拜耳法的基本原理是怎樣的?
答：拜耳法的實(shí)質(zhì)就是下面反應(yīng)在不同條件下的交替進(jìn)行：
Al2O3·nH2O(n=1,3)+2NaOH——2NaAlO+(n+1)HO (2-1)首先在高溫高壓條件下以NaOH溶液溶出鋁土礦，使其中氧化鋁水合物按式(2-1)反應(yīng)向右進(jìn)行得到鋁酸鈉溶液，F(xiàn)e、Si等雜質(zhì)進(jìn)入赤泥;而向經(jīng)過徹底分離赤泥后的鋁酸鈉溶液添加晶種，在不斷攪拌和逐漸降溫的條件下進(jìn)行分解，使式(2-1)反應(yīng)向左進(jìn)行析出氫氧化鋁，并得到含大量氫氧化鈉的母液;母液經(jīng)過蒸發(fā)濃縮后再返回用于溶出新的一批鋁土礦;氫氧化鋁經(jīng)過焙燒脫水得到產(chǎn)品氧化鋁。
NaO-AlO-HO系拜耳法循環(huán)圖有什么特點(diǎn)，如何利用循環(huán)圖理解拜耳法的原理?
答：拜耳法生產(chǎn)Al2O3的工藝流程是由許多工序組成的，其中主要有鋁土礦的溶出、溶出礦漿的稀釋、晶種分解和分解母液蒸發(fā)等四個(gè)工序。在這四個(gè)工序中鋁酸鈉溶液的溫度、濃度和苛性比值都不相同。將各個(gè)工序鋁酸鈉溶液的組成分別標(biāo)記在NaO-AlO-HO系等溫線圖上并將所有得到的點(diǎn)用直線連接起來就構(gòu)成了一個(gè)封閉的拜耳法循環(huán)圖。以處理一水鋁石型鋁土礦為例(見圖2-1)
拜耳法循環(huán)從鋁土礦溶出開始，用來溶出鋁土礦中氧化鋁水合物的鋁酸鈉溶液(即循環(huán)母液)的組成相當(dāng)于A點(diǎn)，它位于200℃等溫線的下方，即循環(huán)堿液在該溫度下是未飽和的，因而它具有溶解氧化鋁水合物的能力。隨著Al2O3的溶解，溶液中Al2O3 濃度逐漸升高，當(dāng)不考慮礦石中雜質(zhì)造成Na2O和Al2O3的損失時(shí)，溶液的組成應(yīng)沿著A點(diǎn)與Al2O3，H2O的圖形點(diǎn)的連線變化，直到飽和為止，溶出線的最終成分在理論上可以達(dá)到這根線與溶解度等溫線的交點(diǎn)B’。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，由于溶出時(shí)間的限制，溶出過程在此之前的B點(diǎn)便結(jié)束。B點(diǎn)為溶出液的組成點(diǎn)，其苛性比值比平衡液的苛性比值要高0.15~0.2。AB直線稱做溶出線。為了從溶出液中析出氫氧化鋁需要使溶液處于過飽和區(qū)，為此用赤泥洗液將其稀釋，溶液中Na20和Al2O3的濃度同時(shí)降低，故其成分由B點(diǎn)沿等苛性比值線變化到C 點(diǎn)，BC兩點(diǎn)所得到的直線稱做稀釋線(實(shí)際上由于稀釋沉降過程中發(fā)生少量的水解現(xiàn)象，溶液的苛性比值稍有升高)。分離赤泥后，降低溫度(比如降低為60℃)，溶液的過飽和程度進(jìn)一步提高，加入氫氧化鋁晶種，便發(fā)生分解反應(yīng)析出氫氧化鋁。在分解過程中溶液組成沿著C點(diǎn)與Al2O3.3H2O的圖形點(diǎn)連線變化。如果溶液在分解過程中最后冷卻到30℃，種分母液的成分在理論上可以達(dá)到連線與30℃等溫線的交點(diǎn)D'。在實(shí)際生產(chǎn)中，分解過程是在溶液中仍然過飽和著Al2O3的情況下結(jié)束的。CD連線稱做分解線。如果D點(diǎn)的苛性比值與A點(diǎn)相同，那么通過蒸發(fā)，溶液組成又可以回復(fù)到A點(diǎn)。DA連線成為蒸發(fā)線。由此可見，組成為A點(diǎn)的溶液經(jīng)過一次作業(yè)循環(huán)，便可以從礦石中提出一批氧化鋁。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，由于存在Al2O3和Na2O的化學(xué)損失和機(jī)械損失，溶出時(shí)蒸汽冷凝水使溶液稀釋，添加的晶種進(jìn)入母液使溶液苛性比值有所升高等原因，與理想過程有所差別，在每一次作業(yè)循環(huán)后必須補(bǔ)充所損失的堿，才能使母液的組成恢復(fù)到循環(huán)開始的A點(diǎn)。從以上的分析可見，在拜耳法生產(chǎn)氧化鋁的過程中，最重要的是在不同的工序控制一定的溶液組成和溫度，使溶液具有適當(dāng)?shù)姆€(wěn)定性。
拜耳法生產(chǎn)氧化鋁的基本流程圖是怎樣的?
