第四章碱石灰烧结法生产氧化铝
碱-石灰烧结法生产氧化铝的原理(精)
碳酸化分解： •
铝酸钠溶液经脱硅净化处理后，通入二氧 化碳气体进行碳酸化分解，得到晶体氢氧 化铝和主要成分为碳酸钠的碳分母液，可 以循环利用，蒸发后返回再用来配料。
碱-石灰烧结法生产氧化铝的原理
碱-石灰烧结法可以处理铝硅比低的铝土矿 ，但铝硅比如果低于3.5，则会使物料流量 增加，烧结和溶出过程困难，经济和技术 指标大大恶化，所以目前碱一石灰烧结法 处理铝土矿的铝硅比要大于3.5。
•
碱-石灰烧结法生产氧化铝的原理
碱-石灰烧结法基本原理： •
碱-石灰烧结法是由碱、石灰和铝土矿组成 的炉料经过烧结，使炉料中的氧化铝转变 为易溶的铝酸钠，氧化铁转变为易水解的 铁酸钠，氧化硅转变为不溶的原硅酸钙， 氧化钛转变为不溶的钛酸钙，然后用水或 稀碱 (Na2CO3) 溶液对铝酸钠熟料进行溶出 ，得到铝酸钠溶液，将此溶液进行脱硅净 化处理后，往溶液中通入二氧化碳气体进 行碳酸化分解得到氢氧化铝晶体，再经焙 烧脱水得到氧化铝产品。
碱-石灰烧结法生产氧化铝的原理
碱-石灰烧结法核心工序：生料烧结、熟料 溶出、碳酸化分解。 生料烧结：
•
•
烧结得到熟料主要组成：铝酸钠、铁酸钠 、原硅酸钙以及钛酸钙。
碱-石灰烧结法生产氧化铝的原理
熟料溶出： •
•
由铝酸钠、铁酸钠、原硅酸钙、钛酸钙等 组成的熟料在用稀碱溶液溶出。 铝酸钠： 铁酸钠： 原硅酸钙和钛酸钙：原硅酸钙(2CaO· SiO2) 和钛酸钙 (CaO· TiO2) 不溶于水合碱溶液， 全部转入赤泥。
碱石灰烧结法生产氧化铝
Group of Alumina & Ceramics, School of Metallurgical Science and Engineering, CSU
铝酸盐炉料烧结过程
- 主要物理化学反应
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.
9.
Al2O3的行为； SiO2的行为； Fe2O3的行为； Mg O的行为和TiO2的行为； 硫的危害和防治； 氟化物的影响； Na2O· 2O3–Na2O· 2O3 –2CaO · 2系； Al Fe SiO Ca O – Al2O3 –SiO2系;
只有C12A7, CA可被Na2CO3溶解； 只要体系中Na2CO3 的数量足以结合Al2O3 就不会形成铝钙化合物，而只有Na2O· 2O3 Al
铝酸盐炉料烧结过程
- SiO2的行为 • 为达到铝硅分离的目的，SiO2应转变为不含 Al2O3和Na2O，高温下与NA同时稳定存在， 溶出时不与铝酸钠溶液发生显著作用的化合 物； 可能形成的化合物有：
Na2O.Al2O3 2CaO.SiO2
NaAl(OH)4
Na2SiO2(OH)2+含硅化合物沉淀
烧结法生产氧化铝的工艺发展历史
1858年比路易.勒.沙特里提出苏打+矿石的两成分 烧结法; 1880年缪列尔提出苏打+矿石+石灰的三成分烧结法; 1902年帕卡尔德提出烧结法石灰量取决于SiO2量, 并提出钙比为2.0;碱比为2.0; 1897年别列阔夫提出芒硝烧结法;
（铁含量过高，配钙不足时， Al2O3↓， Na2O↓
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氧化铝生产3
石或锐钛矿的形态存在。物相鉴定结果表明，TiO2以
钙钛矿的形态（CaO· TiO2）存在于熟料和溶出渣中。 在熟料溶出时，CaO· TiO2基本上不参与反应。在配 制炉料时，CaO的配入量应该同时满足SiO2和TiO2 所需要的CaO量。
5.碱石灰铝土矿炉料烧结过程反应顺序
• 根据炉料在烧结过程中物相组成的变化，碱石灰铝土 矿炉料烧结过程中反应顺序为：
中灰份的数量及其组成。同时也要考虑硫所造成的碱损失，
铁铝比，这样既有利于熟料烧结成块，同时也利于熟 料窑挂窑皮的操作。生产实践经验表明，炉料铁铝比 在0.07～0.10范围较好。
• （3）碱比、钙比 烧结温度随碱比增大而升高，碱比 为0.9左右时，烧成温度范围变得很窄，不好烧结。
烧结温度随钙比升高而降低，但降低不明显。然而炉
料的碱比和钙比是由保证有用成分的最大溶出率来决 定的。
• 熟料经破碎后，用稀碱溶液在球磨机内进行粉碎湿磨溶 出，使有用成分 Na2O 和 Al2O3 转变为铝酸钠溶液，而原 硅酸钙和氧化铁形成固相赤泥，经过沉降分离，得到铝 酸钠溶液，从而达到有用成分与有害杂质分离的目的。 分离后的赤泥需经过热水充分洗涤后才能排弃，目的是
回收赤泥附液中的Na2O和Al2O3。
• 当Na2CO3、A12O3和Fe2O3同时存在时，在低温下 生成Na2O· Fe2O3的反应占优势，随着温度的升高铁
酸钠相对数量降低，而Na2O· Al2O3的数量增加。当
温度升高到900℃，Al2O3能置换Na2O· Fe2O3中的 Fe2O3生成Na2O· Al2O3。在烧结温度范围内此反应 能进行到底： Na2O· Fe2O3+ Al2O3→Na2O· Al2O3+ Fe2O3
SiO2），造成Na2O和Al2O3的损失。
熟料烧结(一)
熟料烧结（一）
冷却带 从火焰后部到窑头的一带。高温熟料在冷却带由二次空气和窑头漏风冷却， 逐步冷却到1000以下下落到冷却机。 五、熟料窑结构示意图：
