗液脫硅（脫硅機(jī)）熟料赤泥分離（沉降過濾器）熟料溶出（溶出磨）燃料（煤或重油）熟料燒結(jié)（熟料窯）石灰爐生料制備（管磨）鋁土礦石灰堿粉無煙煤燃料焦碳加熱氧化鋁圖2-2 堿石灰燒結(jié)(shoji)法生產(chǎn)氧化鋁基本工藝流程熟料破碎到合乎(hh)要求的粒度后，用稀堿溶劑（調(diào)正液）在濕磨內(nèi)進(jìn)行粉碎溶出。有用成份Al2O3和Na2O轉(zhuǎn)入(zhun r)溶液中即成為鋁酸鈉溶液。2CaOSiO2和Fe2O3等雜質(zhì)進(jìn)入(jnr)固相稱之為赤泥。為減少溶出過程中Al2O3和Na2O的化學(xué)損失，就是2CaOSi

40、O2不可避免地與鋁酸鈉溶液反應(yīng)，使溶出后120g/l Al2O3左右的鋁酸鈉溶液中會(huì)含有56g/l SiO2，生產(chǎn)上稱之為粗液。粗液不進(jìn)行脫硅，在分解過程中又隨同氫氧化鋁析出，使產(chǎn)品不純。為了保證Al2O3的質(zhì)量，粗液必須進(jìn)行專門脫硅過程，使溶液中SiO2的含量降到0.3g/l以下。經(jīng)過脫硅處理后的鋁酸鈉溶液稱之精液。脫硅后的固體產(chǎn)物稱之為硅渣。硅渣中含有相當(dāng)數(shù)量的Al2O3和Na2O，需返回配料加以回收6.精液碳酸化分解精液在分解槽中進(jìn)行分解，連續(xù)不斷地往分解槽中通入二氧化硅氣體，NaAl(OH)4溶液分解析出Al(OH)3稱之為碳酸化分解。為了使氧化鋁質(zhì)量符合要求，分解到一定程度就停止通C

41、O2氣。7.氫氧化鋁分離、蒸發(fā)、焙燒氫氧化鋁圓筒式平盤過濾機(jī)分離Al(OH)3和分離母液，分解母液也稱為碳分母液，一部分用于配調(diào)正液，大部分送去蒸發(fā)濃縮，再返回配料。Al(OH)3洗滌后，進(jìn)行焙燒。第五節(jié) 混聯(lián)法串聯(lián)法聯(lián)合法工藝流程通常在高品位礦區(qū)總會(huì)產(chǎn)出一些低品位的礦石。為了充分利用礦產(chǎn)資源，并用廉價(jià)的純堿補(bǔ)償拜耳法的苛性堿損失，降低生產(chǎn)成本，采用拜耳法和燒結(jié)法同時(shí)分別處理兩種礦，這種方法稱之為聯(lián)合法。聯(lián)合法又分為并聯(lián)和串聯(lián)兩種。在處理的鋁土礦是中等品位時(shí)，單獨(dú)采用拜耳法或燒結(jié)法生產(chǎn)在經(jīng)濟(jì)上都是不理想的。如果將礦石先經(jīng)拜耳法溶出，溶出后的赤泥再用燒結(jié)法進(jìn)一步提取其中的氧化鋁和氧化鈉，稱之為串

42、聯(lián)聯(lián)合法。此法能取得較好的經(jīng)濟(jì)效果。這樣使燒結(jié)法中投資最大的燒結(jié)、溶出、脫硅工序的設(shè)備規(guī)模大為縮小，即為投資和加工費(fèi)用大為降低，而拜耳赤泥中的堿和氧化鋁又能充分地回收。單純用拜耳赤泥為原料，配生料漿鋁硅比低，燒成溫度范圍窄，而給燒結(jié)帶來一定困難。采用混聯(lián)法，除吃掉拜耳赤泥外加一部分低品位的鋁土礦，將生料漿鋁硅比提高到便于燒結(jié)窯操作范圍，這不但改善燒結(jié)窯的技術(shù)操作也為燒結(jié)法提供所需要的苛性堿。這種兼有串聯(lián)和并聯(lián)特點(diǎn)的聯(lián)合法稱之為混聯(lián)聯(lián)合法。拜耳法和燒結(jié)法兩個(gè)流程叫并聯(lián)聯(lián)合法（見圖2-3）。壓煮礦漿稀釋溢流赤泥漿底流溢流赤泥洗滌洗液棄赤泥硅渣精液晶種氧化鋁焙燒氫氧化鋁氫氧化鋁種分母液碳分母液蒸發(fā)蒸

