铝土矿的铝硅分离

铝土矿的铝硅分离3

蒋　昊3　李光辉　胡岳华

摘　要　从氧化铝生产和预脱硅两个方面概要评述了铝土矿铝硅分离的现状,介绍了实现铝土矿铝硅分离的方法及其基本原理。并对一水硬铝石型铝土矿铝硅分离的研究方向进行了深入地探讨。

关键词　铝土矿　氧化铝　铝硅分离

目前全世界的氧化铝约有95%是以铝土矿为原料生产的。铝土矿中除了含氧化铝外,还有许多杂质,其中最主要的杂质是二氧化硅、氧化铁等。从某种意义上说,氧化铝生产的化工过程实际上是一个脱硅除铁,以获得满足铝冶炼及生产其它特殊用途氧化铝要求的原料过程。针对不同类型矿石的性质和质量不同,国内外主要采用拜耳法、烧结法和联合法来生产氧化铝。对于拜耳法生产氧化铝工艺而言,氧化铁多呈惰性,多以不溶性的化合物形式排出系统,其主要是增加赤泥量,一般对生产的影响不大。而硅却是最有害的杂质,它一方面会造成Na2O 和Al2O3的损失,污染氢氧化铝,降低产品质量;另一方面生成的钠硅渣结疤,使设备传热系数降低,溶出过程能耗增加,设备维护难度加大。可以这么讲,氧化铝的生产主要是铝硅的分离,即脱硅。因此,国内外针对铝土矿铝硅分离的理论和工艺开展了大量的研究。本文评述了铝土矿铝硅分离的研究状况,并对其今后的研究发展趋势进行了探讨。

1　铝土矿铝硅分离的研究现状

纵观铝土矿铝硅分离理论与工艺的研究,归纳起来主要集中在两个方面:一是基于氧化铝生产的铝硅分离研究;另一方面是以提高矿石铝硅比(A/ S)为目的,对铝土矿进行预脱硅的研究。

111　基于氧化铝生产的铝硅分离

氧化铝的生产方法有许多种,目前应用于工业生产的几乎全属于碱法。碱法生产氧化铝有拜耳法、烧结法以及拜耳-烧结联合法等多种流程。由于处理铝土矿原料的质量不同,也就是说各自处理的铝土矿中二氧化硅的含量不同,不同的方法实现铝硅分离的原理和工艺也就各不相同〔1,2〕。

11111　拜耳法生产过程中的铝硅分离

拜耳法是根据拜耳的两项发明专利,用于生产氧化铝而命名的方法。拜耳法适宜于处理低硅优质铝土矿(A/S不低于8)。其特点是流程简单,产品质量好,能耗低,成本低,但它需要比较昂贵的烧碱。现在,全世界90%以上的氧化铝和氢氧化铝是用拜耳法生产的。

在铝土矿的拜耳法溶出过程中,除了矿石中的铝矿物溶于碱生成NaAl(OH)4外,其它各种形式的含硅矿物的硅均以Na2SiO3形式进入溶液(在溶出三水铝石时,因为所需温度和碱浓度均不是很高,所以石英呈惰性,基本不会进入溶液)。当Na2SiO3浓度超过溶液的平衡浓度后,其便与铝酸钠反应生成水合铝硅酸钠逐渐析出,直到溶液中SiO2浓度降至平衡。此反应如下:

117Na2SiO3+2NaAl(OH)4→Na2O・Al2O3・

117SiO2・H2O+3.4NaOH+1.3H2O

由此可以看出,在拜耳法生产氧化铝工艺中铝硅分离的实质是使硅以钠硅渣的形式从铝酸钠溶液中析出。因此,原料中含硅量越高,生成钠硅渣的数量也就越多,碱和氧化铝的损失率相应就会越大。这也是拜耳法生产氧化铝要求原料铝硅比大于8的根本原因之一。

11112　烧结法生产过程中的铝硅分离

碱石灰烧结法生产氧化铝是将铝硅比较低(A/ S3～5)的高硅铝土矿与Na2CO3和石灰按一定的配比调配成料浆在回转窑内于1200～1300℃的高温条件下烧结成熟料,使炉料中氧化铝转变为易溶的铝酸钠(Na2O・Al2O3),氧化硅转变为不溶的原硅

3中南大学矿物工程系,国家重点基础研究发展规划(“973”计划)项目(G1999064901)

酸钙(2CaO・SiO2)。熟料经破碎、磨矿后用稀碱溶液溶出,得铝酸钠溶液。原硅酸钙不与溶液反应,全部转入赤泥,从而达到SiO2与Na2O、Al2O3分离的目的。

但在熟料溶出过程中,由于一部分原硅酸钙与铝酸钠溶液相互作用而被分解,致使溶出后的铝酸钠溶液中含有较多的SiO2。因此,熟料溶出得到的溶液还必须进行专门的脱硅,其脱硅的实质是使溶液中过饱和的SiO2转化为硅渣沉淀析出。分离出来的硅渣可返回配料回收其中的Al2O3和Na2O。