熟料烧结（二）之熟料窑系统
烧结温度范围和液相量控制的意义 液相量的出现和控制 在一定的烧结温度下，液相量很少，在该温度时只能使炉料体现有少许收缩，但尚 不能把粉状炉料粘结成颗粒状（叫黄料）。 提高一定温度，出现液相量较少，在凝结时，虽能把粉状炉料粘结成颗粒状，的温度，液相量达到一定的适当量时，才能出现颗粒度均匀，孔隙度大 并有一定机械强度的熟料，叫正烧结料。 又提高一定的温度，液相量较多时，产生的是致密而少孔的，机械强度很大的熟料， 叫过烧结料。 当液相量过多时，就产生坚硬无孔的，所谓熔融熟料。 生产上把产生以上近烧结熟料，正烧结熟料、过烧结熟料所对应的温度，称为近烧 结温度、正烧结温度、过烧结温度。而炉料从近烧结温度到过烧结温度所经过 的温度区间，叫烧结温度范围。一般来说，在炉料正常配方的情况下，近烧结 时液相量为5~~10%，正烧结时液相量为15~~20%，过烧结时液相量为大于 ~~20%以上。
熟料烧结（二）之熟料窑系统
熟料烧结（二）之熟料窑系统
熟料烧结（二）之熟料窑系统
熟料烧结（二）之熟料窑系统
熟料生产工艺流程图：
熟料烧结（二）之熟料窑系统
几个概念： 烘窑 烘窑的目的是什么？ 耐火砖砌好后，在点火开窑前必须烘窑， 使胶泥和耐火砖的水分缓慢的蒸发出来，以加强耐火砖和胶泥之间的结合，同 时可避免耐火砖温度急剧上升和水分剧烈蒸发而引起耐火砖表面爆裂，也防止 机械设备（领圈）因温度急剧升高而涨裂。 挂窑皮 窑皮是物料煅烧后粘附在烧成带耐火砖表面形成的保护层（过烧熟料层）。 它可以防止高温区物料对耐火砖的化学侵蚀和机械磨损，从而可以延长耐火砖 的使用寿命，提高回转窑的运转周期，同时可以增强传热效率，稳定窑的热工 制度，减少散热损失，所以挂好和维护好窑皮是保证优质高产的前提，而挂好 第一层高温窑皮尤为重要。 窑皮形成的机理： ；炉料在回转窑中由窑尾向窑头移动，当进入到分解带前沿时， 在一定温度下开始出现液相，随着温度升高液相量也相应增加，当增加到一定 数量时，炉料有黏结性，物料和耐火砖接触时，由于耐火砖向外散热，液相和 部分炉料就黏结在耐火砖表面而形成第一层窑皮，由于炉料推进，同时形成第 二层窑皮，第二层窑皮黏结后，第一层窑皮因为温度下降而凝固，这个过程继 续下去窑皮愈厚，当厚到一定程度时，由于窑皮的热负荷增加，窑皮表面温度 升高，液相黏度逐渐减小，由于向外冷却困难，液相过热，粘性不足，此时窑 皮就会停止生成。 结圈 炉料烧结过程中，由于液相的出现和凝结，在烧结带前后两端形成了致密而 高于窑皮的结圈称前结圈和后结圈。
碱石灰烧结法生产氧化铝
书山有路勤为径，学海无涯苦作舟碱石灰烧结法生产氧化铝碱石灰烧结法是在铝土矿中配入石灰石（苏打和石灰）、纯碱、碳分母液制备生料浆，生料浆打入窑内在高温下烧结成铝酸钠熟料，用水溶出熟料得铅酸钠溶液，铝酸钠溶液脱硅得精液，通二氧化碳气体分解得氢氧化铝，分解后的母液蒸发后循环使用。
在1200℃下烧结时，铝土矿中的氧化铝与碳酸钠反应生成可溶性的铝酸钠，杂质氧化铁、二氧化硅和二氧化钛分别被烧结生成铁酸钠、原硅酸钙和钛酸钙。
要求烧结所得到的熟料具有适当的强度和可磨性，溶出后的赤泥沉降性好。
用熟料中的氧化铝和苛性碱的标准溶液出率来衡量熟料质量的好坏。
标准溶出率就是指为了使熟料中可溶性氧化铝和苛性碱能全部溶出而不进入泥渣的溶出率，通常要求96%。
优质熟料粒度均匀（大部分30～50mm），堆积密度1.20～1.30，黑灰色。
为此，要求严格的控制生料浆的配制，即铝硅比、铁铝比、碱比、钙比、水分、固定碳含量及干生料的粒度；严格控制绕结温度。
我国采用低碱高钙配方，熟料质量较好。
在用热水溶出铝酸钠时，铁酸钠水解出游离苛性碱。
原硅酸钙和钛酸钙不溶于水，与碱溶液的反应也较弱。
用稀酸溶液溶出时。
可将熟料中的氧化铝和苛性碱溶出，得到铝酸钠溶液，与赤泥中的原硅酸钙、钛酸钙和水合三氧化二铁残渣分离。
如果溶出制度不当，尽管熟料质量好，溶出过程也会因发生一系列二次反应而使溶出来的氧化铝和苛性碱又进入赤泥。
根据低铁熟料的特点，我国研究出低苛性比值在80℃下二段磨料溶出流程，氧化铝和苛性碱的溶出率都达到92%～93%，得到的铝酸钠溶液中含Al2O3 达100g/L。
溶出时由于原硅酸钙与铝酸钠溶液发生二次反应，熟料的溶出液中通常含二氧化硅达4～6g/L，硅量指数仅为20～30，需要进行专门脱硅。
通常在150～170℃下的压煮器中以水合铝硅酸钠形式进行一段脱硅，使硅量指数达400，再进行第二段加石灰常压脱硅（形成。
碱石灰烧结法氧化铝生产工艺
分解母液蒸发——从过程中排除过量的水， 蒸发的循环纯碱溶液用以配制生料浆。
熟料烧结
生料的高温煅烧，制取主要含铝酸钠、铁 酸钠和硅酸二钙的熟料。 熟料烧结的最佳温度条件决定于原料的化 学及矿物组成和生了得配料比。我们在实 验室一般在1350摄氏度。 烧结完成后要磨料，磨成一定粒度的熟料。 再做下一步实验。
熟料溶出
溶出是为了使熟料中的铝酸钠转入溶液， 分离和洗涤不溶性残渣（赤泥）。 溶出：称10g熟料和碳酸钠溶液装到三口烧 瓶中，在80度条件的恒温水浴中，搅拌桨 以一定速度搅拌，溶出30min。 成分分析：全碱浓度、苛碱浓度、AO浓度、 吸光度测S
在溶出过程中，由于原硅酸钙引起的二次 反应，在溶出液中有不少的SiO2，使成品氧 化铝的质量低于规范要求。 通过测溶液的吸光度算出其硅含量。 脱硅过程实质就是是其中的SiO2转变成浓 度小的化合物沉淀析出。 脱硅法一：使SiO2成为含水铝硅酸钠析出。 脱硅法二：使SiO2成为水化石榴石析出。
