拜耳法的原理和基本流程1

3.2.3 含铁矿物在溶出过程中的行为
铝土矿中含铁的矿物有氧化物、硫化物、硫
酸盐、碳酸盐以及硅酸盐。最常见的是氧化物，
其中包括赤铁矿α–Fe2O3、水赤铁矿α–Fe2O3· aq、
针铁矿α–FeOOH和水针铁矿α–FeOOH· aq、纤铁
矿γ–FeOOH、褐铁矿Fe2O3· nH2O、铁胶以及磁
铁矿FeO· 2O3和磁赤铁矿γ-Fe2O3。 Fe
回顾：
氧化铝的主要生产方法：碱法、酸法、 酸碱联合法、热法
碱处理
铝土矿
铝酸钠溶液 分解 煅烧
Al2O3
Al(OH)3
第三章 拜耳法生产氧化铝
3.1 拜耳法原理和基本流程
3.1.1拜耳法的基本原理和实质
拜耳法是澳大利亚化学家拜耳（Karl Josef Bayer） 在1889~1892年间所发明的。拜耳法用在处理低硅铝土 矿，特别是处理三水铝石型铝土矿时，流程简单、产 品质量好，因而得到广泛的应用。
到矿物表面上来，使反应继续进行。
3.2.9 影响铝土矿溶出过程的因素
• 1．溶出温度
• 2．循环母液碱浓度及苛性比值
• 3．矿石磨细的程度
• 4．石灰添加量
• 5. 搅拌强度
3.3
赤泥的分离与洗涤
• 3.3.1 铝酸钠浆液的稀释 • 从自蒸发器出来的浆液，其Na2O浓度常在200～25 0g／L之间，用赤泥洗液将其稀释的作用为： 1.低铝酸钠溶出液的浓度，便于晶种分解， 2.铝酸钠溶液进一步脱硅， 3.便于赤泥分离， 4.有利于沉降槽的操作。
黄铁矿对设备的危害：硫在铝酸钠溶液中 的积累对大部分工序产生不利，使钢质设备加 快腐蚀。
3.2.4 TiO2在溶出过程中的行为
TiO2在铝土矿中通常以金红石、锐钛矿和 板钛矿的形态存在。TiO2只在Al2O3含量未达 到饱和的铝酸钠溶液中才能与NaOH相互作用 产生钛酸钠。
• 危害 在拜耳法生产中，TiO2是很有害的杂质，它 引起Na2O的损失和Al2O3溶出率的降低。特别是在 原矿浆预热器和压煮器的加热表面生成钛结疤， 增加热能的消耗和清理工作量。 • 消除方法 铝土矿溶出时添加石灰是减少和消除TiO2危 害的有效措施。
2O3和Na2O的损失。
• 对设备的危害
在高压溶出过程中，由于SiO2进入溶液后又逐渐成 为水合铝硅酸钠析出，使得热交换器、压煮器及管道结 垢，传热系数严重下降。
因此，当处理氧化硅含量较高，而且以高岭石或其
他易溶矿物存在的铝土矿时，在生产中常将原矿浆进行 预脱硅作业。它是在100℃左右将原矿浆长时间搅拌， 使大部分SiO2在原矿浆溶出之前的预热阶段成为水合铝 硅酸钠结晶析出。从而减轻预热器、压煮器的结垢程度 和清理频率。
3.2.5 含钙、镁的矿物在溶出过程中的行为
在铝土矿中有少量的方解石CaCO3和白云石
CaCO3· MgCO3。碳酸盐是铝土矿中常见的有害 杂质它们在碱溶液中容易分解，使苛性钠转变 为碳酸钠。
3.2.6 有机物和某些微量杂质在溶出过程中的行为
有机物可以分为腐植酸及沥青两大类。后者 实际上不溶解于碱溶液，全部随同赤泥排出。腐 植酸类的有机物与碱作用生成各种腐植酸钠，然 后逐渐转变为易溶的草酸钠（Na2C2O4 ）或蚁酸钠， 在流程中循环积累，使溶液粘度显著升高，容易 产出泡沫。溶液中的有机物对铝土矿的湿磨，赤
• 拜耳法的实质就是使下一反应在不同的条件下朝 不同的方向交替进行：
溶出 >140 ℃ Al2O3(1或3)H2O+2NaOH(aq)====2NaAl(OH)4(aq) 分解 <70℃
• 首先是在高温下在压煮器中以NaOH溶液溶出 铝土矿，将其中氧化铝水合物溶浸出来；使反 应向右进行，得到铝酸钠溶液，杂质则进入残 渣中。往彻底分离赤泥后的铝酸钠溶液中添加 晶种，在不断搅拌的条件下进行晶种分解，使 反应向左进行析出氢氧化铝。分解后的母液 （循环母液）再返回用以溶出下一批矿石。氢 氧化铝经煅烧后便得到产品氧化铝。
3.1.2．拜耳法的基本流程
补充 苛性碱
铝土矿
破碎 石灰 石灰乳 苛化 蒸发母液 母液 蒸发 溶解
