1、第三章溶出车间 本章目标 了解溶出的目的及基本知识掌握各工段的工艺流程 概述 溶出是拜耳法生产氧化铝的主要工序之一 溶出的目的在于将铝土矿中的氧化铝水合物溶解成铝酸钠溶液 并使溶液充分脱硅 避免过量SiO2影响产品质量 且把苛性碱的消耗减至最少 溶出过程的主要技术条件和经济指标有 溶出温度 溶出时间 Al2O3溶出率 热耗等 生产中铝土矿中含硅矿物不仅由于生成钠硅渣引起氧化铝和氧化钠的化学损失 以及钠硅渣进入氢氧化铝后降低成品氧化铝质量外 而且硅渣在生产设备和管道 特别是在换热器表面上吸出 形成结疤 严重影响传热 增加了能耗和清理工作量 因此增加预脱硅是必须的 预脱硅就是在高压溶出之前 将原矿
2、浆在100 105 左右搅拌8 10h 使硅矿物尽可能转变为钠硅渣结晶 这个过程称为预脱硅 矿浆中生成的钠硅渣又可成为其他含硅矿物在更高温度下反应生成钠硅渣的晶种 因而减小了它们在加热表面上析出结疤的速度 从而使高压溶出器的工作周期延长 1 预脱硅工艺 2 单管预热 压煮器间接加热溶出工艺 从原料车间送来的固含350g l的原矿浆进入常压脱硅工段的加热槽中 将温度从82 87 提升到100 105 然后在脱硅槽中进行连续脱硅 在隔膜泵的进口处添加母液以调整矿浆RP和固含 脱硅槽底部设有返砂泵 每班定期将粗砂返回原料磨工段 用隔膜泵将原矿浆送往溶出工段的套管预热器 采用六级套管将原矿浆温度预热到
3、174 180 再用四级预热压煮器将原矿浆温度预热到210 220 而后采用6 0Mpa高压新蒸汽加热 将原矿浆加热至260 后进入保温停留罐停留45 60分钟 溶出后矿浆经十级闪蒸 温度从260 降至125 然后送入稀释槽 从沉降来的洗液同时加入稀释槽中 稀释后料浆用泵送往溶出后槽 停留2小时以上 以进一步脱除溶液中的硅 铁 锌等杂质 各级矿浆自蒸发器产生的二次蒸汽用于相对应的套管预热器和预热压煮器中预热原矿浆 二次汽冷凝水从预热器排出进入冷凝水罐 并经逐级闪蒸降压后 汇总到末级冷凝水罐 一部分用作闪蒸注水 一部分送往热水站 加热压煮器产生的新蒸汽冷凝水送入新蒸汽冷凝水自蒸发器闪蒸后 二次汽
4、去加热脱硅槽 不带碱冷凝水去供热站 带碱冷凝水去热水站 3 铝土矿的溶出性能 虽然在目前的氧化铝生产中所采用的原料统称为铝土矿 但铝土矿并不是一种化学成分稳定 结晶形态一致的单一类矿物 根据氧化铝在铝土矿中的不同结晶形态 铝土矿可以分为 三水铝石型 一水铝石型 一水硬铝石型以及它们之间相互共生的混合型 对于某一类型的铝土矿 虽然它们的氧化铝的结晶形态相同 但它们的化学成分又会因不同的产地有所不同 不同类型的铝土矿由于其氧化铝存在的结晶状态不同 所以与铝酸钠溶液的反应能力自然就会不同 即使同一类型的铝土矿 由于产地的不同 它们的结晶完整性也会有所不同 其溶出性能也就会不同 3 1三水铝石型铝土矿
5、 在三水铝石型铝土矿中 氧化铝主要以三水铝石 Al2O3 3H2O 或 Al OH 3 的形式存在 三水铝石型铝土矿是最易溶出的一种铝土矿 在溶出温度超过85 时 就会有三水铝石的溶出 随着温度的升高 三水铝石矿的溶出速度加快 通常情况下 三水铝石矿典型的溶出过程是温度为140 150 Na2O浓度为120 140g L 矿石中的三水铝石能迅速地进入溶液 满足工业生产的要求 当三水铝石矿与未饱和的铝酸钠溶液接触后 发生的化学反应如下 Al OH 3 NaAl OH 4 NaAl OH 4 aq当铝酸钠溶液达到饱和时 溶出过程将会停止 如果改变条件使铝酸钠溶液过饱和 则会发生铝酸钠溶液的分解 即
6、 NaAl OH 4 aq Al OH 3 NaAl OH 4所以 实际上三水铝石型铝土矿的溶出反应是一个可逆的化学反应 3 2一水软铝石的溶出 相对三水铝石矿来讲 一水软铝石矿的溶出条件要苛刻得多 它需要较高的温度和较大的苛性碱浓度才能达到一定的溶出速率 一水软铝石型铝土矿的溶出温度至少需要200 然而生产上实际采用的温度一般为240 250 溶出液的浓度通常是180 240g L的Na2O 3 3一水硬铝石型铝土矿的溶出 在所有类型的铝土矿中 一水硬铝石型铝土矿是最难溶出的 一水硬铝石的溶出温度通常在260 左右 溶出液Na2O浓度为240 300g L 我国的铝土矿主要是一水硬铝石型铝土