烧结法的原理
用碳酸钠和石灰石按一定比例与铝土矿烧 结，可以很大程度上减轻Si2O的危害，使 Al2O3和Na2O的损失大大减少，这样就形成 了碱石灰烧结法。在处理高硅铝矿是，比 拜耳法优越。 中国现在的铝土矿品味很差，碱石灰烧结 法有很大的应用前景。
烧结法的基本流程
碱石灰烧结法生产氧化铝工艺设计
冶金工程专业课程设计题目：碱石灰烧结法生产氧化铝工艺设计班级：学号：姓名：2010年7月目录第一章碱石灰烧结法生产氧化铝设计任务及分析.................................................. - 3 -1.1铝土矿的组成及其物理化学性质..................................................................................................... - 3 -1.1.1主要含铝矿物.............................................................................................................................. - 3 -1.1.2铝土矿的物理化学性质.............................................................................................................. - 4 -1.1.3.我国铝土矿资源现状.................................................................................................................. - 4 -1.1.4其他铝矿及含铝资源.................................................................................................................. - 4 - 1.2碱石灰烧结法生产氧化铝工艺设计任务......................................................................................... - 5 - 1.3 烧结法生产氧化流程工艺分析........................................................................................................ - 5 -1.3.1碱石灰烧结法特点及技术现状.................................................................................................. - 5 -1.3.2碱石灰烧结法流程概况.............................................................................................................. - 5 - 第二章组织与分工....................................................................................................................... - 7 -2.1 项目组织 ........................................................................................................................................... - 7 - 2.2 分工 ................................................................................................................................................... - 7 -第三章课程设计正文.................................................................................................................. - 8 -3.1 总体设计方案 ................................................................................................................................... - 8 -3.1.1烧结过程工艺.............................................................................................................................. - 8 -3.1.2溶出工艺 ................................................................................................................................... - 10 -3.1.3脱硅工艺 ................................................................................................................................... - 13 -3.1.4铝酸钠溶液的碳酸化分解........................................................................................................ - 16 -3.1.5烧结法的改进途径.................................................................................................................... - 17 - 3.2工艺流程图 ...................................................................................................................................... - 18 - 3.3参考文献 .......................................................................................................................................... - 19 -第一章碱石灰烧结法生产氧化铝设计任务及分析1.1铝土矿的组成及其物理化学性质1.1.1主要含铝矿物铝土矿是目前氧化铝生产中最主要的矿石资源,世界上95%以上的氧化铝是使用铝土矿生产出来的.其主要的含铝矿物为三水铝石、一水软铝石和一水硬铝石。
氧化铝生产的基本方法
从矿山胶带输送机送来的铝土矿直接进入预均化堆场，由堆料机纵向分层平铺于堆场，取料机从横向端面取料，以完成铝土矿均化过程。
本工序设置1条均化堆场，采用长条形双料堆，料堆293m，储量为59000t,储存天数为13天。保证堆取料机运行线路的畅通，对堆、取料机每三个月进行一次小修，每六个月进行一次大修。
中 间 状
≤44μm的粒级含量/%
20～50
10
10～20
平均直径/μm
50
80～100
50～80
安息角/(˙)
＞ 45
30～35
30～40
比表面积/(m2/g)
＜ 5
＞35
＞35
密度/(g/m3)
3.90
≤3.70
≤3.70
堆积密度/(g/m3)
0.95
＞0.85
0.85＞
四、氧化铝厂方案比较
生产规模及产品方案
石灰 铝矿石 石灰石 纯碱
第一赤泥及附液
煤
灰
洗液
洗液
热水
CO2
循环碱液
结晶碳酸钠
硅渣及附液
热水
弃赤泥
蒸汽
晶种及附液
分解母液
热水
洗涤液 热水
成品氢氧化铝
去配料
三、电解炼铝对氧化铝的质量要求
电解炼铝对氧化铝的质量要求：
1)、氧化铝的纯度；
2）、氧化铝的物理性质。
氧化铝的纯度是影响原铝质量的主要因素，同时也影响电解过程的技术经济指标。
1、氧化铝中含有更正电性元素的氧化物Fe2O3、SiO2、TiO2、V2O5等，这些元素在电解过程中将首先在阴极上析出而使铝的质量降低，同时，电解质中含有磷、钒、钛、铁等杂质，还会使电流效率降低。
烧结法生产氧化铝
总述 拜尔法只适宜处理优质铝土矿，这是由于原理决定的。随着优质矿石的减少和 矿石品位的降低，烧结法的优势渐渐显露出来。特别是处理高硅铝土矿更 加行之有效，因为矿石中的二氧化硅主要转变为原硅酸钙。特别是处理我 国独特的一水硬铝石。可以获得较低的碱耗和较高的铝氧回收率。 分述 （一）烧结法生产氧化铝的工艺流程图（下页） 烧结法生产氧化铝的基本原理 : 将铝土矿与一定数量的纯碱、石灰（或石灰 石）、配成炉料在高温下进行烧结，使氧化硅与石灰化合成不溶于水的原 硅酸钙，氧化铝与纯碱化合成可溶于水的固体铝酸钠，而氧化铁与纯碱化 合成可以水解的铁酸钠，将烧结产物（熟料）用稀碱溶液溶出时固体铝酸 钠便进入溶液，铁酸钠水解放出碱，氧化铁以水合物与原硅酸钙一道进入 赤泥。在用二氧化碳分解铝酸钠溶液便可以析出氢氧化铝，经过培烧后产 出氧化铝。分离AH后的母液成为碳分母液经过蒸发后返回配料。所以烧结 法的碱也是循环使用的。
烧结法生产氧化铝
