提取Al2O3的新工艺
全球优质软铝石型铝土矿主要分布在澳大利亚、巴西、印度、加拿大、美国、圭亚那、俄罗斯等国家。欧美等国家依托丰富的优质铝土矿资源，大多数采用拜耳法提取Al2O3少数国家采用拜耳法与碱石灰烧结法联合的方法来提取Al2O3。就目前全球Al2O3生产的现状来看，由于资源和技术的限制，美国、澳大利亚等铝土矿资源丰富的国家多采用拜耳法，欧洲国家则较多采用碱石灰烧结法与联合法。
对于铝硅比低于3.5的高硅铝矿原料，由于原料转化过程中产生的Na2O·A12O3·2SiO2对提取Al2O3的严重干扰问题，全球各国基本都不能直接用来提取Al2O3对粉煤灰、煤研石、低品位铝土矿、高岭土等Al2O3含量很低而SiO2含量很高的原料，都只能用堆放、掩埋、回填坑道、填方处理或用来生产陶瓷制品、水泥、砖块、作路基材料等进行低附加值利用。我国是铝土矿资源十分贫乏的国家，据报道，人均铝土矿占有量不足300千克，而且我国的绝大多数铝土矿都是铝硅比较低的中低品位一水硬铝石型铝土矿，已经不能保证2010年的国内需求，考虑远景储量，也只能保证20年左右。据海关统计，为满足国内需要，2005年全国共进口铝土矿217万吨，2006年增加到925万吨，2007年猛增到2326万吨，而2008年仅1～6月，全国就已经从国外进口了高品位铝土矿1344.92万吨，大部分用来与国内的中低品位铝土矿掺合，用碱石灰烧结法进行氧化铝生产。已经有分析认为：“铝土矿进口发展惊人、供应趋紧，或成‘铁矿石第二’。”
解决提取Al2O3过程中的Na2O·A12O3·2SiO2干扰，开发一种利用铝硅比低于3.5的高硅铝矿提取Al2O3新技术工艺，能够从全国已经堆积的近100亿吨高硅铝矿原料中提取Al2O3，对于我国的Al2O3生产工业具有十分现实的重要意义，见表1。
表1 高硅铝矿原料的化学组成（%）
| 组 分 | Al2O3 | SiO2 | Fe2O3 | CaO | MgO | TiO2 | K2O | Na2O | P2O5 | SO3 | 其它 |
| 含量（%） | 24.86 | 62.76 | 4.50 | 0.67 | 1.23 | 0.90 | 1.85 | 1.20 | 0.49 | 0.54 | 1.00 |
实际上，提取Al2O3时，在碱性环境下转化过程中新生成的铝硅酸钠是一种具有沸石型松散结构的结晶体，很容易被高浓度的烧碱分解．运用“C－JSTK”技术，通过增加溶液的Na2O浓度和提高反应温度，完全可以将碱性环境下转化过程中生成的Na2O·A12O3·2SiO2全部重新分解成Na2O·A12O3·2SiO2，并实施分离，从高硅铝矿中同时提取Al2O3和SiO2。
试验原料及工艺流程
生产试验用高硅铝矿原料取自江苏镇江某矿区，纯碱与烧碱用工业品。高硅铝矿原料的化学组成列于表。试验研究的工艺过程描述如下（见图1)：
图1 “C－JSTK”技术工艺流程简图
高硅铝矿粉与纯碱按一定比例配料、入炉进行碱融转化反应，得到的熔压触体用冷水水淬成1～5毫米的细颗粒压料。将细颗粒料湿磨成浓稠浆料、稀释、过滤．滤饼用浓烧碱溶解后再加热浓缩、烘焙干燥．将得到的干粉料溶解、过滤；滤饼再用浓烧碱溶解、过滤。将3次过滤的滤液合并稀释水解，得到Al（OH）3沉淀和滤液。将碱融过程产生的CO2气体收集并经净化、加压，引入稀释水解后的滤液中使之碳酸化分解，从而依次得到剩余的Al（OH）3沉淀、H2SiO3沉淀和Na2CO3稀溶液。洗涤液集中循环用于补充水淬液和用作溶解、稀释用水．将Na2CO3稀溶液浓缩后回收纯碱Na2CO3溶液和烧碱NaOH溶液，副产出沉淀CaCO3。回收的纯碱Na2CO3溶液循环至前道配料工序与高硅铝矿粉混合、干燥后循环用于纯碱碱融工序。烧碱NaOH溶液循环至前道两段烧碱溶解工序。将纯碱碱融的高温烟道气换热成洁净的热空气，用于Al（OH）3和H2SiO3及CaCO3的干燥，最终得到工业品Al（OH）3沉淀SiO2和沉淀CaCO3。