7、矿 一水软铝石型或一水硬铝石型铝土矿在溶出过程中发生反应为 AlOOH H2O NaOH aq NaAl OH 4 aq 4 影响铝土矿溶出过程的因素 在铝土矿溶出过程中 由于整个过程是复杂的多相反应 所以影响溶出过程的因素比较多 这些影响因素可大致分为铝土矿本身的溶出性能和溶出过程作业条件两个方面 铝土矿的溶出性能指用碱液溶出其中的Al2O3的难易程度 难易是相当而言的 结晶物质的溶解从本质上来说是晶格的破坏过程 在拜耳法溶出过程中 氧化铝水合物是由于OH 进入其晶格而遭到破坏的 各种氧化铝水合物正是由于晶形 结构的不同 晶格能也不一样 而使其溶出性能差别很大 除了矿物组成以外 铝矿的结构形
8、态 杂质含量和分布状态也影响其溶出性能 下面主要讨论溶出过程作业条件的影响 温度是溶出过程中最主要的影响因素 升高温度 化学反应速率常数和扩散速率常数都会增大 所以 不论反应过程是由化学反应控制或是扩散控制 从动力学方面说明了提高温度对于增加溶出速率有利 温度在溶出天然的一水硬铝石型铝土矿时所起的作用比溶出纯一水硬铝石矿物时更加显著 因为在溶出铝土矿时会有钛酸盐和铝硅酸盐保护膜的生成 提高温度使这些保护膜因再结晶而破裂 甚至不加石灰也有良好的溶出效果 提高温度可以使矿石在矿物形态方面的差别所造成的影响消失 但是 提高溶出温度会使溶液的饱和蒸汽压急剧增大 溶出设备和操作方面的困难也随之增加 这就
9、使提高溶出温度受到限制 4 1溶出温度的影响 4 2搅拌强度的影响 1 强烈的搅拌使整个溶液成分趋于均匀 从而强化了传质过程 加强搅拌还可以在一定程度上弥补温度 碱浓度 配碱数量和矿石粒度方面的不足 2 在间接加热机械搅拌的高压溶出器组中 矿浆除了沿流动方向运动外 还在机械搅拌下强烈运动 湍流程度也较强 3 当溶出温度提高时 溶出速度由扩散所决定 因而加强搅拌能够起到强化溶出过程的作用 此外 提高矿浆的湍流程度也是防止加热表明结疤 改善传热过程的需要 在间接加热的设备中这是十分重要的 矿浆湍流程度越高 结疤越轻微 4 3循环母液碱浓度的影响 当其他条件相同时 母液浓度越高 Al2O3的未饱和程
10、度就越大 铝土矿中Al2O3的溶出速度越快 而且能得到分子比低的溶出液 从整个流程看 蒸发后的蒸发母液 即循环母液的Na2O浓度不宜超过240g L 如果要求母液的碱浓度过高 蒸发过程的负担和困难必然增大 所以从整个流程来权衡 母液的浓度只宜保持为适当的数值 4 4配料分子比的影响 在溶出铝土矿时 物料的配比是按溶出液的MR达到预期的要求计算的 预期的溶出液MR称为配料MR 它的数值越高 即对单位质量的矿石配的碱量也越高 由于在溶出过程中始终保持着更大的未饱和度 所以溶出速度必然更快 但是 这样一来循环效率必然降低 物料流量则会增大 从循环碱量公式 可以看出 为了降低循环碱量 降低配料分子比要
11、比提高母液分子比效果更大 所以在保证Al2O3的溶出率不过分降低的前提下制取分子比尽可能低的溶出液是对溶出过程的一项重要要求 4 5矿石细磨程度的影响 氧化铝矿石粒度越细小时 其比表面积就越大 这样矿石与溶液接触的面积就越大 即反应的面积增加了 在其他溶出条件相同时 溶出速率就会增加 另外矿石的磨细加工会使原来被杂质包裹的氧化铝水合物暴露出来 增加了氧化铝的溶出率 致密难溶的一水硬铝石型矿石则要求细磨 然而过分的细磨使生产费用增加 降低产能 又无助于进一步提高溶出速度 而且还可能使溶出赤泥变细 造成赤泥分离洗涤的困难 4 6溶出时间的影响 铝土矿溶出过程中 只因Al2O3的溶出率没有达到最大值 那么增加溶出时间 Al2O3的溶出率就会增加 但是过长增加时间造成产量减少 所以增加时间是又限度的 经过大量的试验及实践经验 溶出时间控制在45 60分钟较合适 经研究证明 250 260 时 溶出时间影响溶出率较大 温度大于260 时 溶出时间对溶出率影响相对减弱 特别是温度大于300 时 不管氧化铝矿态如何 大多数铝土矿溶出过程都可以在几分钟内完成 且溶液接近饱和