粗液脱硅 熟料溶出过程中，原硅酸钙不可避免的与溶液发生反应，造成粗液中会有 5~6G/L的SIO2，这部分杂质将影响成品氧化铝的质量。为了保证产品质量，粗液必 须进行专门的脱硅处理，制成精液，使其中的SIO2含量降到0.2以下。脱硅后的固体 产物称硅渣。硅渣及其附液中含有相当数量的有用成分，所以要返回配料加以回收。 精液碳分 是在碳酸化分解槽中进行的，连续不断的往其中通入二氧化碳气体，可以 使铝酸钠溶液分解析出AH，生产上称碳酸化分解，有部分精液要添加种子进行晶种分 解，以制得种分母液，来提高精液的苛性化系数。 AH分离和洗涤 分解后的AH浆液送去沉降分离，并按颗粒大小进行分级，细颗粒做 晶种，粗颗粒经过洗涤后送去烧制AH。分离后的母液（有种分和碳分）送去蒸发浓缩。 返回配料。 AH焙烧 AH还有部分附着水和结晶水，在循环炉内经过高温脱水并进行一系列的晶 型转变，制得AO。 母液蒸发 是将分离后的母液（有种分和碳分），在这里称为蒸发原液经过蒸发器浓 缩为符合配料要求的蒸发母液。返回配料使用，在蒸发的过程中，又浓缩了流程中的 水分，是液量保持了平衡，避免了生产中液产氧化铝的工艺流程图：
【课件】氧化铝生产设备(第4章-煅烧及附属机械-第1节-石灰炉)
第四章 煅烧及附属机械
第一节 石灰炉
概述
工艺流程
第四章 煅烧及附属机械
第一节 石灰炉
结构及技术性能
竖式石灰炉可分为卷扬系统、炉顶部分、炉体部分、炉底部分和供风系统。
卷扬系统： 卷扬机架是型钢焊制的桁架，机架内有轨道。卷扬吊斗在轨道山依靠四个滚轮运 行。卷扬机收绳是，调度上升，到顶后吊斗倾倒将物料倒入种帽内。松绳后，吊 斗退回加料室，按比例将物料称量加入料斗。 卷扬机：
第四章 煅烧及附属机械
第一节 石灰炉
结构及技术性能
炉顶部分：
炉顶上有加料和CO2气体排出两部分。炉顶 有一个外罩，罩的中部为圆柱体，在卷扬机 架的方向有一孔洞。外罩底部有一个钟帽， 这个钟帽外面由一个固定支架支承固定着， 支架下面有电动回转装置。料块按布料器导 板规定方位下料，保证均匀。 卷扬机提升上来的斗子将料块倾倒在钟帽内， 钟帽中央有一圆孔，孔内有钟形阀门。当钟 形阀门向下是，料块顺圆孔向下落经过布料 器导板规定方位落在炉内料层上。外罩顶部 是一个截头圆锥体。炉顶还有一孔在炉顶边 上，CO2由此抽出送洗涤塔。
第四章 煅烧及附属机械
第一节 石灰炉
结构及技术性能
炉底部分：
炉底有螺锥式塔盘卸料机，结构是由电动机通过联轴器和减速机连接，通过二级 链传动带动小圆锥齿轮和塔盘底面的大圆锥齿轮啮合传动，螺锥式塔盘回转缓慢 地将烧成的石灰转入出灰口后，经星形出灰机旋转将料排出。
螺锥顶部有出风管，出风管顶部有风帽，防止物料堵塞出风管。
第四章 煅烧及附属机械
第一节 石灰炉
概述
石灰炉是一台高温煅烧设备。操作环境恶劣，粉尘多，温度高，清理工作量大。
CO2气体的输送通过压缩机的压送进行，CO2由石灰炉抽出后送洗涤塔洗涤，再 送往压缩机，压送分解工序。CO2的洗涤效果对压缩机的运转周期影响很大， CO2气体杂质多水份高进入压缩机后非常容易堵塞吸、排气阀，并腐蚀设备。
铝土矿是如何变成氧化铝的？
铝土矿是如何变成氧化铝的？铝土矿实际上是指工业上能利用的，以三水铝石、一水软铝石或一水硬铝石为主要矿物所组成的矿石的统称。
铝土矿是目前氧化铝生产中最主要的矿石资源，世界上99%以上的氧化铝是用铝土矿为原料生产的。
由铝土矿生产氧化铝方法大致可分为四类，即碱法、酸法、酸碱联合法和热法。
但目前用于工业生产的几乎全属于碱法。
本文将为大家简单介绍这四种氧化铝的生产方法，碱法中拜耳法应用最为广泛，因此本文对拜耳法工艺作了较为详细的叙述。
一、碱法碱法工艺流程文字说明：碱法生产氧化铝，是用碱（NaOH或Na2CO3）来处理铝矿石，使铝矿石中的氧化铝转变成铝酸钠溶液。
矿石中的铁、钛等杂质和绝大部分的硅则形成不溶解的化合物，将不溶解的残渣（常含有大量氧化铁，呈红色，习惯上称为赤泥。
）与溶液分离，经洗涤后弃去或综合利用，以回收其中的有用组分。
纯净的铝酸纳溶液在合适的条件下分解析出氢氧化铝，经与母液分离、洗涤后进行焙烧，得到氧化铝产品。
分解母液可循环使用，处理另一批矿石。
碱法生产氧化铝又分为拜耳法、烧结法和拜耳法-烧结法联合法等多种流程。
1拜耳法拜耳法是一种工业上广泛使用的从铝土矿生产氧化铝的化工过程。
由K.J.Bayer于1889-1892年提出的，一百多年来它已经有了许多改进。
它适用于处理低硅铝矿，尤其是在处理三水型铝土矿时，具有流程简单，作业方便，产品质量高，经济效益高等特点。
拜耳法基本原理：用浓氢氧化钠溶液将铝土矿中的氧化铝水合物转化为铝酸钠，通过稀释和添加氢氧化铝晶种使氢氧化铝重新析出，剩余的铝酸钠溶液也叫母液重新用于处理下一批铝土矿，实现了连续化生产。
下图为拜耳法生产氧化铝的基本工艺流程图，每个工厂由于条件不同，可能采用的工艺流程会稍有不同，但原则上它们没有本质的区别。
从拜耳法生产的基本工艺流程，可以把整个生产过程大致分为如下主要的生产工序：原矿浆制备、高压溶出、溶出矿浆的稀释及赤泥的分离和洗涤、晶种分解、氢氧化铝分级与洗涤、氢氧化铝焙烧、母液蒸发及一水苏打苛化等，具体流程如下图所示。
第四章碱石灰烧结法生产氧化铝
ΔG=148.06+0.00544TlnT-0.0205T, kJ/mol
形成条件：
1. 温度：500~700℃开始，800℃完全，升温 加速，1100℃1小时内完成； 2. [Na2CO3]/[Al2O3] ≧1
（过量的Na2CO3不分解）
铝酸盐炉料烧结过程
- 主要物理化学反应 1. Al2O3的行为；
2.