工艺原理
1、纯碱碱融
首先用纯碱Na2CO3处理高硅铝矿粉，是为了让高硅铝矿中的SiO2和Al2O3与Na2CO3反应转化成为可溶的Na2O·SiO2和Na2O·Al2O3与高硅铝矿原料中的其它成分分离。
按照质量比，高硅铝矿粉：Na2CO3＝1:1.2－1.3配料，在1300℃温度下反应约30分钟后，Na2CO370%左右分解释放出Na2O并析出CO2；高硅铝矿中的大部分SiO2和A12O3与Na2O结合转化成为Na2O·SiO2和Na2O·Al2O3，残留有部分游离的A12O3和融化的Na2CO3；部分Na2O·Al2O3和Na2O·SiO2又进一步反应生成Na2O·Al2O3·2SiO2。
Fe2O3大部分转化成为Na2O·Fe2O3；CaO与MgO转化成为2CaO·SiO2、CaO·Fe2O3、Na2O·CaO·SiO2、MgO·SiO2、MgO·2CaO·Fe2O3、CaO-TiO2、MgO-TiO2等。
2、湿磨与浆料稀释溶解
纯碱碱融时新生成的Na2O·Al2O3·2SiO2很容易被NaOH分解，释放出Na2O·Al2O3和Na2O·SiO2。
Na2O·Al2O3遇水会部分发生水解，产生Al（OH）3与NaOH；Na2O·Fe2O3遇水全部水解，产生Fe（OH）3与NaOH。
通过湿磨及对湿磨后的浓浆料加水溶解，Na2O·A12O3和Na2O·Fe2O3水解产生的NaOH与Na2O·A12O3·2SiO2反应，部分Na2O·A12O3·2SiO2被分解成为Na2O·A12O3·2SiO2溶解于水进入溶液。过滤后，溶解的Na2O·A12O3和Na2O·SiO2与包含未反应的Na2O·A12O3·2SiO2固体及Fe（OH）3、部分Al（OH）3的杂质固体先行分离。
湿磨、溶解后的浆料中，70℃时SiO2的溶解情况见图2，
从图2可以看出，在2小时内，SiO2在溶液中的最大溶解度约55克/升。湿磨、溶解后的浆料应该在2小时内过滤分离。
图2 70℃Na2O200克/升、Al2O3120克/升时溶液中SiO2含量与时间关系曲线3、烧碱碱熔
向湿磨、溶解后的滤饼中加入烧碱NaOH溶液并烘焙干燥成干粉料，其作用是随着溶液的不断蒸发浓缩，NaOH浓度也不断增大，最终NaOH浓度将接近于最大的纯NaOH融化状态浓度。同时，随着溶液的蒸干，物料的反应温度也达到接近供热环境的最高温度，反应动力达到最大，从而将滤饼中的Na2O·A12O3·2SiO2全部分解成为Na2O·A12O3和Na2O·SiO2。
同时，滤饼中包含的Al（OH）3和Fe（OH）3也被重新转化成Na2O·A12O3和Na2O·Fe2O3。
4、干粉溶解
通常，SiO2在Na2O·Al2O3溶液中的稳定溶解度很低，过量的SiO2会与Na2·A12O3生成Na2O·A12O3·2SiO2沉淀，使A12O3与SiO2的提取率降低，Na2O碱耗（Na2CO3消耗）增大。
图3是70℃时SiO2在Na2O·A12O3溶液中的溶解情况。
图3中，曲线AB上方（Ⅲ区）为SiO2的过饱和区（不稳定区），AB与AC之间（Ⅱ区）为介稳状态区，AC下方（I区）为不饱和区（稳定溶解区）。
