1887年,奥地利科学家Karl Josef Bayer发明了拜耳法工艺,并申报了发明专利。
每产生1吨氧化铝,需要2-3吨铝土矿。
在全球范围内,铝土矿的供应量为9000万吨左右,其中的90%用于生产原铝。
为了原材料和产品的高效运输,氧化铝厂趋向于在铝土矿和(或)码头附近设置。
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氧化铝用于生产原铝,采用的工艺为Hall- Héroult电解冶炼工艺。
氧化铝也用于其它行业,诸如工业、医用陶瓷、沙纸、颜料、化妆品和医药。
从铝土矿中提炼氧化铝的工艺有很多,拜耳法工艺是最为经济的。在一些精炼厂,也采用其它工艺,这些企业分布在中国和俄罗斯,不过,在全球范围内,除拜耳法工艺,其它工艺的产量相对较低。
工艺阶段包括:
1.磨矿
洗矿和破碎铝土矿,降低矿石颗粒粒级,增加稀释阶段的比表面积。在磨矿阶段,形成可泵抽的矿浆,期间需要添加石灰和来自沉淀阶段的苛性钠“废液”。
2.脱硅
在铝土矿中,二氧化硅的含量较高,利用脱硅工艺,可去除其中的二氧化硅。硅可引起结垢,影响产品的质量。
3.溶出
采用苛性钠热溶液,溶解铝土矿中的含铝矿物(三水铝石、一水硬铝石和一水软铝石),生成铝化钠超饱和溶液或“母液”。
三水铝石:
Al(OH)3 + Na+ + OH- → Al(OH)4- + Na+
一水铝石:
AlO(OH) + Na+ + OH- + H2O → Al(OH)4- + Na+
根据铝土矿矿石的特点,确定溶解条件(苛性钠浓度、反应温度和压力),当矿石中三水铝石品位较高时,反应温度为140°C,一水铝石型铝土矿的溶解温度为200 - 280°C。压力并不是一个重要的因素,不过,它根据饱和蒸汽压力去确定。反应温度为240°C时,压力大约为3.5 MPa。
随后,在大气压力下,采用闪蒸冷却工艺快速冷却矿浆至大约160°C。生产的蒸汽用来预热废液。在某些采用高温溶解工艺的氧化铝厂,在闪蒸过程中注入高品位的铝土矿(三水化合物),以加速生产。这种添加晶种的工艺也减少了生产吨氧化铝所需的能源。
从理论上讲,高温条件的优势良多,不过,也有潜在的不利因素,譬如,除氧化铝以外,其它元素的氧化铝可能进入碱性溶液。
4.澄清/絮凝
澄清过程的第一道工序是利用絮凝工艺分离固体(铝土矿尾矿)与母液(溶液中含有铝酸钠)。为了加速絮凝,需要加入化学添加剂(絮凝剂)。铝土矿尾矿在絮凝池底部沉积,随后进入澄清工序,经过一系列的澄清过程,回收苛性钠(可以再用于溶出工序)。
为了进一步分离母液与铝土矿尾矿,采用一系列的过滤工序。其目的是为了确保终产品中不含尾矿中的杂质成份。
根据尾矿存放设施的条件,需要进一步对尾矿进行处理,包括进一步浓缩、过滤和(或)中和反应工序,之后再泵送至铝土矿尾矿处理场。
5. 沉降
在该阶段,利用结晶工艺从母液中中回收氧化铝,母液呈铝化钠过饱和状态。
结晶过程是通过不断冷却母液进行的,这一过程形成颗粒细小的氢氧化铝,之后,小颗粒结晶体生成大颗粒结晶体。沉淀反应是溶解阶段三水铝石溶解反应的逆反应。
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,之后用系列闪蒸冷却方式冷却。在加热器中的冷凝物可以二次利用,譬如用于锅炉补给水或洗涤铝土矿尾矿。剩余的苛性钠经洗矿后再次进入溶解工序。
7.分级
在沉淀阶段形成的三水铝石按粒级分类,一般采用气旋或重力分选设备(与净化阶段采用的沉淀和洗矿装置的工作原理相同)。大颗粒晶体进入焙烧工序,之前需要利用真空过滤将其从母液中分离,固体物用热水洗涤。
细粒结晶体经洗涤后去除有机物杂质,进入沉淀阶段,作为晶种使用。
8.焙烧
过滤后的氧化铝进入焙烧炉,焙烧温度可达1100°C,以去除自由水和化学结构水,形成固体氧化铝。焙烧工序有很多种类型,包括气态悬浮炉、流化床炉和回转窑。
在焙烧过程中,发生如下的反应:
2Al(OH)3 → Al2O3 + 3H2O
在一阶段,形成白色的氧化铝粉末,这也是拜耳法工艺的最终产品,也是电解铝或其它化工业的原材料。