答：拜耳法生產(chǎn)氧化鋁的基本流程圖如圖2-2所示。
鋁土礦為什么要破碎?
答：溶出過程是多相反應(yīng)。溶出反應(yīng)及擴(kuò)散過程均在相界面進(jìn)行，溶出速度與相界面面積成正比。礦磨得越細(xì)，溶出速度越快。另外礦石磨細(xì)后，才能使原來被雜質(zhì)包裹的氧化鋁水合物暴露出來，增多礦粒內(nèi)部的裂隙，縮短毛細(xì)管長度，也能促使溶出過程的進(jìn)行。
什么是配礦，什么是循環(huán)堿量和堿耗?
答：配礦就是把成分有差異的鋁土礦根據(jù)需要按比例混合均勻，使進(jìn)入流程中的鋁礦石的鋁硅比和氧化鋁、氧化鐵含量符合生產(chǎn)要求。
循環(huán)堿量是指生產(chǎn)1t氧化鋁在循環(huán)母液中所必須含有的堿量。堿耗是指每生產(chǎn)1t產(chǎn)品氧化鋁所需消耗的堿量。堿耗包括化學(xué)損失、附液損失、機(jī)械損失、產(chǎn)品帶走損失。化學(xué)損失指參與沉淀反應(yīng)的Na2O的消耗量。附液損失指赤泥附液帶走的Na2O量。機(jī)械損失指跑、冒、滴、漏帶走的Na2O量。
如何確定配料苛性比值?
答：配料苛性比值(ax)是指預(yù)期礦石中Al2O3充分溶出時(shí)，溶出液所應(yīng)達(dá)到的苛性比值。溶出時(shí)單位質(zhì)量的鋁土礦所應(yīng)配人的循環(huán)母液就是據(jù)此計(jì)算的顯然提高配料α、在溶出過程中溶液可以保持著大的未飽和度，使溶出速度加快，達(dá)到高的溶出率。但是它會(huì)使分解速度減慢，分解率降低，并且使循環(huán)效率降低，物料流量增大。
提高循環(huán)母液的苛性比值也可以降低循環(huán)堿量，但是其效果不如降低配料苛性比值顯著。因此，為了保證高的循環(huán)效率，應(yīng)采取盡可能低的配料苛性比值。
通常配料苛性比值要比在此條件下的平衡苛性比值高出0.2~0.3。隨著溶出溫度的提高，這個(gè)差值可以適當(dāng)縮小。
什么是鋁酸鈉溶液的穩(wěn)定性?
答：在氧化鋁生產(chǎn)過程中的鋁酸鈉溶液，絕大部分處于過飽和狀態(tài)，其中旬括種分母液。而過飽和的鋁酸鈉溶液結(jié)晶析出氫氧化鋁，在熱力學(xué)上是自發(fā)的不可逆過程，如果生產(chǎn)過程控制不好，就會(huì)造成氧化鋁的損失。所以研究鋁酸鈉溶液的穩(wěn)定性，對生產(chǎn)過程有重要意義。所謂鋁酸鈉溶液的穩(wěn)定性，是指從過飽和鋁酸鈉溶液開始分解析出氫氧化鋁所需時(shí)間的長短。過飽和程度越大，穩(wěn)定性越低，析出氫氧化鋁時(shí)間越短。
影響鋁酸鈉溶液穩(wěn)定性的主要因素有哪些?