43、發(fā)氫氧化鋁分離洗滌氫氧化鋁分離洗滌精液種分備精液碳分粗液葉濾備粗液脫硅備赤泥分離赤泥分離熟料溶出高壓溶出備熟料燒結(jié)備原礦漿制備生料漿制備低硅鋁土礦石灰高硅鋁土礦苛性堿堿粉圖2-3 混聯(lián)法生產(chǎn)(shngchn)氧化鋁基本流程圖該流程主要特點(diǎn)是：采用拜耳法處理高鋁低硅，鋁硅比大于8的鋁土礦，其赤泥經(jīng)洗滌和過濾脫水(tu shu)后，用燒結(jié)法回收其中的氧化鋁和氧化鈉；燒結(jié)法除處理拜耳赤泥外，還配一部分低鋁硅比（A/S=45）的鋁土礦，用以調(diào)節(jié)燒結(jié)(shoji)法熟料鋁硅比以適應(yīng)燒結(jié)窯的技術(shù)操作，并改善燒結(jié)法系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，還充分利用低品位礦石資源；燒結(jié)法擁有自己的獨(dú)立生產(chǎn)系統(tǒng)脫硅、碳分、蒸發(fā)工序

44、。有利于平衡拜耳法和燒結(jié)法兩系統(tǒng)的堿量和拜耳赤泥漿的水分；以廉價(jià)的蘇打加入燒結(jié)法以補(bǔ)償生產(chǎn)過程中堿的損失，它是通過把燒結(jié)法系統(tǒng)生產(chǎn)，部分精液送入拜耳法系統(tǒng)進(jìn)行晶種來實(shí)現(xiàn)的。第三章 鋁酸鈉溶液(rngy)第一節(jié) 拜耳法和燒結(jié)法生成(shn chn)鋁酸鈉反應(yīng)的原理一、拜耳法鋁礦石(kungsh)在苛性堿（灼減Na2O）溶液中溶解氧化鋁生成鋁酸鈉溶液。采用對(duì)溶液降溫、加晶種、攪拌的條件下，從溶液中分解出Al(OH)3,將分解后的母液（主要成份NaOH），經(jīng)蒸發(fā)用來重新溶出新的一批鋁土礦，溶出過程是在加壓下進(jìn)行的。拜耳法的實(shí)施也就是以下反應(yīng)在不同的條件下的交替進(jìn)行： 加壓Al2O3nH2O2NaOH

45、aq NaAl(OH)4aq（n=13） 加晶種二、燒結(jié)法在高溫下（800以上）、碳酸鈉（純堿Na2CO3）與氧化鋁反應(yīng)生成固體鋁酸鈉。Al2O3Na2CO3=Na2OAl2O3CO2固體碳酸鈉在水中易于溶解，所得的溶液即為鋁酸鈉溶液，這是燒結(jié)法的基本原理。但是，純的鋁酸鈉溶液具有一種自發(fā)分解性質(zhì)，即不受外界任何影響而自行分解，沉淀出氫氧化鋁。為了防止自發(fā)分解增大其穩(wěn)定性，在鋁酸鈉溶液中必須具有某些過量的游離苛性鈉。因此，實(shí)際上的鋁酸鈉溶液的水溶液和苛性鈉的水溶液的混合物。第二節(jié) Na2OAl2O3H2O系堿法是現(xiàn)代工業(yè)中生產(chǎn)氣體鋁的主要方法。其實(shí)質(zhì)是把鋁土礦中的氧化鋁溶出制鋁酸鈉溶液，然后再

