选矿拜尔法生产氧化铝新工艺实例

所谓“拜耳法”系奥地利化学家K·J·Bayer于1887年发明的处理优质铝土矿制取氧化铝的一种方法。拜耳法就是用含有大量游离苛性碱的循环母液处理铝土矿，溶出其中的氧化铝得到铝酸钠溶液，往铝酸钠溶液中添加氢氧化铝晶种，经过一定时间的搅拌分解就可以析出氢氧化铝，分解母液经蒸发后用于溶出下一批铝土矿。

拜耳法生产中经常用到苛性比、硅量指数、循环效率、晶种系数等概念。拜耳法就是用碱溶出铝土矿中的氧化铝。工业上把溶液中以NaAlO₂和NaOH形式存在的Na₂O叫做苛性碱（记作Na₂O_k），以Na₂CO₃形式存在的Na₂O叫做碳酸碱（记作Na₂O_c），以Na₂CO₄形式存在的Na₂O叫做硫酸碱（记作Na₂O），所有形态的碱的总和称做全碱（记作Na₂O_t）。

苛性比就是铝酸钠溶液中的Na₂O_k与Al₂O₃的摩尔比，记作α_ko。美国习惯用铝酸钠溶液中的Al₂O₃与Na₂O_k的质量比表示，符号A/N。

硅量指数指铝酸钠溶液中的Al₂O₃与SiO₂含量的比，符号A/S。

循环效率指铝酸钠溶液中的1t Na₂O在一次拜耳法循环中产出的Al₂O₃的量（t），用E表示。它表明碱的利用率的高低。

晶种系数（种子比）指添加晶种氢氧化铝中的Al₂O₃数量与分解原液中的Al₂O₃数量之比。

分解离指分解出氢氧化铝中的Al₂O₃数量占精液中所含Al₂O₃数量之比。计算式为：

η=（1－α_a/α_m）×100%

式中  α_a，α_m-分别表示分解精液和分解母液的苛性比值。

拜耳法生产包括四个过程：（1）用α_k=3.4的分解母液溶出铝土矿中的氧化铝，使溶出液的α_k=1.6～1.5；（2）稀释溶出液，洗涤分离出精制铝酸溶液（精液）；（3）精液加晶种分解；（4）分解母液蒸发浓缩至苛性碱的浓度达到溶出要求（230～280g/L）。拜耳法生产氧化铝的工艺流程如图1所示。

图1  拜耳法生产氧化铝的工艺流程图

在这四个过程中，铝土矿的溶出是拜耳法的关键工序。铝土矿中的三水铝石在140℃就很快地溶入苛性碱液，一水软铝石在180℃也就很快地溶入苛性碱液，而一水硬铝石在240℃以上才较快地溶入苛性碱液，刚玉根本就不溶。为了使苛性碱溶液的温度达到溶出所需温度，就要用压力釜给苛性碱液加热。溶出氧化铝的浆液的温度和压力都很高，需要取出其所含的能量，采用自蒸法产出二次蒸汽来预热进入高压釜前的浆液，同时降低了溶出液的温度和压力，流出高压釜进入敞开容器洗涤、分离出铝酸钠精液。现代生产都是把一系列预热器、高压釜和自蒸发器串联为溶出器组织进行连续作业。浆液靠高压泵打入夺力釜，对于一水硬铝石需达到3.33MPa/cm²以上的压力。所以把高压溶出车间比喻为氧化铝生产过程的心脏。

高压溶出用高压蒸汽加热，分为直接加热和间接加热两种。直接加热高压溶出就是把制好的原矿浆（经95℃预脱硅）压入双程预热器，加热到160℃，流到溶出器，在头两个或三个高压釜直接通入新蒸汽加热至溶出温度，然后依次进入后面的溶出器保温溶出。蒸汽直接加热溶出没有机械搅拌，结构简单。但也有许多缺点，矿浆一进入高压釜就受到稀释，要求循环母液苛性碱浓度高，从而增加了母液蒸发的负荷。间接加热用十级自蒸发的二次蒸汽把矿浆预热至200℃，在高压釜中用新蒸汽间接加热到溶出温度，蒸汽冷凝水不进入矿浆，高压釜中需要机械搅拌，流出矿浆经过十一级自蒸发回收热量，热利用率高。但间接加热高压溶出器组比直接加热器复杂，投资大。

拜耳法溶出时，为了减少结疤结瘤通常要进行脱硅，有在的原矿浆槽中于90℃以下的低温脱硅和在150℃下进行的中温脱硅，后者的脱硅效果较好，溶出液的硅量指数也较高。拜耳法溶液中Al₂O₃和SiO₂浓度变化如图2所示。

图2  拜耳法生产氧化铝时溶液中Al₂O₃和SiO₂的质量浓度

拜耳法要求铝土矿中的Al₂O₃含量达55%以上，A/S越大越好。A/S从11降至7，生产成本将增加14.5%。我国的铝土矿大多为A/S=5～7（占所有矿的59.3%），拜耳法不能经济地处理。对这部分铝土矿就要用碱石灰烧结法来处理。