3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.
SiO2的行为；
Fe2O3的行为； MgO的行为和TiO2的行为； 硫的危害和防治； 氟化物的影响； Na2O· 2O3–Na2O· 2O3 –2CaO · 2系； Al Fe SiO CaO – Al2O3 –SiO2系; 机理和影响因素
碱石灰烧结法的基本流程
基本流程的工艺过程和条件(九个工序，六个比)： 九个工序：生料浆制备；熟料烧结；熟料溶出；赤 泥分离及洗涤；粗液脱硅；精液碳酸化分解；氢氧
化铝分离与洗涤；氢氧化铝的煅烧；分解母液蒸发
浓缩 六个比：碱比(Na2CO3/Al2O3+Fe2O3)；钙比 (CaO/SiO2)；铝硅比(A/S)；铁铝比(F/A)；生料浆液 固比；溶出液固比
1916年提出石灰石+矿石的两成分烧结法;
1936-1940年前苏联科学家对烧结法进行了完善和改 进,日臻成熟。
Al2O3
NaOH
NaAl(OH)4
SiO2 Bayer法铝硅分离
Al2O3
NaOH or Na2CO3+CaO
Na2SiO2(OH)2+含硅化合物沉淀
Na2O.Al2O3 2CaO.SiO2
铝酸盐炉料烧结过程
氧化铝-烧结法
Al2 3. 从水化石 3Ca(OH)2+2NaAl(OH)4+xNa2SiO3+aq=3CaO· O3· xSiO2· yH2O+2(1+x)NaOH+aq 榴石中回 收氧化铝
烧结法
1. 不加石灰 的脱硅过 程
4 铝酸钠溶液脱硅
二段脱硅得到的水化石榴石渣中含 Al2O3量约为26％。采用碳酸钠溶液来 提取其中的Al2O3较为合适。
（1）排除流程中的多余水份，保持循环系统的水
量平衡；
（2）使母液蒸浓到符合铝土矿脱硅（种分母液）
或配制生料浆（碳分母液）的浓度要求；
（3）排除生产过程积累的杂质。
脱硫措施
3. 烧结过程工 艺 4. 影响熟料的 主要因素
另外还发生副反应
烧结法
1. 熟料烧结主
要反应 2. 烧结过程中
2 熟料烧结
硫对氧化铝生产造成的危害
（1）生料中含有的硫能使碱耗增加。
（2）熟料中的Na2SO4升高对大窑操作带来 硫的行为和 困难。
脱硫措施
3. 烧结过程工 （3）母液中Na2SO4含量升高给蒸发操作带
1. 熟料溶出的 主要反应
3 熟料溶出
溶出过程中的二次反应
2. 溶出时原硅 酸钙的行为 和二次反应 3. 熟料溶出工 艺
2CaO· SiO2+2NaOH=Na2SiO3+2Ca(OH)2↓ 2CaO· SiO2+2Na2CO3+aq=Na2SiO3+2NaO H+2CaCO3↓+aq 3Ca(OH)2+2NaAl(OH)4+aq=3CaO· Al2O3· 6 H2O+2NaOH+aq 3CaO· Al2O3· 6H2O+xNa2SiO3+aq=3CaO· Al 2O3· x SiO2· yH2O+2xNaOH+aq 3Ca(OH)2+NaAl(OH)4+xNa2SiO3+aq=3Ca O· Al2O3· xSiO2· yH2O+2(x+1)NaOH+aq
碱石灰法生产氧化铝的工艺流程
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拜耳法是德国化学家拜耳于1897年发明的一种从铝土矿中提取氧化铝的方法。
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碱石灰烧结法的基本流程
几个关键：
溶出时发生二次反应——铝的溶出率降低(应避免)
溶出后液固的快速分离与沉降 铝酸钠溶液的脱硅——两次脱硅 铝酸钠溶液的碳酸化分解——槽液的成分与碳酸化 程度；分解温度
蒸发与调整液的配置——蒸发是一水碳酸钠大量结
晶(影响热量传递) AH的煅烧——清洁高热量利用
SiO2
NaAl(OH)4 Na2SiO2(OH)2+含硅化合物沉淀
Sinter法铝硅分离
碱石灰烧结法生产氧化铝
① 碱石灰烧结法的原理和基本流程
② 铝酸盐炉料烧结过程物理化学反应
③ 铝酸盐炉料烧结过程的工艺
④ 铝酸盐熟料的溶出
⑤ 铝酸钠溶液的脱硅
⑥ 铝酸钠溶液的碳酸化分解
1. 碱石灰烧结法的原理和基本流程
反应：
