“氧化铝用于通过霍尔-赫洛特电化学冶炼工艺生产金属铝。”
拜耳工艺由奥地利科学家卡尔·约瑟夫·拜耳于1887年发明并获得专利。
生产一吨氧化铝需要两到三吨铝土矿。
全球约90万吨氧化铝供应的90%用于铝生产。
氧化铝精炼厂往往位于铝土矿和/或港口附近,以便有效地运输原材料和最终产品。
氧化铝用于通过霍尔-赫洛特电化学冶炼工艺生产金属铝。
它还用于工业和医疗陶瓷、砂纸、颜料、化妆品和药品等应用。
拜耳工艺是从铝土矿中获取氧化铝的最经济手段。从金属矿石中获取氧化铝的其他工艺也在一些炼油厂使用,特别是在中国和俄罗斯,尽管这些工艺占全球产量的比例相对较小。
流程阶段包括:
1. 铣削
铝土矿经过洗涤和粉碎,减小了粒径并增加了消化阶段的可用表面积。石灰和“废液”(从沉淀阶段返回的烧碱)在工厂中添加以制成可泵送的浆料。
2. 脱硅
含有高含量二氧化硅(SiO2)的铝土矿经过一个过程来去除这种杂质。二氧化硅会导致最终产品的结垢和质量问题。
3. 消化
热烧碱(NaOH)溶液用于溶解铝土矿(三水铝石,波姆石和水铝石)中的含铝矿物,以形成铝酸钠过饱和溶液或“怀孕液”。
三水铝石:
Al(OH)3 + Na+ + OH- → Al(OH)4- + Na+
波姆石和隔水石:
AlO(OH) + Na+ + OH- + H2 O →Al(OH)4- + Na+
蒸煮器内的条件(苛性碱浓度、温度和压力)根据铝土矿的性质设定。三水铝石含量高的矿石可以在 140°C 下加工,而波米石铝土矿则需要 200 至 280°C 的温度。 压力对于过程本身并不重要,但由过程的蒸汽饱和压力定义。在 240°C 时,压力约为 3.5 MPa。
然后将浆料在一系列闪蒸罐中在大气压下冷却至约106°C,并闪蒸掉蒸汽。这种蒸汽用于预热废液。在一些高温消化精炼厂中,更高质量的铝土矿(三水合物)被注入闪蒸序列以提高产量。这种“脱硫”工艺也减少了每吨生产的能源使用量。
虽然较高的温度在理论上通常是有利的,但也有几个潜在的缺点,包括氧化铝以外的氧化物可能溶解到苛性液中。
4. 澄清/结算
澄清的第一阶段是通过沉淀法将固体(铝土矿残渣)与孕液(铝酸钠残留在溶液中)分离。添加化学添加剂(絮凝剂)以协助沉淀过程。铝土矿残渣沉入沉淀池底部,然后转移到洗涤池,在那里经过一系列洗涤阶段以回收烧碱(在消化过程中重复使用)。
使用一系列安全过滤器将孕液与铝土矿残渣进一步分离。安全过滤器的目的是确保最终产品不被残留物中存在的杂质污染。
根据残渣储存设施的要求,在将其泵送到铝土矿残渣处理区之前,会采用进一步的浓缩、过滤和/或中和阶段。
5. 降水
在这个阶段,氧化铝通过从孕液中结晶来回收,孕液在铝酸钠中过饱和。
结晶过程由孕液的逐渐冷却驱动,导致形成三氢氧化铝(Al(OH)3,通常称为“水合物”)的小晶体,然后生长并团聚形成较大的晶体。沉淀反应与消化阶段的三水铝石溶出反应相反:
Al(OH)4- + Na+ → Al(OH)3 + Na+ + OH-
6. 蒸发
废液通过一系列热交换器加热,随后在一系列闪蒸罐中冷却。加热器中形成的冷凝水在工艺中被重新利用,例如作为锅炉给水或用于清洗铝土矿残渣。剩余的烧碱被洗涤并回收回消化过程。
7. 分类
沉淀中形成的三水铝石晶体分为尺寸范围。这通常使用旋风分离器或重力分类罐(一系列使用与澄清阶段的沉降器/清洗机相同的原理的浓缩器)来完成。粗粒晶体在利用真空过滤从废液中分离出来后,注定要煅烧,其中固体用热水洗涤。
细小晶体经过洗涤除去有机杂质后,作为细晶种返回沉淀阶段进行团聚。
8. 煅烧
滤饼被送入煅烧炉,在高达1100°C的温度下烘烤,以驱除游离水分和化学连接的水,产生氧化铝固体。使用不同的煅烧技术,包括气体悬浮煅烧炉、流化床煅烧炉和回转窑。
以下公式描述了煅烧反应:
2Al(OH)3 → Al2O3 + 3H2O
氧化铝是一种白色粉末,是此步骤的产物,也是拜耳工艺的最终产品,可运往铝冶炼厂或化学工业。
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