46、使鋁酸鈉溶液分解以獲得氧化鋁，整個(gè)生產(chǎn)與鋁酸鈉有直接關(guān)系。為了正確地掌握氧化鋁生產(chǎn)，提高技術(shù)操作水平深入了解鋁酸鈉溶液的物理化學(xué)(w l hu xu)性質(zhì)是極為重要的。一、鋁酸鈉溶液(rngy)的濃度與苛性比值1.鋁酸鈉溶液(rngy)的濃度鋁酸鈉溶液的基本成分是Al2O3和Na2O，鋁酸鈉溶液各成人分的濃度工業(yè)區(qū)上一般用每升鋁酸鈉溶液中所含溶質(zhì)的克數(shù)來表示（克/升或g/l）。例如一升鋁酸鈉溶液中含120克Al2O3，100克Na2O，則Al2O3和Na2O的濃度分別表示成100g/l Al2O3、120g/lNa2O。在科學(xué)研究中多以百分比濃度（%）來表示。這兩種表示方法互相換算，其換算公式

47、如下：N=1000dn A=1000da式中：n表示Na2O%；a表示Al2O3%；N表示克/升Na2O；d表示鋁酸鈉溶液密度，克/厘米3。2.鋁酸鈉溶液的苛性比值（苛性化系數(shù)）鋁酸鈉溶液中Na2O包括與氧化鋁反應(yīng)生成鋁酸鈉中的Na2O和以游離的NaOH形態(tài)存在的Na2O，它們都稱為苛性堿（以Na2Ok表示）。鋁酸鈉溶液中所含苛性堿與氧化鋁的摩爾比叫做鋁酸鈉溶液的苛性比值，以符號(hào)k表示即：Nkk= A式中Nk鋁酸鈉溶液中Na2Ok的摩爾數(shù)；A鋁酸鈉溶液中Al2O3的摩爾數(shù)。例 當(dāng)鋁酸鈉溶液中含有120克/升Al2O3，100克/升Na2O時(shí)，該溶液的苛性比值為多少？解 已知Na2O分子量為62

48、，Al2O3分子量為102則：k=Nk/A=100/62120/102=1.645100/120=1.37因此，鋁酸鈉溶液的苛性比值一般又可以用下列化工計(jì)算：k=1.645Nk/A式中 Nk和 A分別(fnbi)表示鋁酸鈉溶液中和Al2O3的濃度(nngd)（克/升或百分比）。二、Na2OAl2O3H2O系平衡(pnghng)狀態(tài)圖純的鋁酸鈉溶液包括在Na2OAl2O3H2O系之中，氧化鋁在氧化鈉溶液中的溶解度與溶解液濃度和溫度的關(guān)系，以及在不同條件下的平衡固相研究的結(jié)果，以Na2OAl2O3H2O系平衡狀態(tài)圖表示之。它是堿法生產(chǎn)氧化鋁理論基礎(chǔ)的重要部分。為了應(yīng)用方便，把在一定溫度下的氧化溶解

49、度與苛性堿濃度的關(guān)系用直角坐標(biāo)圖來表示。縱坐標(biāo)軸表示氧化鋁濃度，橫坐標(biāo)表示氧化鈉濃度。人們稱它為Na2OAl2O3H2O系平衡狀態(tài)圖（溶解度等溫線圖）。1.30下的Na2OAl2O3H2O系平衡狀態(tài)圖：根據(jù)在30下測(cè)得的氧化鋁溶解度的數(shù)據(jù)，繪制的Na2OAl2O3H2O系平衡狀態(tài)圖（見圖3-1）來說明該體系的特征。圖中OBCD曲線是依次聯(lián)接各平衡溶液的組成點(diǎn)得出的，它也就是氧化鋁在30下的氫氧化鈉溶液中的平衡溶解度等溫線。該等溫線可以認(rèn)為是由OB、BC、和CD三個(gè)線段組成的。各線段上的溶液分別和某一定的固相保持平衡OB與BC相交于B點(diǎn)。OB線上溶液的平衡固相是三水鋁石，所以O(shè)B線是三水鋁石在N

