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我国氧化铝市场一直是供不应求，尤其是80年代以来，供需矛盾日趋尖锐，进口量大增。

我国多品种氧化铝和氢氧化铝的需求更是长期得不到满足，主要是国内氧化铝原料紧张，氧化铝厂生产的氧化铝优先供应炼铝行业，限制了对非炼铝行业的供应。

由于在市场购买不到特殊要求的氧化铝和氢氧化铝，许多用户只得根据自己需要。

自找门路，小规模生产。

1.1.2铝土矿资源概况

铝在地壳中的平均含量为8.8％，但目前铝的可利用矿产资源仅为铝土矿、霞石和明矾石，而95％以上的氧化铝是从高品位的铝土矿提取的。

就全球范围来看，铝土矿资源丰富，人类并不缺少铝土矿资源，目前全球可用来生产氧化铝的铝土矿储量有240亿t，储量基础350亿t，按现有生产规模计算可保证近200年。

但中国铝土矿资源不丰富，保障程度只有十几年，远不能满足发展需要。

全球铝土矿资源量估计约550亿～750亿t，其中，南美33％、非洲27％、亚洲17％、大洋洲13％、其他地区10％。

国内外铝土矿的组成特点:

世界铝土矿大多是三水铝石型或三水铝石-一水软铝石混合型，仅中国、俄罗斯、希腊等少数国家有一水硬铝石型铝土矿，因此大多都采用拜耳法生产氧化铝。

我国铝土矿矿区矿石的主要化学成分见表1-1.

表1-1我国铝土矿矿区矿石的主要化学成分

省份

矿石类型

化学成分/％

铝硅比

A/S

占全国铝土矿量

比例/％

Al2O3

Si2O3

Fe2O3

广西

贵州

河南

山东

山西

铁-一水硬铝石

高岭石-一水硬铝石

58-60

67-68

64-71

54-61

63-65

5.0-6.0

8.8-11.1

7.5-13.7

15.0-22.0

2.0-3.0

15.0-17.0

2.2-3.0

3.0-5.1

5.0-9.0

11.0-13.0

9.9

6.1-7.8

4.7-9.4

3.7-3.9

5.0-5.6

12.2

18.1

16.4

3.8

16.0

1.2我国氧化铝生产所取得的主要技术成就

我国氧化铝工业从1954年起始，在不到50年得时间里，不仅产量增加了近150倍，在技术方面取得了卓有成效的进步，其主要技术成就为：

1.首创了适合我国国情的混联发工艺；

2.烧结法熟料烧成强化技术；

3.烧结法熟料低苛性分子比溶出技术、高碳酸钠浓度二段磨溶出技术；

4.粗液脱硅间接加热连续脱硅技术、管道化间接加热连续脱硅技术、深度脱硅技术；

5.强化烧结技术；

6.拜耳法强化溶出技术；

7.赤泥絮凝沉降分离技术；

8.分解技术；

9.氧化铝焙烧技术。

1.3氧化铝的性质

1.氧化铝的物理化学性质：

氧化铝分子式为Al2O3,相对分子质量为102，熔点2050℃熔化热21318J/mol,密度3.3～4.0g/cm3,沸点为2980℃，气化热49282J/mol，为两性氧化物，能溶于无机酸和碱性溶液中，由于Al2O3的结晶形式不同，其在无机酸和碱性溶液中的溶解度有所不同。