由此可见,烧结法生产氧化铝过程中铝硅分离的实质是使原料中的硅与配入的石灰发生反应,生成不溶性的原硅酸钙。因此,其铝硅分离过程不会带来铝和碱的损失。从理论上讲,铝土矿中SiO2含量的高低是不会影响Al2O3总回收率和碱耗等经济技术指标。

11113　联合法生产过程中的铝硅分离

由于拜耳法和烧结法都具有各自的特点和适用范围,含硅低的优质铝土矿宜采用拜耳法,而含硅高、铝硅比较低的铝土矿一般采用烧结法。但是为了充分利用矿石资源,并用廉价的苏打补偿拜耳法的苛性碱损失,降低成本,就采用拜耳法和烧结法同时处理含硅不同的两种矿石,构成联合法生产氧化铝。根据铝土矿的化学与矿物组成以及其它条件不同,二者可组成并联、串联和混联三种基本流程。

并联法生产氧化铝是指拜耳法和烧结法两个系统平行配置,拜耳法处理高品位矿石(A/S>8),烧结法系统处理低品位矿石(A/S在3左右),烧结法系统的精液并入拜耳法系统,以补偿生产过程中的苛性钠损失。根据并联法生产氧化铝的工艺特点,其铝硅分离的实现是通过两条途径,一是拜耳法生产系统中以硅渣的形式脱除一部分硅,但硅渣会带来一定量的氧化铝损失;另一部分是烧结法系统中以原硅酸钙形式脱除。因而氧化铝的总回收率相对较低。

串联法生产氧化铝是指拜耳法和烧结法两个系统先后配置。先将矿石用拜耳法处理,提取大部分氧化铝,拜耳法赤泥用烧结法处理,进一步提取氧化铝并回收碱。所以,串联法工艺中硅全部是以原硅酸钙形式从烧结法系统中脱除,而且不带来氧化铝的损失,氧化铝的总回收率高。

混联法是将拜耳法和同时处理拜耳法赤泥与低品位铝土矿的烧结法结合起来生产氧化铝的方法。高品位的矿石先用拜耳法处理,再在大部分氧化铝已被回收后的赤泥中配加一部分低品位的矿石用烧结法处理。与串联法一样,混联法工艺中硅也全部是以原硅酸钙形式从烧结法系统中脱除,基本上没有氧化铝的损失。

112　基于提高矿石铝硅比的铝硅分离—预脱硅由于拜耳法生产氧化铝具有生产流程简单、产品质量好、经济效益高等优点,已成为世界上氧化铝生产的最主要方法。特别是随着世界上高压溶出技术的发展和进步,原来不能用作拜耳法生产原料的一水硬铝石型铝土矿在较高的温度下(250～300℃)也能顺利溶出,因此拜耳法工艺便具有了更强的生命力。但拜耳法工艺要获得好的经济效益,要求原料的铝硅比大于8～10。为了能够使铝硅比低于8的这一部分铝土矿也能采用拜耳法工艺来生产氧化铝,人们提出了采用预脱硅的方法来提高矿石的铝硅比,脱硅铝精矿作为拜耳法生产氧化铝的原料。

目前,为降低铝土矿中硅的含量,采取预脱硅来实现铝硅分离的手段主要是通过选矿的方法,即物理选矿铝硅分离、化学选矿铝硅分离等。其中物理选矿铝硅分离法研究得最多,最有前途的方法是浮选法,它又包括正浮选铝硅分离和反浮选铝硅分离。11211　正浮选铝硅分离

铝土矿中有用矿物水铝石(三水铝石和一水铝石)均属氧化矿,脉石矿物属铝硅酸盐,因此铝土矿正浮选铝硅分离是抑制铝硅酸盐矿物,采用阴离子型捕收剂浮选一水铝石或三水铝石。由于铝土矿中水铝石的可浮性好,且世界上对氧化物浮选的研究开展得比较多,采用正浮选来实现铝土矿中铝硅分离的研究也就比较多,国内外都有过许多报道。

在国外,铝土矿的类型主要属三水铝石型,所开展的一些研究工作自然主要集中于这种类型的矿石。

早在30-40年代,美国就采用浮选处理某地铝土矿(A/S=3～8),获得铝硅比10～19的铝土矿精矿,但是存在回收率低的问题,到70年代初,针对含高岭石、石英的三水铝石型铝土矿采用塔尔油、机油和油酸的混合物作捕收剂,调整剂硅酸钠、六偏磷酸盐进行浮选回收三水铝石的研究,但同样因铝土矿精矿的回收率低未获得成功〔3,4〕。

针对矿浆p H的变化对捕收剂在水铝石和铝硅