真空碳熱還原氯化法煉鋁原理分析

1、真空碳熱復(fù)原氯化法煉鋁原理分析摘要：鋁土礦中的鋁是以氧化鋁的形式存在的，因直接復(fù)原得到的金屬鋁與其它雜質(zhì)無法別離而不能用復(fù)原劑將其直接復(fù)原出來。文章研究了在真空條件下用碳熱復(fù)原低價(jià)氯化物分解法從鋁土礦直接煉鋁的原理，為相關(guān)工程理論提供參考。關(guān)鍵詞：煉鋁真空技術(shù)碳熱復(fù)原法引言鋁是一種輕金屬，在自然界中有豐富的儲量。其密度是鋼鐵的1/3，具有大的強(qiáng)度/重量比值和良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性，鋁的外表被一層氧化膜保護(hù)而不生銹，同時(shí)鋁的再生利用率高，因此鋁被廣泛應(yīng)用在汽車制造工業(yè)，建筑工業(yè)和航天航空工業(yè)上，是一種重要的經(jīng)濟(jì)、戰(zhàn)略金屬。因此一些缺乏鋁土礦資源的國家都在研究利用這些原料消費(fèi)氧化鋁的方法，其中研究最

2、多的是酸法、高壓水化學(xué)法和石灰石燒結(jié)法。但綜合處理明礬石的眾多方法中已用于工業(yè)消費(fèi)的只有復(fù)原焙燒法，此外用燒結(jié)法綜合處理霞石已經(jīng)有大規(guī)模的工業(yè)消費(fèi)。本文在分析了這幾種常見方法的根底上研究了真空碳熱復(fù)原氯化法煉鋁的原理。1常見的煉鋁方法1.1酸法非鋁土礦原料的共同特點(diǎn)是含有很高的氧化硅，用酸法處理這些原料原那么上是合理的。根據(jù)所用的無機(jī)酸種類的不同，酸法消費(fèi)氧化鋁有各種不同的方案，但它們有著共同的特點(diǎn)，具有類似的消費(fèi)過程，其中包括礦石的預(yù)處理(焙燒和磨細(xì))，用酸溶出(使氧化鋁轉(zhuǎn)變?yōu)榭扇苄缘臒o機(jī)酸鋁鹽)，溶出液除鐵，鋁鹽的分解和氫氧化鋁鍛燒以及酸的回收等。不少國家高硅含鋁原料進(jìn)展了包括鹽酸、硫酸、

3、硝酸以及其它酸法流程的研究。也有人對一些國家用各種酸法處理不同原料時(shí)的原材料及能量消耗、單位產(chǎn)品的本錢和投資進(jìn)展了估算，并對將來酸法的工業(yè)應(yīng)用作出了樂觀的估計(jì)。但酸法目前還處于試驗(yàn)階段，有待改良和完善。1.2高壓水化學(xué)法此法是上世紀(jì)五十年代原蘇聯(lián)學(xué)者創(chuàng)造的，它是一種用濕法處理高硅含鋁原料消費(fèi)氧化鋁的新方法，即以石灰或高濃度堿液處理，再經(jīng)蒸發(fā)、結(jié)晶等得到產(chǎn)品。對這一方法的物理化學(xué)原理和工藝己經(jīng)洲行了長期、廣泛的研究，獲得了重大進(jìn)展。高壓水化學(xué)法與燒結(jié)法相比有許多優(yōu)點(diǎn)：避開了投資大、能耗高的燒結(jié)過程，在適當(dāng)?shù)臈l件下溶出，可獲得高的al23和na2溶出率，不用消耗優(yōu)質(zhì)煤，有利于環(huán)境保護(hù)。根據(jù)半工業(yè)試

4、驗(yàn)結(jié)果進(jìn)展的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比擬說明：能耗、投資與產(chǎn)品本錢都比采用燒結(jié)法顯著降低。但這一方法還存在不少缺點(diǎn)，尚需研究改良。1.3復(fù)原焙燒法這種方法是目前工業(yè)上綜合處理明礬石的唯一方法。明礬石經(jīng)脫水及復(fù)原焙燒脫出s3后，再用拜爾法處理，產(chǎn)品為氧化鋁、硫酸鉀和硫酸。由于我國的鋁土礦絕大局部屬于高鋁、高硅難溶的一水硬鋁石型，鋁硅比中等偏低的特點(diǎn)，不能經(jīng)濟(jì)地采用國外常規(guī)拜耳法消費(fèi)氧化鋁，而大局部只能采用堿石灰燒結(jié)法和混聯(lián)法消費(fèi)氧化鋁的工藝技術(shù)，這兩種消費(fèi)方法與國外處理高品位鋁土礦的常規(guī)拜耳法比擬，存在以下缺點(diǎn):單位產(chǎn)品的綜合能耗高，工藝流程長，建立投資大。對于大、中型氧化鋁廠建立工程，混聯(lián)法單位產(chǎn)品的建立比常