答：(1)鋁酸鈉溶液的摩爾比。在其他條件相同時(shí)，溶液的摩爾比越低，其過飽和程度越大，溶液的穩(wěn)定性越低。
(2)鋁酸鈉溶液的濃度。由Na20-Al2O3-H2O系平衡狀態(tài)等溫截面圖可知，在常壓下，隨著溶液濃度的降低，等溫線的曲率變大，所以當(dāng)溶液摩爾比一定時(shí)，中等濃度(Na20 50~160g/L)鋁酸鈉溶液的過飽和程度大于更稀或更濃的溶液。中等濃度的鋁酸鈉溶液穩(wěn)定性最小，其結(jié)晶誘導(dǎo)期最短。
(3)溶液中所含的雜質(zhì)。氫氧化鐵離子經(jīng)膠凝作用長大，結(jié)晶成纖鐵礦結(jié)構(gòu)，它與一水軟鋁石極為相似，因而起到氫氧化鋁結(jié)晶中心的作用。而鈦酸鈉是表面極為發(fā)達(dá)的多孔狀結(jié)構(gòu)，極易吸附鋁酸鈉，使其表面附近的溶液摩爾比降低，氫氧化鋁析出沉積于其表面，因而起到結(jié)晶種子的作用。這些雜質(zhì)的存在，降低了鋁酸鈉溶液的穩(wěn)定性。
然而工業(yè)鋁酸鈉溶液中的多數(shù)雜質(zhì)，如SiO2、Na2SO4、Na2S及有機(jī)物等，卻使工業(yè)鋁酸鈉溶液的穩(wěn)定性不同程度地提高。SiO2在溶液中能形成體積較大的鋁硅酸根絡(luò)合離子，而使溶液黏度增大。碳酸鈉能增大-Al2O3。的溶解度，有機(jī)物不但能增大溶液的黏度，而且易被晶核吸附，使晶核失去作用。因此，這些雜質(zhì)的存在，又使鋁酸鈉溶液的穩(wěn)定性變大。
氧化鋁水合物在溶出過程的行為是怎樣的?
答：不同類型的鋁土礦由于其氧化鋁存在的結(jié)晶狀態(tài)不同，與鋁酸鈉溶液的反應(yīng)能力自然就會(huì)不同，即使同一類型的鋁土礦，由于產(chǎn)地不同，它們的結(jié)晶完整性也會(huì)不同，其溶出性能也就會(huì)不同。
關(guān)于三水鋁石在鋁酸鈉溶液中溶解的機(jī)理，庫茲涅佐夫認(rèn)為，當(dāng)溶液中有大量的OH- 離子存在時(shí)，它可以侵入三水鋁石的晶格中，切斷晶格之間的鍵，于是形成游離的Al(OH)63-離子團(tuán)擴(kuò)散到溶液中。Al(OH)63-在溶液中OH-含量較少時(shí)，會(huì)離解成AL(OH)-4和OH-。
卡爾維則認(rèn)為Al(OH)63-不是溶出反應(yīng)的中間產(chǎn)物，而氫氧化鋁分子是中間產(chǎn)物，他用干涉儀證明鋁酸鈉溶液中有半徑為0.22~0.24nm的粒子，并認(rèn)為它是氫氧化鋁分子。他認(rèn)為溶出過程首先生成氫氧化鋁分子，擴(kuò)散到溶液中，然后再和OH-作用。赫爾曼特有類似的看法，他認(rèn)為溶解的第一步是自結(jié)晶上分裂出氫氧化鋁分子。這些氫氧化鋁分子被吸附在結(jié)晶表面，當(dāng)某些分子獲得較大動(dòng)能時(shí)，則自結(jié)晶表面吸附層進(jìn)入溶液。
含硅礦物的溶出行為是怎樣的?
答：SiO2是鋁土礦中最常見的雜質(zhì)，也是堿法生產(chǎn)氧化鋁最有害的雜質(zhì)。鋁土礦中含硅礦物有無定型態(tài)的蛋白石、石英等氧化硅及其水合物，如高嶺石、葉臘石、絹云母、伊利石和長石等硅酸鹽和鋁硅酸鹽。它們與鋁酸鈉溶液的反應(yīng)能力取決于其存在的形態(tài)、結(jié)晶度以及溶液成分和溫度等因素。無定型的蛋白石SiO2nH2O化學(xué)活性最大，不但易溶于NaOH溶液，甚至能與Na2CO3反應(yīng)生成硅酸鈉。高嶺石在50℃便開始與NaOH溶液顯著作用。以高嶺石為例，它與鋁酸鈉母液的反應(yīng)如下：
反應(yīng)生成的硅酸鈉和鋁酸鈉都進(jìn)入溶液。當(dāng)硅酸鈉濃度達(dá)到一定值時(shí)，兩者相互反應(yīng)，生成水合鋁硅酸鈉逐漸析出，這一反應(yīng)使溶液中的SiO含量降低，因而稱為脫硅反應(yīng)，其反應(yīng)式為：
含鐵礦物的溶出行為是怎樣的?