50、aOH溶液中的溶解度曲線。它表明NaOH溶液濃度的增加，三水鋁石在其中溶解度越來越大。BC線段溶液的平衡固相是含水鋁酸鈉Na2OAl2O32.5H2O，所以說B C線段是含水鋁酸鈉在NaOH溶液中的溶解度曲線。含水鋁酸鈉在NaOH溶液中的溶解度隨溶液中Na2Ok濃度的增加而降低。B點(diǎn)是溶液同時(shí)與三水鋁石和含水鋁酸鈉，共存的飽和點(diǎn)。C點(diǎn)是Na2OAl2O32.5H2O和NaOHH2O（一水氫氧化鈉）的共飽和點(diǎn)。CD線段是NaOHH2O在鋁酸鈉溶液中的溶解度曲線。O點(diǎn)是NaOHH2O（其中含53.5%Na2O和46.5% H2O）圖形點(diǎn)。E點(diǎn)是Na2OAl2O32.5H2O的組成點(diǎn)，它的成分是48

51、.8%的Al2O3、29.7%Na2O和21.5%H2O。H點(diǎn)是Na2OAl2O3的組成點(diǎn)，它的成分是62.2% Al2O3和37.8%的Na2O。直線OEH是k=1的k線。實(shí)踐證明，苛性比值等于1或小于1的鋁酸鈉溶液是不存在的。因此鋁酸鈉溶液的組成處于直線OE的下方。在30下O點(diǎn)和D點(diǎn)都是固態(tài)存在。因而在ED線上及其右上方屬于固體區(qū)域，沒有液相存在，所以鋁酸鈉溶液只能存在于OED區(qū)域內(nèi)。現(xiàn)將OED區(qū)域(qy)分為五個(gè)（-）部分進(jìn)行(jnxng)討論。在OBCD飽和(boh)等溫線下方為區(qū)，是氫氧化鋁和含水鋁酸鈉的未飽和區(qū),它有溶解這兩種物質(zhì)的能力。當(dāng)其溶解氫氧化鋁時(shí)，溶液的組成將沿著原溶液點(diǎn)

52、與T點(diǎn)（Al2O3H2O，含Al2O365.4%，H2O34.6%）的聯(lián)線變化，直到聯(lián)線與OB線的交點(diǎn)為止，即這時(shí)溶液已達(dá)到平衡濃度。原溶液組成離OB線越遠(yuǎn)，其未飽和程度越大，能夠溶解氫氧化鋁的數(shù)量越多。當(dāng)其溶解固體鋁酸鈉時(shí)，溶液的組成則沿著原溶液組成點(diǎn)與E點(diǎn)（如果是無水碳酸鈉則是H點(diǎn)）的聯(lián)線變化，直到聯(lián)線與BC線的交點(diǎn)為止。OBTO（區(qū)）內(nèi)的溶液是氫氧化鋁過飽和的鋁酸鈉溶液，可以分解析出三水鋁石結(jié)晶，在分解過程中，溶液的組成沿原液組成點(diǎn)與T點(diǎn)的聯(lián)線變化，直到與OB線的交點(diǎn)為止，這時(shí)溶液達(dá)到平衡濃度，不再析出三水鋁石結(jié)晶。原溶液組成點(diǎn)離OB線越遠(yuǎn)，其過飽和程度越大，能夠析出的三水鋁石的量越多。

53、BCEB（區(qū)）內(nèi)的溶液是含水鋁酸鈉過飽和的鋁酸鈉溶液。BEFB（區(qū)）內(nèi)的溶液是同時(shí)過飽和氫氧化鋁和含水鋁酸鈉的溶液。CDEC（區(qū)）內(nèi)的溶液是同時(shí)過飽和含水鋁酸鈉和一水氫氧化鈉溶液。在氧化鋁生產(chǎn)中，鋁酸鈉溶液的組成總是位于狀態(tài)圖的、區(qū)內(nèi)。30下的Na2OAl2O3H2O系平衡狀態(tài)圖的這些特征也反映在其它溫度下的狀態(tài)圖中。2.較高溫度下的Na2OAl2O3H2O系狀態(tài)圖為了適應(yīng)生產(chǎn)的需要，人們廣泛研究了在30、60、95、150、200等溫度下的Al2O3在不同Na2O濃度的鋁酸鈉溶液中的飽和濃度，并繪出了上述和溫度下的Na2OAl2O3H2O系狀態(tài)圖?？梢姼鱾€(gè)溫度下溶解度等溫度線都包括兩個(gè)線段，