图3 SiO2在分子比（MR）为2.0的Na2O·Al2O3溶液中的溶解度和介稳状态溶解度（70℃）从图3看，当Na2O·Al2O3溶液中的MR为2.0，A12O3为75克/升时，SiO2的最大介稳浓度大约只有2克/升。但是，SiO2溶解于Na2O·A12O3溶液中时，开始时常常是过饱和的，并不会立即产生Na2O·Al2O3·2SiO2沉淀，需要在长时间的搅拌后，才能将其浓度降到平衡含量，达到介稳浓度。
试验结果证明，当加大溶液的MR到4.2以上，Al2O3为75克/升左右时，将烧碱碱熔得到的干粉溶解于水后，Na2O·SiO2在Na2O·Al2O3溶液中将会形成SiO2过饱和溶液，通过搅拌、加热2小时或放置4小时后，SiO2才逐步达到溶解平衡的介稳状态，溶液中会产生无定型的Na2O·Al2O3·2SiO2。因为没有晶种，在10～15天内Na2O·Al2O3·2SiO2都不会出现结晶析出，溶液可以稳定存在。
所以，干粉溶解于水后，在溶液自然温度下，应该在2小时或4小时内过滤分离，避免溶液中的杂质颗粒替代Na2O·Al2O3·2SiO2晶种，促成Na2O·AlO3·2SiO2晶体的生成。
干粉溶解后，Na2O·Al2O3和Na2O·SiO2全部溶解于水，部分Na2O·Al2O3发生水解，产生Al（OH）3与NaOH；Na2O·Fe2O3全部水解，产生Fe（OH）3与NaOH。水解产生的 NaOH会进一步加大SiO2（Na2O·SiO2）在溶液中溶解的稳定性。
将干粉溶解后的溶液过滤分离，滤饼中除了杂质，还有部分Al（OH）3。
5、烧喊溶出
用烧碱溶液溶解干粉溶解后的滤饼，使滤饼中的Al（OH）3与NaOH反应转化成Na2O·Al2O3溶解进入溶液，并与杂质分离。
6、稀释水解
将前面3次过滤分离得到的滤液合并，加水稀释，85%左右的Na2O·Al2O3发生水解，得到大部分Al（OH）3。
7、碳化分离
稀释水解后的滤液用CO2气体加压进行碳酸化处理，中和掉NaOH，降低溶液的PH值，使溶液中剩余的Na2O·Al2O3几乎全部水解成为Al（OH）3沉淀，残留的Na2O·Al2O3浓度低于10－3摩尔。
分离出Al（OH）3后，溶液成为Na2CO3和NaHSiO3混合溶液。
继续对Na2CO3和NaHSiO3混合溶液用CO2气体加压进行碳酸化处理，降低溶液的PH值，使溶液中NaHSiO3几乎全部水解成为H2SiO3沉淀。
分离出H2SiO2后，溶液成为稀Na2CO3溶液。
8、碱回收
将稀Na2CO3溶液直接用生石灰进行苛化处理，得到副产品CaCO3与稀NaOH溶液。NaOH溶液经过适当浓缩以后作为浓烧碱循环用于烧碱碱熔和烧碱溶出两道工序作原料。
将稀Na2CO3溶液适当浓缩后，再与高硅铝矿粉混合、干燥除去水分得到混合干粉，混合千粉循环用于纯碱碱融工序作原料。
Al2O3与SiO2提取率和碱损失率
影响Al2O3提取率的主要因素包括碱融转化的温度和时间以及干粉溶解后的滤饼用烧碱溶出时的浓度和温度。碱融温度过高或时间过长，生成的沸石型Na2O·Al2O3·2SiO2的松散结构将发生转化，变得更加致密，会增加后续烧碱处理的难度，进而降低Al2O3的提取率；滤饼用烧碱溶出时的浓度和温度增加，Al2O3的提取率增大。
影响SiO2提取率的主要因素包括原料中的CaO和MgO含量以及碱融反应的温度和时间。原料中的CaO和MgO含量增大，碱融时消耗的SiO2量增加，使SiO2的提取率降低；碱融温度过高或时间过长，SiO2的提取率也降低。
处理过程的碱损失主要取决于碱融反应的温度和时间。温度过高或时间过长，由于Na2CO3的蒸发和生成的Na2O·Al2O3·2SiO2结构趋向致密增加后续处理难度，将使部分Na2O不能被释放，都会使Na2CO3的损失率增大。