2.氧化铝的同素异形体：

存在于自然界中的氧化铝称为刚玉（α-Al2O3）,它在岩石中呈五色结晶，也可与其他氧化物杂质染成带色的结晶体，红色的结晶体为红宝石，蓝色的结晶体为蓝宝石。

氧化铝的同素异形体又可以看着是α-Al2O3的中间过渡态，按照它们的生成温度可分为两大类：

低温氧化铝，其化学组成为Al2O3·

nH2O,式中0<

n<

0.6,是各种氧化铝水合物在不低于600℃下脱水产物，这些形态也叫γ系，其结晶情况不好。

高温氧化铝：

是在800～1200℃的温度条件下形成的，几乎是无水产物，这些形态成为δ系列，其结晶情况不好。

1.4氧化铝的质量标准和氧化铝的用途

1.4.1氧化铝的质量标准

氧化铝的质量标准见表1-2

表1-2氧化铝的质量标准

产品级别

代号

化学成分／％

.＞

杂质含量＜

SiO2

Na2O

灼碱

一级

Al2O3－1

98.6

0.02

0.03

0.50

0.8

二级

Al2O3－2

98.5

0.04

0.55

三级

Al2O3－3

98.4

0.06

0.60

四级

Al2O3－4

98.3

0.08

0.05

五级

Al2O3－5

98.2

0.10

1.0

六级

Al2O3－6

97.8

0.15

0.70

1.2

对于砂状氧化铝各国有自己的标准，我国提出如下指标：

粒度小于44μm≤15％；

比表面积≥35m2/g;

α-Al2O3含量20％～35％.

1.4.2氧化铝的用途

氧化铝主要是供电解炼铝用，但是电子、石油、化工、耐火材料、陶瓷、磨料、防火剂及制药等许多部门也需要各种特殊性能的氧化铝和氢氧化铝。

国内外不少氧化铝厂都注意发展多品种氧化铝生产，例如活性氧化铝、低钠氧化铝、喷涂氧化铝等，这些供电解炼铝外其他用途的多品种氧化铝约占整个氧化铝产量的8％，而品种已达150种以上。

1.5氧化铝生产方法和工艺流程

生产氧化铝的方法大致可分为四类：

碱法、酸法、酸碱联合法与热法。

目前工业上几乎全部是采用碱法生产。

减法有拜耳法、烧结法及拜耳-烧结联合法等多种流程。

本次设计采用拜耳法。

1.5.1拜耳法

拜耳法是由奥地利化学家拜耳（K.J.Bayer）于1889～1892年提出的，它适用与处理低硅铝土矿，尤其是在处理三水铝石型铝土矿时，具有其他方法无可比拟的优点。