5、規(guī)拜耳法高很多，隨著我國鋁土礦品位的逐步下降以及能源價(jià)格的不斷上漲，現(xiàn)有的混聯(lián)法廠的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)將逐步惡化，制造本錢將相應(yīng)進(jìn)步。我國混聯(lián)法氧化鋁廠近年來均采用大量高品位的民采礦，導(dǎo)致采富棄貧，資源浪費(fèi)嚴(yán)重。隨著消費(fèi)的不斷開展，高品位礦石也將很快用完，預(yù)計(jì)僅能維持幾年的時(shí)間。假設(shè)采用低品位礦將使如今鋁廠消費(fèi)才能大幅度下降，本錢升高，經(jīng)濟(jì)效益惡化。上述缺點(diǎn)使我國氧化鋁工業(yè)在國際上競爭力不強(qiáng)，進(jìn)而對其生存與開展提出了挑戰(zhàn)。且隨著能源價(jià)格的不斷上漲和鋁土礦品位的逐年下降，這種挑戰(zhàn)將變得日趨嚴(yán)重。2真空碳熱復(fù)原氯化法煉鋁原理借助于鋁的低價(jià)化合物高溫穩(wěn)定，低溫分解得到金屬鋁和鋁的三價(jià)化合物的特性，在鋁土礦

6、與焦炭的反響系統(tǒng)中通入三氯化鋁的氣體，此時(shí)鋁土礦、焦炭、與三氯化鋁反響，得到一氯化鋁(all)，得到的一氯化鋁在反響系統(tǒng)中溫度較低的局部分解得到金屬鋁和三氯化鋁，三氯化鋁經(jīng)過搜集可以循環(huán)使用，即在整個(gè)反響系統(tǒng)中三氯化鋁僅僅起到了將鋁土礦中三氧化鋁直接碳復(fù)原的媒介作用，但由于它的存在使復(fù)原反響溫度大大下降，而且可以得到比擬純的金屬鋁，從而使從鋁土礦直接碳復(fù)原消費(fèi)金屬鋁的過程成為可能。由于本原理中高溫下形成低價(jià)氯化鋁的反響是一個(gè)氣體體積增大的反響，因此可以選擇在真空下進(jìn)展，這樣可使該步反響容易進(jìn)展。同時(shí)選擇在真空下進(jìn)展煉鋁的研究，主要還有以下一些原因：1該法煉鋁機(jī)理的第一步是氣體體積增加的反響(a

7、l23+al13氣+33all氣+3氣)，從1個(gè)體積的氣體變到6個(gè)體積，因此降低反響系統(tǒng)的壓力(真空下)會大大有利于反響進(jìn)展，低價(jià)鋁化合物分解碳熱復(fù)原氧化鋁或鋁土礦的反響分為兩步，第一步為高溫下氧化鋁與碳及高價(jià)鋁的化合物反響生成鋁的低價(jià)化合物，第二步為所得到的鋁的低價(jià)化合物在低溫下分解得到金屬鋁。2由于是在真空下進(jìn)展的，整個(gè)過程所產(chǎn)生的尾氣排放方向控制容易，因此污染的控制也就容易，最終可以成為一個(gè)低污染的過程；3由于反響系統(tǒng)是在不斷抽真空的條件下進(jìn)展的，因此系統(tǒng)中的氣體流速非常大，一氯化鋁分解得到的液態(tài)金屬鋁可以很快與系統(tǒng)中存在的氣體(一氧化碳，三氯化鋁)分開，防止金屬鋁與這些氣體發(fā)生反響，引起金屬鋁的損失及純度的降低。4通過對碳熱復(fù)原氯化法煉鋁所需理論電耗的計(jì)算可知道，碳熱復(fù)原氯化法煉鋁較目前的其他煉鋁方法在能耗方面有較大的優(yōu)勢。5鋁土礦中的其它成分如氧化鐵、氧化欽、氧化硅等，由于不會發(fā)生生成氣體的反響，因此只能留在爐渣中，而在真空狀態(tài)下進(jìn)展可讓反響溫度較常壓狀態(tài)下低，且all氣體的氣流方向一定，使all的冷凝分解點(diǎn)容易控制，從而實(shí)現(xiàn)從鋁土礦一步得到金屬鋁的可能，而且由于其它成分留在爐渣中，因此得到的金屬鋁有很高的純度。結(jié)語隨著我國鋁土礦品位的逐步下降以及能源價(jià)格的