答：鋁土礦中含鐵的礦物主要有氧化物、硫化物、硫酸鹽、碳酸鹽以及硅酸鹽。最常見的是氧化物，其中包括赤鐵礦、針鐵礦、褐鐵礦和磁鐵礦。鋁土礦溶出時(shí)所有赤鐵礦全部殘留在赤泥中，成為赤泥的重要組成部分。赤泥中以針鐵礦存在的含鐵雜質(zhì)通常具有不良的沉降和過濾性能。因此，在溶出時(shí)添加石灰促進(jìn)了針鐵礦轉(zhuǎn)變?yōu)槌噼F礦。
氧化鐵含量越多，赤泥量越大，則洗滌用水越多，因此水的蒸發(fā)量大，導(dǎo)致赤泥分離設(shè)備、洗滌設(shè)備及蒸發(fā)設(shè)備相應(yīng)增多。
在生產(chǎn)溶液中往往含有2~3mg/L以鐵酸鈉形態(tài)溶解的鐵，還含有細(xì)度在3μm以下的含鐵礦物微粒。這些微粒很難濾除，成為氫氧化鋁的雜質(zhì)。
TiO在溶出過程中的行為是怎樣的?
答：TiO2只在AL2O3含量未達(dá)到飽和的鋁酸鈉溶液中才能與NaOH相互作用產(chǎn)生鈦酸鈉。TiO2與苛性鈉溶液作用生成鈦酸鈉，其組成隨溶液濃度和溫度而改變在溶出一水硬鋁石型的鋁土礦時(shí)，氧化鈦使溶解過程顯著惡化。這是由于TiO2在一水硬鋁石表面生成一層很致密的鈦酸鈉保護(hù)膜，將礦物包裹起來，阻礙其溶出三水鋁石易于溶解，TiO2的阻礙影響較小。一水軟鋁石受到的阻礙也小得多。
在拜耳法生產(chǎn)中，TiO2是很有害的雜質(zhì)，它引起Na2O的損失和Al2O3溶出率的降低。特別是在原礦漿預(yù)熱器和壓煮器的加熱表面生成鈦結(jié)疤，增加熱能的消耗和清理工作量。
鋁土礦溶出時(shí)，添加石灰是減少和消除TiO2危害的有效措施。CaO與TiO2 反應(yīng)，最終生成結(jié)晶狀的鈦酸鈣 CaO·TiO2。CaO的添加可以有效地防止在水硬鋁石表面生成鈦酸鈉保護(hù)膜。
含Ca、Mg礦物在溶出過程中的行為是怎樣的?
答：在鋁土礦中有少量的方解石CaCO3和白云石CaCO3·MgCO3。碳酸鹽是鋁土礦中常見的有害雜質(zhì)，它們在堿溶液中容易分解，使苛性鈉轉(zhuǎn)變?yōu)樘妓徕c：
式中Me表示鈣或者鎂。氫氧化鈣和氫氧化鎂與鋁酸鈉溶液反應(yīng)生成水合鋁酸鹽析出，造成Al2O3損失。
影響鋁土礦溶出過程的因素有哪些?