目前全世界生产的氧化铝和氢氧化铝，有90％以上是采用拜耳法生产的。

适于处理高品位铝土矿，这是苛性碱溶液加温溶出铝土矿中氧化铝的生产方法，具有工艺简单、产品纯度高、经济效益好等优点。

拜耳法的生产工艺主要由溶出、分解和焙烧三个阶段组成。

全程主要加工工序为：

矿石的破碎及湿磨、高温高压溶出、赤泥分离洗涤、种子分解、母液蒸发及氢氧化铝焙烧。

拜耳法生产氧化铝的工艺流程如图1-1所示。

图1-1拜耳法生产氧化铝的基本流程

拜耳法主要包括两大过程，即分解和溶出。

（1）铝酸钠溶液的晶种分解过程。

较低摩尔比的铝酸钠溶液在常温下，添加Al（OH）3作为晶种，不断搅拌，溶液中的氧化铝便以Al（OH）3形态逐渐析出，同时溶液的摩尔比不断增高。

（2）铝土矿的溶出。

析出大部分氢氧化铝后的铝酸钠溶液在加热时，又可以溶出铝土矿中的氧化铝水合物，这就是利用种分母液溶出铝土矿的过程。

交替使用以上两个过程就可以一批批处理铝土矿，得到纯的氢氧化铝产品，构成所谓拜耳法循环。

其实质是如下反应在不同条件下的交替进行：

Al2O3·

H2O+2NaOH+aq＝2NaAl（OH）4+aq（1-1）

拜耳法生产氧化铝包括四个主要过程：

1）用高摩尔比（即铝酸钠溶液中的Na2O与Al2O3摩尔比为3.4左右）的分解母液溶出铝土矿的氧化铝，使溶出液的摩尔比达到1.5～1.6；

2）稀释溶出矿浆，分离出精制铝酸钠溶液；

3）精液加晶种分解（种分）；

4）分解母液蒸发至苛性碱的浓度达到溶出要求（Na2O为230～280g/L）。

在这四个过程中，铝土矿的溶出是拜耳法的关键工序。

铝土矿中不同的含铝矿物在苛性碱液中要求不同的溶出温度：

三水铝石为140℃，一水软铝石为180℃，而一水硬铝石需在240℃以上，刚玉则不溶于碱液。

拜耳法溶出时，为了减少设备结疤，通常要将原矿浆脱硅，使溶液的硅量指数增高。

1.5.2拜耳法主要生产车间工艺流程

1.5.2.1原矿浆制备

A．原矿浆制备的地位和特点

原矿浆的制备工艺，就是把拜耳法生产氧化铝所用的原料一铝土矿、石灰、循环母液，按一定比例配制出化学成分、物理性能都符合要求的原矿浆。

因此其在氧化铝生产中具有以下重要地位和特点：

1.原矿浆制备是氧化铝生产第一道工序；

2.将氧化铝生产所用的各种原料按规定的数量比例进行配合混匀；

3.原矿浆制备主要包括原料储存、输送、破碎、细磨等过程，是以物理加工为主的工序

B．原矿浆制备影响因素

原矿浆制备的主要影响因素：

1）矿石A/S和Al2O3的稳定和均匀。

这是确保氧化铝溶出率和产量的重要因素。

一般工厂规定矿石均化技术指标：

A/S波动小于0.5％，Al2O3含量波动小于1％.

2）矿石磨细程度。

溶出过程是多相反应，溶出反应及扩散过程均在相界面进行，溶出速度与相界面面积成正比，矿石磨的越细，溶出速速越快。

3）石灰添加量。

工厂实践表明，对一水硬铝石型铝土矿来说，添加石灰不仅可使Al2O3溶出速度加快，溶出率直线上升，而且赤泥中的含碱量下降。

4）配料摩尔比，是指在铝土矿溶出时按配料比预期达到的溶出液摩尔比，其数值越高，对单位质量的矿石配入的碱量也越多，料浆固含量越少。

1.5.2.2铝土矿溶出

铝土矿溶出是拜耳法生产氧化铝的两大核心工序之一。

其任务在于用苛性碱溶液处理铝土矿，使其中的氧化铝水合物转化成铝酸钠溶液，使矿石中的铁、钛等杂质和绝大部分硅成为不溶性化合物，经过矿浆稀释、赤泥分离和叶滤后制得精液送去分解车间。