湿磨 溶出
溶出矿浆 稀释 稀释浆液 沉降分离 粗液 叶滤 精液 稠浓赤泥浆 热水 赤泥洗涤
晶种分解
氢氧化铝浆液 沉降分离 晶种
氢氧化铝 洗涤 氢氧化铝
分离 Na2CO3· 2O结晶 H
洗液
煅烧
氧化铝
赤泥
所有含硅矿物与铝酸钠溶液反应后，都有SiO2 进入溶液。以高岭石为例，它与铝酸钠母液发生 如下反应：
Al2O3· 2SiO2· 2O+6NaOH(aq) 2H ==2NaAl(OH)4+2Na2SiO3(aq)
反应生成的铝酸钠和硅酸钠都进入溶液。当 硅酸钠浓度达到最大值（2-10g/L）之后，两者相
Al2O3,% 25 (质量) 20 15 10 C 60℃ B’ B A
200℃ αk=1.65
30℃
αk=3.40
5
0 5
D ’ D 10 15 20 25 30 35 40 45 Na2O %(质量)
• 从以上的分析可见，在拜耳法生产氧化铝的过 程中，最重要的是在不同的工序控制一定的溶
液组成和温度，使溶液具有适当的稳定性。
aq
• 三水铝石典型的主要溶出条件： 溶出温度 溶出压力 溶出碱浓度 140～145℃ 4kg/cm2 120～140g/L
溶出后液苛性比（α）
1.50～1.65
一水铝石溶出反应方程式：
AlOOH NaOH H 2 O 2NaAl(OH)
200 C 4
• 也可写为
AlOOH NaOH NaAlO
2
H 2O
• 一水软铝石的主要溶出条件： 溶出温度 200～240℃
溶出压力
溶出碱浓度 溶出后液苛性比（α）
12～34kg/cm2
140～240g/L 1.5～1.75
• 对于一水铝石和一水硬铝石型铝土矿： 其溶出条件主要取决于一水硬铝石的含量，当以一水硬铝石 形态存在的三氧化二铝含量在5%以上时，实际上上必须采取适 宜于一水硬石溶出的条件，这样才能保证得到满意的三氧化二 铝溶出率。
铝。氢氧化铝与母液分离后，洗净煅烧即得成品氧化铝。
母液和洗液通过蒸发浓缩。在蒸发时有一定数量的 Na2CO3· 2O从母液结晶析出。将其分离出来用Ca(OH)2 H 苛化成NaOH溶液与蒸发母液一同送往湿磨配料。
3.2 铝土矿溶出过程的化学反应
3.2.1 氧化铝水合物在溶出过程中的行为、
溶剂：循环母液中的主要成分有：NaOH、NaAlO2、 Na2CO3、 Na2SO4等。 Al2O3(1或3)H2O+2NaOH(aq)==2NaAlO2(aq)
1 E
0 .6 0 8
由此可见，溶出时循环母液的α1愈大，溶出
液的α2愈小，循环效率愈高，而生产1吨氧化铝
所需的循环碱量越小。 在实际生产中存在碱的损失，因此循环母液
中的碱含量应等于（ N
N损
1 1 2
）
3.1.2．拜耳法的基本流程
步骤： 溶出：得到铝酸钠溶液，使氧化铝与杂质分离 稀释：降低铝酸钠溶液的浓度，便于晶种分解，便于赤 泥分离 分解：使铝酸钠溶液中的氧化铝以氢氧化铝的形式析出 蒸发：排出多余的水分，保持水量平衡，使蒸发母液达 到浓度要求 煅烧：除去氢氧化铝的附着水和结晶水，并得到吸湿性 较差的氧化铝以满足电解需求。
• 溶出的目的 在于将其矿石中的氧化铝充分溶解成为铝酸钠溶液 而与其它杂质分离。 溶出条件与方式：由于氧化铝在铝土矿中的存在形 态不同所以要求的溶出条件也不相同。 溶出方式通常是在加压的情况下进行的，所以称为 “高压溶出”。 不同状态的氧化铝水合物的溶出顺序: 三水铝石最易溶解、一水软铝石次之、一水硬铝石 难溶，而刚玉在300度以下实际是不溶的进入赤泥。
三水铝石型溶出反应式
Al(OH)
3
2NaOH
2NaAl(OH)
100 C
4
也有写成下式的
Al(OH)
3
NaOH NaAlO
100 C
2
2H 2O
2
Al 2 O 3 3 H 2 O 2NaOH
aq 2NaAlO
100 C
到尽可能的Al2O3溶出率外，还要求Na2O的化
学损失尽可能地减少。
• 3.2.8 溶出过程的动力学
• (1)含Al2O3矿物的表面被溶剂——含大量游离