答：在鋁土礦溶出過程中，由于整個(gè)過程是復(fù)雜的多相反應(yīng)，因此影響溶出過程的因素比較多。這些影響因素可大致分為鋁土礦本身的溶出性能和溶出過程作業(yè)條件兩個(gè)方面。鋁土礦的溶出從本質(zhì)上講是晶格的破壞過程，因此氧化鋁水合物的晶型和結(jié)構(gòu)自然影響溶出的快慢。除了礦物晶型和結(jié)構(gòu)的影響，鋁土礦的外觀形態(tài)，如空隙、裂縫等的存在有利于鋁土礦的溶出。下面主要討論溶出過程中溶出條件的影響。
(1)溫度。溫度是溶出過程中最主要的影響因素，不論反應(yīng)過程是由化學(xué)反應(yīng)控制還是擴(kuò)散控制，溫度都是影響反應(yīng)過程的一個(gè)重要因素。從Na20-Al2O3-H2O系溶解度曲線可以看出，提高溫度后，鋁土礦在堿溶液中的溶解度顯著增加，溶液的平衡摩爾比明顯降低，使用濃度較低的母液就可以得到摩爾比低的溶出液。由于溶出液與循環(huán)母液的Na2O濃度差縮小，蒸發(fā)負(fù)擔(dān)減輕，堿的循環(huán)效率提高。此外，溶出溫度提高還可以使赤泥結(jié)構(gòu)和沉降性能改善，溶出液摩爾比降低也有利于制取砂狀氧化鋁。
提高溫度使礦石在礦物形態(tài)方面的差別所造成的影響趨于消失。例如，在300℃以上的溫度，不論氧化鋁水合物的礦物形態(tài)如何，大多數(shù)鋁土礦的溶出過程都可以在幾分鐘內(nèi)完成，并得到近于飽和的鋁酸鈉溶液。
但是提高溫度會(huì)使溶液的飽和蒸氣壓急劇增大，溶出設(shè)備和操作方面的困難也隨之增加，這就使溶出溫度受到限制。
(2)攪拌強(qiáng)度。強(qiáng)烈的攪拌使整個(gè)溶液成分趨于均勻，礦粒表面上的擴(kuò)散層厚度將會(huì)相應(yīng)減小，從而強(qiáng)化了傳質(zhì)過程。加強(qiáng)攪拌還可以在一定程度上彌補(bǔ)溫度、堿濃度、配堿數(shù)量和礦石粒度方面的不足。
(3)循環(huán)母液堿濃度。母液堿濃度越高，Al2O3的未飽和程度就越大，鋁土礦中的Al2O3的溶出速度就越快，而且能得到摩爾比低的溶出液。高濃度溶液的飽和蒸氣壓低，設(shè)備所承受的壓力也要低些。但是從整個(gè)流程來看，種分后的鋁酸鈉溶液，即蒸發(fā)原液的Na2O質(zhì)量濃度不宜超過240g/L，如果要求母液的堿濃度過高，蒸發(fā)過程的負(fù)擔(dān)和困難必然增大，所以從整個(gè)流程來權(quán)衡，母液的堿濃度只宜保持為適當(dāng)?shù)臄?shù)值。
(4)配料摩爾比。預(yù)期溶出液摩爾比(MR)稱為配料MR。它的數(shù)值越大，即單位質(zhì)量的礦石配的堿量越高。由于在溶出過程中溶液始終保持著更大的不飽和度，因此溶出速度必然更快。但是，這樣一來循環(huán)效率必然降低，物料流量則會(huì)增大。為了降低循環(huán)堿量，降低配料摩爾比較提高母液摩爾比的效果更大。所以，在保證Al2O3的溶出率不過分降低的前提下，制取摩爾比盡可能低的溶出液是對于溶出過程一項(xiàng)重要要求。低摩爾比的溶出液還有利于種分過程的進(jìn)行。(5)礦石細(xì)磨程度。細(xì)磨程度越高，粒度越小，比表面積越大。這樣礦石與溶液接觸面積就越大，即反應(yīng)面積增加了，溶出速率就會(huì)增快。另外，礦石的細(xì)磨程度提高可使原來被雜質(zhì)包裹的氧化鋁水合物暴露出來，增加了氧化鋁的溶出率。溶出三水鋁石型鋁土礦時(shí)，一般不要求磨得更細(xì)，有時(shí)破碎到16mm即可進(jìn)行滲濾溶出。致密難溶的一水硬鋁石性礦石則要求細(xì)磨。然而過分的細(xì)磨使生產(chǎn)費(fèi)用增加，又無助于進(jìn)一步提高溶出速度，而且還可能使溶出赤泥變細(xì)，造成赤泥分離洗滌的困難。
(6)溶出時(shí)間。鋁土礦溶出過程中，只要Al2O3的溶出率沒有達(dá)到最大值，那么增加溶出時(shí)間，Al2O3的溶出率就會(huì)增加。
(7)CaO的添加。拜耳法高壓溶出過程中添加CaO的作用有：1)消除鋁土礦中TiO2的不良影響，避免鈦酸鈉的生成;2)提高Al2O3的溶出速度;3)促進(jìn)針鐵礦轉(zhuǎn)變?yōu)槌噼F礦，進(jìn)而改善赤泥的沉降性能;4)降低堿耗，CaO可以使部分SiO2沉淀，減少SiO2與堿的反應(yīng)，降低堿耗;5)清除雜質(zhì)，CaO可以使鋁酸鈉溶液中的釩酸根、鉻酸根和氟離子轉(zhuǎn)變成相應(yīng)的鈣鹽進(jìn)入赤泥。
溶出工藝設(shè)備主要有哪些?