溶出效果好坏直接影响到整个拜耳法生产氧化铝的技术指标。

1.影响铝土矿溶出过程的因素

表1-3影响铝土矿溶出过程的因素

铝土矿溶出性能

溶出过程作业条件的影响因素

用碱液溶出其中的Al2O3的难易程度，取决于氧化铝水合物矿物的晶型、结构形态、杂质含量和分布情况

1.溶出温度。

提高温度，溶出速率增加

2.搅拌强度

3.循环母液浓度

4.配料摩尔比

5.矿石细磨程度

6.溶出时间

2.溶出工艺流程的选择

A.原矿浆的常压预脱硅

B.单管预热一压煮器间接加热溶出工艺

C.管道化溶出

D.双流法溶出

1.5.2.3赤泥的分离和洗涤

表1-4赤泥分离和洗涤工序及解释说明

赤泥分离和洗涤工序

解释说明

高压溶出矿浆的稀释

1.降低铝酸钠溶液的浓度，促使其分解

2.促使铝酸钠溶液进一步脱硅

3.降低铝酸钠溶液的黏度，加速赤泥沉降分离

赤泥浆液的沉降分离

将稀释矿浆中的铝酸钠溶液与赤泥分离，并获得工业上纯净的铝酸钠溶液

赤泥的洗涤

滤饼含水量小于35％；

滤液浮游物不大于0.25g/L

粗液的叶滤

粗液浮游物不大于0.25g/L；

精液浮游物不大于0.015g/L；

精液Al2O3浓度165～177g/L。

1.5.2.4铝酸钠溶液的晶种分解

A．晶种分解的原理

晶种分解就是将铝酸钠精液降温，增大其过饱和度，再加入Al（OH）3作晶种，并且搅拌，使其分解析出合格的氢氧化铝，同时得到摩尔比较高的种分母液的过程。

晶种分解是拜耳法生产氧化铝的另一个关键工序，也是耗时最长，且需加入很多晶种而分解率最高也只达到55％左右的一个工序。

经分离赤泥和叶滤的精液，Al2O3浓度约为120g/L，MR为1.7～1.8，在温度100℃时是不稳定的，且随温度的降低，过饱和度增大。

在加入晶种和搅拌时，过饱和的铝酸钠溶液按下式分解：

xAl（OH）3+Al（OH）4-=（x+1）Al（OH）3+OH-（1-2）

B．晶种分解的技术经济指标

衡量种分过程的技术经济指标有以下各项：

1.种分分解率。

它是以精液中氧化铝分解析出的百分数来表示的。

因为分解前后苛性碱的绝对数量变化很小，故分解率可以根据溶液分解前后的摩尔比来计算。

η=[（MR）种母-（MR）精液]/（MR）种母*100％=1-（MR）精液/（MR）种母*100％（1-3）

式中η——种分分解率，％；

（MR）种母——种分母液的摩尔比；

（MR）精液——分解原液的摩尔比。

从式1-3可见，当原液摩尔比一定时，溶液的分解速度越大，则在一定时间内的分解率越高，氧化铝产量越大，循环母液的摩尔比也高，故可提高循环效率。

2.分解槽单位产能。

分解槽的单位产能是指在单位时间内从分解槽单位体积中分解出来的Al2O3数量。

3.Al（OH）3质量。

对Al（OH）3质量要求，包括纯度和物理性质两个方面。

Al2O3的纯度主要取决于Al（OH）3的纯度，氧化铝的某些物理性质，如粒度和强度，也在很大程度上取决于种分过程。

1.5.2.5氢氧化铝焙烧

氢氧化铝焙烧是在高温下脱去附着水和结晶水，并使其晶型转变，制得符合电解要求的氧化铝的工艺过程。

它是决定氧化铝的产量、质量和能耗的重要环节。

1.6氧化铝产品品种质量现状和氧化铝生产特点

1.6.1氧化铝产品品种质量现状

氧化铝产品品种现状见表1-5

表1-5氧化铝产品品种质量现状

产品名称

质量标准

用途

备注

冶金级氧化铝

GB8178-87

电解铝生产

1992年产量

高温氧化铝

电子陶瓷及耐火材料

国家银奖

活性氧化铝

QSD014-92

吸附剂、干燥剂

合格率100％

细氢氧化铝微粉

DB/370H-88

牙膏摩擦剂

牙膏填料氢氧化铝

鲁Q781-83

牙膏填料

白度﹥96％

玛瑙填料氢氧化铝

按合同

人造玛瑙填料

白度﹥95％

填料氢氧化铝

Q/SDL012-91

填料

拟薄水铝石

Q/SD98-92

石油化工催化剂及载体

省优产品

1.6.2氧化铝生产的特点

A.生产方法多样、工艺流程长

B.生产技术要求高，要有充分的物资基础条件

C.氧化铝生产的原料资源复杂

D.生产规模大型化