54、這兩個(gè)線段的交點(diǎn)為該溫度下的溶解度最大點(diǎn)。它說明在所有的溫度下，氧化鋁的溶解度都隨溶液中苛性堿濃度的增加而急劇增長(zhǎng)，但當(dāng)苛性堿濃度超過某一限度后，氧化鋁的濃度反而隨溶液中苛性堿濃度的增加而急劇下降，這是由于與溶液平衡的固相成分發(fā)生改變的結(jié)果。隨著溫度的升高，等溫線的曲率逐漸減小，即越來越直，它的兩個(gè)分支所構(gòu)成的交角也逐漸增大，這樣就使溶液未飽和區(qū)域越來越大，溶解度的最大點(diǎn)隨溫度的升高向較高的Na2O濃度和Al2O3濃度方向推移。拜耳法生產(chǎn)(shngchn)氧化鋁是根據(jù)Na2OAl2O3H2O系溶解度等溫線的上述特點(diǎn)(tdin)，利用苛性堿溶液在高溫下溶出鋁土礦中的氧化鋁，然后再經(jīng)冷卻和稀釋使氫

55、氧化鋁過飽和而結(jié)Na2OAl2O3H2O系狀態(tài)圖晶析出(xch)。三、Na2OAl2O3H2O系狀態(tài)圖在生產(chǎn)上的應(yīng)用拜耳法循環(huán)拜耳法生產(chǎn)過程的實(shí)質(zhì)也可以從Na2OAl2O3H2O系的拜耳法循環(huán)圖（如圖3-3所示）中得到了解。用來溶出一水硬鋁石型鋁土礦的循環(huán)母液成分相當(dāng)于圖中1點(diǎn)。在蒸氣直接加熱的壓煮器中，溶液濃度被蒸汽冷凝水沖淡，同時(shí)有氧化鋁的溶出，溶液苛性比值下降，相當(dāng)于圖中2點(diǎn)，連結(jié)1、2兩點(diǎn)的線叫做冷凝水沖淡線，2點(diǎn)處在220等溫線下方很遠(yuǎn)的地方。距離溶出溫度240就更遠(yuǎn)。所以在240下，一水硬鋁石對(duì)該點(diǎn)溶液是遠(yuǎn)遠(yuǎn)未飽和的，因此氧化鋁迅速溶出。氧化鋁不斷溶出，濃度隨之升高，苛性堿則由于脫

56、硅等化學(xué)反應(yīng)引起損失和被一水硬鋁石釋放出來的一部分結(jié)晶水所沖淡，此時(shí)溶液成分相當(dāng)于圖中3點(diǎn)，連結(jié)2、3兩點(diǎn)的線叫溶出線。理論上，隨著氧化鋁的溶出，鋁酸鈉溶液的苛性比值隨之下降，可以一直達(dá)到等溫線上的平衡成分。但實(shí)際上工業(yè)生產(chǎn)中，溶出過程在距離等溫線上平2點(diǎn)，連結(jié)1、2兩點(diǎn)的線叫做冷凝水沖淡線，2點(diǎn)處在220等溫線下方很遠(yuǎn)的地方。距離溶出溫度240就更遠(yuǎn)。所以在240下，一水硬鋁石對(duì)該點(diǎn)溶液是遠(yuǎn)遠(yuǎn)未飽和的，因此氧化鋁迅速溶出。氧化鋁不斷溶出，濃度隨之升高，苛性堿則由于脫硅等化學(xué)反應(yīng)引起損失和被一水硬鋁石釋放出來的一部分結(jié)晶水所沖淡，此時(shí)溶液成分相當(dāng)于圖中3點(diǎn)，連結(jié)2、3兩點(diǎn)的線叫溶出線。理論上，