答：拜耳法生產(chǎn)氧化鋁已經(jīng)走過了100多年的歷程，盡管拜耳法生產(chǎn)方法本身沒有實(shí)質(zhì)性的變化，但就溶出技術(shù)而言卻發(fā)生了巨大的變化。溶出方法由單雄間歇溶出作業(yè)發(fā)展為多罐串聯(lián)連續(xù)溶出，進(jìn)而發(fā)展為管道化溶出。目前的管道化溶出器，溶出溫度可達(dá)280~300℃。加熱方式由蒸汽直接加熱發(fā)展為蒸汽間接血熱，乃至管道化溶出高溫度的熔鹽加熱。
管道化溶出技術(shù)的優(yōu)越性有哪些?
答：管道化溶出技術(shù)的優(yōu)越性有：
(1)導(dǎo)熱性好，傳熱系數(shù)高。管道化溶出是一種新型的溶出裝置，礦漿從加熱到溶出全過程都是在管道里進(jìn)行的。礦漿在管道中有較高的流動(dòng)速度(一般為2~5m/s)，內(nèi)部流速大，礦漿產(chǎn)生高度的湍流運(yùn)動(dòng)，改善了傳熱效果。
(2)溶出時(shí)間短，單位容積產(chǎn)能高。提高溶出溫度和攪拌強(qiáng)度能夠大大地提高溶出速率，一般來說，每提高10℃，反應(yīng)速率增加1.5倍。因此，當(dāng)溶出溫度在300℃時(shí)，只需1~2min便可完成溶出。由于溶出時(shí)間縮短，單位容積產(chǎn)能得到提高。
(3)溶出液苛性比值低，有利于分解速率的加快。氧化鋁在堿液中的溶解度，隨著溫度的提高而增加。管道化溶出由于溫度高，溶出液的苛性比值低，這對縮短分解時(shí)間、強(qiáng)化分解有利。
(4)可采用低堿濃度溶出。隨著溶出反應(yīng)溫度的提高，溶出用的循環(huán)母液的堿濃度可降低到與分解母液相同的濃度，這樣就使整個(gè)拜耳法過程不必用能量消耗大的蒸發(fā)裝置來蒸發(fā)分解母液，使整個(gè)生產(chǎn)過程的能耗降低。
(5)熱源可采用熔鹽加熱。無機(jī)鹽載熱體是一種硝酸鹽的混合物，將該熔鹽在加熱爐中加熱至510~540℃后送人換熱裝置與被加熱物料進(jìn)行熱交換，熔鹽本身溫度降低后，再用熔鹽循環(huán)泵送入熔鹽加熱爐中加熱，循環(huán)使用。
拜耳法過程結(jié)垢是如何產(chǎn)生的，結(jié)垢有何危害，應(yīng)該如何清除?
答：拜耳法過程中產(chǎn)生的結(jié)垢主要有3種：(1)溶液脫硅過程中產(chǎn)生鈉硅渣、水化石榴石等。(2)含鈦礦物在溶出過程中與添加劑及溶液反應(yīng)生成，主要成分有鈦酸鈣和羥基鈦酸鈣。(3)除了上述結(jié)垢成分以外，還有磷酸鹽、含鎂礦物、氟化物和草酸鹽等。
在氧化鋁生產(chǎn)過程中，結(jié)垢的形成比較復(fù)雜。給氧化鋁生產(chǎn)帶來的危害主要是使熱交換設(shè)備的傳熱系數(shù)下降，能耗升高，造成生產(chǎn)成本增加。當(dāng)加熱面的結(jié)垢厚達(dá)1mm時(shí)，為達(dá)到相同的加熱效果，必須增加一倍的傳熱面積，或者相應(yīng)提高加熱介質(zhì)的溫度。結(jié)垢直接影響生產(chǎn)工藝和技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。
結(jié)垢的清除方法主要有機(jī)械清理、火焰清理、高壓水洗和化學(xué)清洗。機(jī)械清理是指用機(jī)械工具沖碎結(jié)垢;火焰清理是用火焰驟然加熱管道，使結(jié)垢爆裂脫落，達(dá)到清除的目的;高壓水洗是用10~100MPa高壓水沖洗結(jié)垢，使結(jié)垢脫落，達(dá)到消除結(jié)垢的目的;化學(xué)清洗是用混合酸(3%HCl+5%HF)并加入2.5g/m3的緩蝕劑，在80℃下，反復(fù)沖洗管道5~6h就可以清除結(jié)垢。
溶出礦漿稀釋的目的是什么?