NaOH的循环母液所湿润；
• (2)含Al2O3矿物与OH-相互作用生成铝酸钠；
• (3)铝酸根离子通过在矿物表面上生成的扩散层
扩散到整个溶液中去，而OH-通过扩散层扩散
数应为：
A 1 .6 4 5 ( N
2

N
1
) 1 .6 4 5 N
1 2 1 2
• 因为1m3循环母液中含有NkgNa2O，所以循环效率：
E 1 .6 4 5
1 2 1 2
• 循环碱量
生产一吨氧化铝在循环母液中所必须含有的碱
量。它是E的倒数。
1 2 1 2
2 Na2O-Al2O3-H2O系中的拜耳法循环图
• 拜耳法生产氧化铝的工艺有许多个工序组成，
其中主要有：铝土矿的溶出、溶出浆液的稀释、 晶种分解和分解母液蒸发等四个工序。
铝Fra Baidu bibliotek矿的溶出
溶出浆液的稀释 晶种分解
分解母液蒸发 铝酸钠溶液的温度、 浓度、苛性比值等 各不相同
40
至Al2O3· 35 至Al2O3· H2O点 3H2O点 30
3 循环效率
• 循环效率 一吨Na2O在一次拜耳法循环中所产出的Al2O3 的 量(吨)，用E表示，E的数值越高说明碱的利用率越好。 • 假定在生产过程中不发生Na2O和Al2O3的损失，1 m3循环母液中的苛性碱（ Na2O）含量为Nkg，那么1 m3循环母液经过一次拜耳法循环后产出的氧化铝的kg
• 一水硬铝石的主要溶出反应方程式：
AlOOH NaOH H 2 O NaAl(OH)
220 C 4
Ca ( OH ) 2
• 反应式中的石灰的加入量，一般为铝土矿石总重量的3～7 %。
• 含水铝酸钙：3CaO· 2O3· 2O Al 6H
• 水合铝硅酸钙（水化石榴石）： 3CaO· 2O3· Al 3SiO2 • 钛酸钙：CaO· 2 TiO
互反应生成水合铝硅酸钠逐渐析出，这一反应使
溶液的SiO2含量降低，因而称为脱硅反应：
1.7Na2SiO3+2NaAl(OH)4=
Na2O· 2O3· Al 1.7SiO2· 2O+3.4NaOH+1.3H2O H
• 行为 各种形式的含硅矿物与苛性碱反应，均有 硅酸钠进入溶液，然后与溶液中的铝酸钠反应， 生成溶解度很小的水合铝硅酸钠沉淀，造成Al
1 拜耳法的基本原理
• （1）用NaOH溶液溶出铝土矿所得到的铝酸钠溶液在 添加晶种，不断搅拌的条件下，溶液中的氧化铝便呈 氢氧化铝析出。 • （2）分解得到的母液，经蒸发浓缩后在高温下可用来
溶出新的一批铝土矿。
• 交替使用这两个过程就能够每处理一批矿石，便得到
一批氢氧化铝，构成所谓的拜耳法循环。
• 一水硬铝石主要溶出条件 溶出温度 220～260℃
溶出压力
溶出碱浓度
28～34kg/cm2
250～280g/L
溶出后液苛性比（α）
1.65～1.71
3.2.2 含硅矿物在溶出过程中的行为 SiO2是铝土矿中最常见的杂质，也是碱法 生产氧化铝最有害的杂质。铝土矿中的含硅矿 物有无定形的蛋白石、石英等一类的氧化硅及 其水合物以及高岭石等。
泥的沉降分离，铝酸钠溶液中的晶种分解，母液
的蒸发等工序都是不利的。
3.2.7 对溶出过程的工艺要求
• Al2O3的理论溶出率 理论上矿石中可以溶出的Al2O3量与矿石中Al2O3 量的比值。 • Al2O3的实际溶出率 在溶出时，实际溶出的Al2O3量与矿石中Al2O3量 的比值。
美国铝业公司提出的溶出条件为： • 一水软铝石矿 温度235℃，苛性碱溶液Na2O浓度135g/L, 时间15min • 一水硬铝石矿 温度300℃，苛性碱溶液Na2O浓度200g/L, 时间30min 从工艺上说，在溶出过程中，除了要求达
堆场
洗液
• 从矿山运来的铝土矿经破碎后，与石灰和种分蒸发母液
（循环母液）磨制成原矿浆，然后在高温下将矿石中的
Al2O3 溶出，得到铝酸钠溶液和不溶残渣（赤泥）组成的 溶出料浆。料浆用赤泥洗液进行稀释，再在沉降槽中将铝 酸钠溶液和赤泥分离，赤泥经洗涤后排往赤泥堆场。净化 后的铝酸钠溶液加入氢氧化铝种子进行分解，析出氢氧化