1.7电解炼铝对氧化铝质量的要求和氧化铝生产原料

1.7.1电解炼铝对氧化铝质量的要求

1.氧化铝的化学纯度：

电解用氧化铝必须具有较高的化学纯度，这是因为其中所含比铝更正电性元素的氧化物杂质，在电解过程中这些元素将首先在阴极析出，进入金属铝中，使铝不纯。

而氧化硅和比铝更负电性的金属氧化物杂质，则与电解质作用，改变了电解质的正常组成，不利于电解操作。

生成的SiF4则是有毒气体。

2.氧化铝的物理性质：

安息角

α-Al2O3含量

容积密度

粒度

比表面积

磨损系数

1.7.2氧化铝生产原料

铝土矿是目前氧化铝生产中最主要的矿石资源，世界上95％以上的氧化铝使用铝土矿生产出来的。

铝土矿是一种组成复杂、化学成分变化很大的矿石，其主要含有铝矿物为三水铝石、一水软铝石、一水硬铝石。

铝土矿的质量不仅要看它的化学成分、铝硅比的高低，而且还要看它的矿物类型，铝土矿的类型对氧化铝的可溶性影响很大。

三水铝石最易为苛性碱溶液溶出，一水软铝石次之，一水硬铝石的溶出条件则苛刻很多。

1.8氧化铝生产技术经济指标

氧化铝生产技术经济指标主要有以下几个：

1.铝硅比（A/S不低于3～3.5）：

矿石中全部Al2O3含量与SiO2含量的质量比2.铝酸钠溶液的αK：

铝酸钠溶液中Na2O与Al2O3的摩尔比值αK=[Na2O]/[Al2O3]3.氧化铝的溶出率：

η理=[ω（Al2O3）-0.85ω（SiO2）]/ω（Al2O3）*100％,式中ω（Al2O3），ω（SiO2）指铝土矿中Al2O3和SiO2的含量；

0.85指Al2O3/SiO2的质量比4.氢氧化铝质量：

对氢氧化铝质量的要求，包括纯度和物理性质比两个方面，它们都首先决定于种分过程。

5.分解率：

是种分工序的主要指标，它是以铝酸钠溶液中氧化铝析出的百分数来表示的6分解槽单位产能：

指单位时间内从分解槽单位体积中分解出来的Al2O3数量7.产出率：

从单位体积溶液中分解出来的Al2O3量，它与原液Al2O3浓度和分解率有关8.碱比：

指生料浆中氧化钠与氧化铝和氧化铁的分子比9.钙比：

指生料浆中氧化钙与氧化硅的分子比10.铁铝比：

指生料浆中氧化铝和氧化硅的分子比11.赤泥的沉降性能

1.9氧化铝厂设计的意义和主要内容

1.9.1氧化铝厂设计的意义

通过对氧化铝厂的设计，我们能够更进一步了解到现状全世界普遍采用的生产氧化铝的方法—拜耳法、生产氧化铝的各种原料、氧化铝厂的主体设备以及氧化铝厂的整个物料平衡计算。

通过对吨氧化铝成本计算，了解到生产每吨氧化铝所需要的大概成本。

前期的设计对以后建造氧化铝厂打下坚实的基础。

1.9.2氧化铝厂设计的主要内容

本次课题氧化铝厂设计的主要内容有：

1.氧化铝生产方法之一——拜耳法做了详细的介绍；

2.对氧化铝生产工艺流程进行了物料衡算如氧化铝回收率、生产1t成品氧化铝所需铝土矿和石灰、原矿浆溶液量、赤泥沉降分离底流的溶液量等；

3.对氧化铝厂主要工艺设备做了简单的选型与计算如矿石粉碎设备、高压溶出设备、赤泥分离与洗涤设备等；

4.重点分析了高压溶出车间主要工艺设备的选择与计算如溶出器的选择、预脱硅槽的选择、自蒸发器的选择等；

5.初学AutoCAD绘制氧化铝厂布置图，本次是分工合作，我主要绘制赤泥沉降分离这部分。

2全厂物料平衡计算和吨氧化铝成本计算

2.1原料成分

原料成分为贵州清镇铝土矿见表2-1

表2-1铝土矿及石灰（％）

成分

项目

TiO2

其他

CaO

总计

铝土矿（％）

70.90

7.59

2.25

3.76

1.00

14.00

-

100

石灰（％）

2.5

2.0

0.5

4.0

89.0

2.2生产过程中的主要技术条件

1）循环母液成分：

Na2OK（nK循）240g/L,Na2OC（nC循）32g/L,（MR）循3.45，ρ循1.32g/cm3（95℃时的密度）；

2）补充碱液：

Na2OK（nK补碱）440g/L，ρ补碱1.43g/cm3；

3）铝土矿溶出过程的石灰添加量：

为铝矿石质量的8％；

4）溶出赤泥：

Al2O3与SiO2的质量比（A/S）1.15，N