57、隨著氧化鋁的溶出，鋁酸鈉溶液的苛性比值隨之下降，可以一直達(dá)到等溫線上的平衡成分。但實(shí)際上工業(yè)生產(chǎn)中，溶出過程在距離等溫線上平衡點(diǎn)很遠(yuǎn)的3點(diǎn)便結(jié)束。這是因?yàn)樵谠摐囟认拢?點(diǎn)以后的溶出速度減慢，而且越來越慢，達(dá)到240等溫線上的平衡成分需要很長(zhǎng)時(shí)間，這是不經(jīng)濟(jì)的。從壓煮器中排出的壓煮礦漿（溶出漿液）用赤泥洗液稀釋，稀釋之后，溫度下降到100左右，參考圖中95等溫線，可知4點(diǎn)溶液處于飽和區(qū)域，得距離平衡點(diǎn)不遠(yuǎn)，溶液處于介安狀態(tài)，具有一定的穩(wěn)定性。存放一定時(shí)間不會(huì)發(fā)生明顯的自發(fā)分解。連結(jié)3、4兩點(diǎn)的線叫做稀釋線。往分離赤泥后的溶液中加入氫氧化鋁晶種時(shí)，鋁酸鈉溶液分解，氧化鋁濃度降低，以及由于種子帶入部

58、分母液使苛性比值升高，此時(shí)(c sh)溶液成分相當(dāng)于圖中的5點(diǎn)，連結(jié)4、5兩點(diǎn)的線叫做種子線。由于鋁酸鈉溶液迅速分解析出氫氧化鋁，溶液中氧化鋁濃度降低。因水分也減少故苛性堿濃度提高，因而(yn r)溶液的苛性比值上升，此時(shí)溶液的成分相當(dāng)于圖中6點(diǎn)，連接5、6兩點(diǎn)的線叫做分解線。分解過程，溶液(rngy)溫度從95降低到40左右，5點(diǎn)溶液距離此等溫線很遠(yuǎn)，溶液過飽和程度很高，所以溶液沿56線迅速分解，從理論上說分解過程可以進(jìn)行到溶液成分達(dá)到30等溫線的平衡成分為止，但是由于溶液成分達(dá)到6點(diǎn)以后，因分解速度很慢，析出的氫氧化鋁粉度很結(jié)很難過濾，所以工業(yè)生產(chǎn)上一般分解到苛性比值達(dá)到3.54.0為止。

59、分離氫氧化鋁后的母液，經(jīng)過蒸發(fā)，氧化鈉和氧化鋁的濃度同時(shí)提高，此時(shí)溶液成分相當(dāng)于圖中7點(diǎn)，連結(jié)6、7兩點(diǎn)的線叫蒸發(fā)線。7點(diǎn)位于30等溫線的下方，所以蒸發(fā)母液即使是在30下，也是未飽和的。7點(diǎn)和1點(diǎn)不重合，這是由于生產(chǎn)過程中有苛性堿的化學(xué)損失和機(jī)械損失，這部分損失的堿需要補(bǔ)充。補(bǔ)充新堿后的循環(huán)母液成分便回到1點(diǎn)。至此，拜耳法的一個(gè)生產(chǎn)循環(huán)便告結(jié)束。在Na2OAl2O3H2O系狀態(tài)圖上構(gòu)成了由12345671表示的封閉圖形即拜耳法循環(huán)圖。它表示著拜耳法生產(chǎn)中利用循環(huán)母液在高溫下溶出鋁土礦中的氧化鋁，而后又在低溫、低濃度、添加晶種的情況下析出氫氧化鋁。而母液經(jīng)過蒸發(fā)又濃縮到循環(huán)母液原來的成分，這樣一

60、個(gè)循環(huán)過程稱之為拜耳法循環(huán)。循環(huán)母液每經(jīng)過一次作業(yè)循環(huán)，便可從鋁土礦中提取一批氧化鋁，通常將1升（或1立方米）循環(huán)母液在一次作業(yè)周期中所產(chǎn)生的氧化鋁克數(shù)（或公斤數(shù)）稱為拜耳法的循環(huán)效率，以符號(hào)E表示。它的計(jì)算公式推導(dǎo)過程如下：如果假定在生產(chǎn)過程中不發(fā)生氧化鋁和氧化鈉的損失，1升循環(huán)母液的苛性鈉含量為克，在溶出過程中由于溶出了氧化鋁，循環(huán)母液的苛性比值由o變?yōu)槿艹鲆旱目列员戎祂，但是Nk的絕對(duì)值仍保持不變的。根據(jù)苛性比值的定義，可以算出1升循環(huán)母液中的Al2O3含量為：Ao=1.645Nk/o而溶出液中的Al2O3含量為：A=1.645Nk/k因此1升循環(huán)(xnhun)母液在一次作業(yè)周期中產(chǎn)生的