在年处理3000吨高硅铝矿原料的工业生产装置上的试验结果证明，对表1所列原料，取高硅铝矿粉：纯碱粉＝1:1.2～1.3配料、碱融温度1150～1350℃、反应时间40～25分钟，出料温度1050～1150℃，烧碱浓度50%左右、烧碱溶出温度70～80℃时，A12O3和SiO2的提取率分别可以达到95%与90%以上，纯碱Na2CO3的循环比例可达98%以上。
废气、废液循环和废热利用 高硅铝矿粉在纯碱碱融过程中，因燃料的燃烧和Na2CO3的分解，将放出大量的CO2气体，工艺中的碳化处理则需引入CO2将纯碱碱融过程中产生的CO2循环至碳化工序中，不仅CO2浓度能满足要求，而且CO2总量还有富余。
碳化形成的Na2CO3稀溶液与AI（OH）3沉淀以及H2SiO3沉淀分离后，经过适当浓缩，循环用于配料，与高硅铝矿粉混合得到浆料，再用工艺中的废热对所配得的浆料进行烘干，得到“高硅铝矿粉－Na2CO3”混合干粉，循环至纯碱碱融工段重新配料，实现了纯碱的循环应用。
生产中消耗的烧碱，用碳化所形成的Na2CO3稀溶液与生石灰进行苛化处理，回收得到烧碱，经过浓缩后循环至烧碱碱熔和烧碱溶出工段使用，实现了烧碱的循环应用。
各个工艺段的洗涤液集中收集，用作水淬液和相应工段的溶解用水。
生产过程的碱损失，通过洗涤液的循环利用和高硅铝矿原料中含有的K2O与Na2O的补充，可以基本实现平衡。
纯碱碱融时产生的高温烟道气首先分别用洁净的常温空气和水进行换热处理，得到550℃左右与350℃左右两种温度的洁净热空气和热水以及500～600℃的中温烟道气；500～600℃的中温烟道气直接用于对第二碳化后分离得到的、经过蒸发浓缩的浓Na2CO3溶液与高硅铝矿粉混合后的混合浆料进行干燥，得到混合干粉与200℃左右的低温烟道气；200℃左右的低温烟道气再经水洗、净化处理，得到含CO3的常温洁净烟道气，加压后作为CO2原料气体用于第一碳化和二碳化工艺，分别得到Al（OH）3和H2SiO3沉淀；550℃左右的洁净热空气用于烧碱碱熔工段的供热；350℃左右的洁净热空气用于产品干燥；热水用于各个相应工段的滤饼洗涤。
烧碱溶出后得到的滤渣，与苛化的废渣合并，用于对洗涤烟道气后的污水进行絮凝净化处理。净化处理后的清水循环用于烟道气洗涤。
结束语
用“C－J STK”技术从高硅铝矿原料中提取Al2O3和SiO2，同时作废气、废液循环利用和废热分级利用的新工艺，是高硅铝矿资源化、高附加值综合利用的有效途径。应用该技术工艺，只要原料中的Al2O3含量达到20%或Al2O3与SiO2含量合计达到70%，经济上就有开发利用价值。经过对表1所列原料的工业生产试验，每处理1吨该高硅铝矿原料，可以获得约360千克Al（OH）3和约820千克H2SiO3同时副产出CaCO3约500千克，产值超过5500元，利税达2500元以上。
通过对得到的Al（OH）3与H2SiO3进行进一步深加工，还可以生产出种类齐全、规格繁多的高附加值的各种铝盐与硅酸盐以及氧化铝、铝酸盐、沉淀白炭黑、硅胶等数十种化工产品。这些产品可以用于造纸、油墨、印染、纺织、医药、油脂、催化剂、塑料、橡胶、日化、石油、环保、无机盐等10多个工业行业作为原料使用，国内的年需求总量达到几千万吨。
本工艺不仅实现了高硅铝矿中铝资源与硅资源的全面回收和热能资源的合理转化利用，实现了高硅铝矿资源的合理利用，大幅度提高了高硅铝矿资源利用的经济效益，避免了资源浪费，减轻了环境污染，并且降低了生产成本，消除了生产中的二次污染，达到了清洁生产的目的，尤其针对中国这种软铝石型铝矿与高品位铝矿资源紧缺的实际状况，具有巨大的经济效益、社会效益和环境效益。
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