Al2O3+Na2CO3→Na2O· Al2O3+CO2↑
ΔG=148.06+0.00544TlnT-0.0205T, kJ/mol
形成条件：
1. 温度：500~700℃开始，800℃完全，升温 加速，1100℃1小时内完成； 2. [Na2CO3]/[Al2O3] ≧1
（过量的Na2CO3不分解）
带走的有用成分AO和NO，将赤泥进行多次反向洗涤
再排入堆场。
碱石灰烧结法的基本流程
-工艺过程简述
粗液脱硅： 熟料溶出过程中，原硅酸钙不可避免的与溶液发
生反应，造成粗液中会有5~6 g/L的SiO2，这部分杂质将影响
成品氧化铝的质量。为了保证产品质量，粗液必须进行专门 脱硅处理，制成精液，使其中SiO2的含量降到0.2 g/L以下。
碱石灰烧结法的基本流程
-工艺过程简述
生料浆制备： 将铝土矿、石灰或石灰石、碱粉、无烟煤以
及碳分母液按一定的比例，送入原料磨中磨制成生料浆，经
过料浆槽的三次调配成各项指标合格的生料浆，送熟料窑烧 结。配料是基础，同时为了消除流程中S的危害，配有一定
数量的无烟煤。
熟料烧结： 配合格的生料浆送入熟料窑内，在1200~1300℃ 的高温下发生一系列的物理化学变化，主要使氧化铝与纯碱 化合成可溶于水的固体铝酸钠，而氧化铁与纯碱化合成可以 水解的铁酸钠，其它杂质化合成不溶性的盐，并且烧至部分 熔融，冷却后成外观为黑灰色的颗粒状物料即熟料。
铝酸盐炉料烧结过程
- 基本概念
熟料折合比
1吨氧化铝产品的熟料量
标准溶出率
AO和Na2O在最好的溶出条件下，溶出后不再损失的溶出率
熟料质量评价
标准溶出率，熟料的物理化学性能，容重，块度，S2-含量
烧结过程的重要性
车间投资1/3，成本1/2，能耗>1/2
铝酸盐炉料烧结过程
- 熟料质评标准 标准溶出率是评价熟料质量最主要的指标，烧结法厂要 求熟料中A标 >96%，N标 >97% ，联合法厂相应为93.5%和 95.5%。 除此之外，熟料的容重、块度和二价硫S2-的含量也是判 断熟料质量的标准。熟料的堆积密度和粒度反映着烧结强度 和气孔率。堆积密度是用粒度为3~10 mm的熟料测定的，其值 应为1.20~1.30(烧结法厂)或1.2~1.45(联合法厂)。熟料粒度应 该均匀，大块的出现常是烧结温度太高的标志，而粉末太多 则是欠烧的结果。熟料大部份应为30~50 mm, 呈灰黑色，无熔 结或夹带欠烧料的现象。这样的熟料不仅溶出率高，可磨性 良好，而且溶出后的赤泥也具有较好的沉降性能。
铝酸盐炉料烧结过程
- 主要物理化学反应 1. Al2O3的行为；
2.
3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.
SiO2的行为；
Fe2O3的行为； MgO的行为和TiO2的行为； 硫的危害和防治； 氟化物的影响； Na2O· Al2O3–Na2O· Fe2O3 –2CaO · SiO2系； CaO – Al2O3 –SiO2系; 机理和影响因素
铝酸盐炉料烧结过程
- 主要物理化学反应
总体目标:
1. Al2O3 Na2O· Al2O3 +aq→NaAl(OH)4+aq 2. Fe2O3 Na2O· Fe2O3 +aq→NaOH+Fe2O3↓+aq 3. SiO2 4. TiO2 2CaO· SiO2 +aq→× CaO· TiO2 +aq→×
2. 铝酸盐炉料烧结过程的物理化学反应
-烧结过程的目的与要求
烧结过程是烧结法的核心环节。原料经烧结ห้องสมุดไป่ตู้
过程制成熟料。烧结过程的主要目的在于将生料
中的Al2O3尽可能完全地转变成可溶性的铝酸钠，
氧化铁转变为铁酸钠，而杂质SiO2, TiO2转变为不 溶性的原硅酸钙和钛酸钙。烧结过程所得到的熟 料在化学成分、物相和组织上都应符合一定的要 求，具有适当的粒度、强度、气孔率和可磨性。
酸钙一道进入赤泥。再用二氧化碳分解铝酸钠溶液便可以析出氢
氧化铝，经过焙烧后产出氧化铝。分离AH后的母液成为碳分母 液，经过蒸发后返回配料。所以烧结法的碱也是循环使用的。
碱石灰烧结法的原理
综上： 高温焙烧把铝土矿中的Al2O3与加入的纯碱Na2CO3反应形 成易溶于水或稀碱的固体铝酸钠(Na2O· Al2O3)，同时使杂 质硅、铁、钛等生成原硅酸钙(2CaO· SiO2)、铁酸钠
铝酸盐炉料烧结过程
- Al2O3的行为
烧结过程可能存在的含Al2O3物相：
1. Na2O· Al2O3;
2. 0.6Na2O· Al2O3;
3. Na2O· 11Al2O3; (–Al2O3) 4. C3A5 (CA2), C3A, C12A7, CA (高温)
铝酸盐炉料烧结过程
- Na2O· Al2O3 的形成
碱石灰烧结法原理
将铝土矿与一定数量的纯碱、石灰(或石灰石)配成炉料在高
温下进行烧结，是氧化硅与石灰化合成不溶于水的原硅酸钙，氧 化铝与纯碱化合成可溶于水的固体铝酸钠，而氧化铁与纯碱化合 成可以水解的铁酸钠，将烧结产物(熟料)用稀碱溶液溶出时固体 铝酸钠便进入溶液，铁酸钠水解放出碱，氧化铁以水合物与原硅
有效的鉴别。
铝酸盐炉料烧结过程
- 主要物理化学反应 进入湿磨工序的物料有铝土矿、苏打、石灰、硅渣、 无烟煤以及蒸发浓缩后的碳分母液。这些物料的矿物成份 是很复杂的，它包括有一水铝石、高岭石、赤铁矿、金红
石、方钠石、水化石榴石、碳酸钙、氧化钙、碳酸钠以及
硫酸钠等等。在高温下，它们朝着在此条件下的平衡物相 转化。反应的平衡产物和同条件下的单体氧化物得到的平 衡物相是一致的，达到相同的热力学稳定状态。因此当烧 结反应充分进行时，可以把炉料看成是由Na2O, K2O, CaO, A12O3, Fe2O3, SiO2, TiO2等单体氧化物组成的体系。
Chongqing University of Science and Technology
第4章 碱石灰烧结法 生产氧化铝
碱石灰烧结法生产氧化铝
烧结法存在的原因：
拜耳法虽然流程简单，能耗低，质量好。但受矿
石品质的限制：只能处理优质铝土矿，矿石A/S
要高，这是由原理所决定的。随着优质矿石的减
少以及矿石品位的降低，烧结法优势渐显； 烧结法可处理硅酸盐矿石；要求铝土矿的品位不 高。特别是处理我国独特的一水硬铝石，可以获 得较低的碱耗和较高的铝氧回收率。
碱石灰烧结法的基本流程
-工艺过程简述
熟料溶出：熟料经过破碎达到要求的粒度后，用稀碱 液(生产上称为调整液)在湿磨内进行粉碎性溶出，有用 成分AO和NO转入溶液，成为铝酸钠溶液，而杂质Fe 、Ca、Ti、SiO2则转入赤泥。 赤泥分离与洗涤： 为了减少溶出过程中的化学损失， 赤泥和铝酸钠溶液必须快速分离，为了回收赤泥溶液
脱硅后的固体产物称为硅渣。硅渣及其附液中含有相当数量
的有用成分，所以要返回配料加以回收。 精液碳分： 在碳酸化分解槽中进行，连续不断的往其中溶入 二氧化碳气体，可以是铝酸钠溶液分解析出AH，生产上称碳 酸化分解，有部分精液要添加种子进行晶种分解，以制得种 分母液，来提高精液的苛性化系数。
碱石灰烧结法的基本流程
铝酸盐炉料烧结过程
- 0.6Na2O· Al2O3 的形成
中性或弱氧化性气氛下可能制得 0.6Na2O· Al2O3, 而在强氧化性气氛中 只能获得Na2O· Al2O3
铝酸盐炉料烧结过程
性质: 反应:
11 Na2O· Al2O3 → Na2O· 11Al2O3 (–Fe2O3)+ 10Na2O↑ - β–Al2O3的形成
1916年提出石灰石+矿石的两成分烧结法;
1936-1940年前苏联科学家对烧结法进行了完善和改 进,日臻成熟。
Al2O3
NaOH
NaAl(OH)4
SiO2 Bayer法铝硅分离
Al2O3
NaOH or Na2CO3+CaO
Na2SiO2(OH)2+含硅化合物沉淀
Na2O.Al2O3 2CaO.SiO2
不溶于水及稀碱溶液
形成条件:
>1300℃
1. 温度高于1300℃, 发生上述反应; 2. [Na2CO3]/[Al2O3] ＜1, Na2O不足以和全部Al2O3 形成 Na2O· Al2O3 ; 3. 温度升高和有还原剂存在时加剧
氧化铝溶出率降低
铝酸盐炉料烧结过程
- 铝钙化合物的形成
同时制备铝酸钠和铝酸钙的炉料烧结过程不合 理, 因两种物质溶出制度大不相同。
碱石灰烧结法的基本流程
基本流程的工艺过程和条件(九个工序，六个比)： 九个工序：生料浆制备；熟料烧结；熟料溶出；赤 泥分离及洗涤；粗液脱硅；精液碳酸化分解；氢氧
化铝分离与洗涤；氢氧化铝的煅烧；分解母液蒸发