答：溶出礦漿在分離之前用赤泥洗液稀釋的目的主要有：(1)降低鋁酸鈉溶液的濃度，便于晶種分解溶出礦漿濃度很高，高濃度的鋁酸鈉溶液比較穩(wěn)定，不利于晶種分解。用赤泥洗液將溶出礦漿稀釋，降低溶液的穩(wěn)定性，加快分解速度，有利于種分過程。(2)使鋁酸鈉溶液進(jìn)一步脫硅，氧化硅在高濃度的鋁酸鈉溶液中的平衡濃度也很高。稀釋使溶液濃度降低，二氧化硅的過飽和度增大，溶液中有大量的赤泥顆粒作為種子，溶液溫度又高，有利于脫硅反應(yīng)。(3)有利于赤泥分離溶出后礦漿濃度高，黏度大，不利于赤泥分離，稀釋使溶液濃度降低，黏度下降，赤泥沉降速度加快，從而有利于赤泥分離。(4)便于沉降槽的操作。礦漿濃度波動(dòng)將影響沉降槽的操作，礦漿稀釋使溶液濃度穩(wěn)定，在稀釋槽內(nèi)混合后使礦漿成分波動(dòng)小，有利于沉降槽的操作。
赤泥漿液的主要成分是什么?
答：高壓溶出后的漿液是一個(gè)復(fù)雜的體系。液相為鋁酸鈉溶液，是強(qiáng)堿性的電解質(zhì)，其中含有鋁酸鈉、氫氧化鈉、碳酸鈉，此外含有少量的硅酸鈉、硫酸鈉、草酸鈉等。固相為赤泥。赤泥中主要成分為鋁硅酸鹽、鐵的化合物和鈦酸鹽等。赤泥的礦物組成和粒度主要取決于鋁土礦的組成、結(jié)構(gòu)和溶出條件。
高壓溶出后的漿液經(jīng)過稀釋后的液固比一般為10~35。工業(yè)生產(chǎn)中拜耳法赤泥通常是采用沉降分離和沉降洗滌的。
影響拜耳法赤泥沉降和壓縮性能的主要因素有哪些?
答：(1)鋁土礦的礦物組成和化學(xué)成分。鋁土礦的礦物組成和化學(xué)成分是影響赤泥沉降和壓縮性能的主要因素。鋁土礦中常見的一些礦物，如黃鐵礦、膠黃鐵礦、針鐵礦、高嶺石、蛋白石、金紅石等礦物使赤泥的沉降性能降低，而赤鐵礦、菱鐵礦、磁鐵礦、水綠礬等則有利于沉降。前一類礦物所構(gòu)成的赤泥往往吸附著較多的Al(OH)z，Na*和結(jié)合水，而后一類礦物構(gòu)成的赤泥則吸附較少。
(2)赤泥漿液的溫度。溶液密度及黏度隨著溫度的提高而下降，因而有利于其中赤泥的沉降。溫度升高能減少膠體質(zhì)點(diǎn)所帶電荷，促進(jìn)赤泥顆粒的聚集。
另外，分離及洗滌溫度較高，溶液的穩(wěn)定性也較好，氧化鋁的水解損失減少，設(shè)備管道結(jié)疤減少，所以在赤泥的分離洗滌過程中，必須嚴(yán)格保證較高的溫度，通常均保持在95℃以上。
(3)礦石細(xì)磨程度。礦石磨得越細(xì)，赤泥粒子越小。粒子的沉降速度與其粒徑的平方成正比，礦石磨得過細(xì)不利于赤泥沉降。
(4)鋁酸鈉溶液的濃度及黏度。赤泥漿液的濃度越大，液固比越小，漿液的黏度越大，沉降速度就越慢，沉降性能變差。
改善拜耳法赤泥沉降性能的途徑有哪些?
答：改善拜耳法赤泥沉降性能的途徑有：
(1)鋁土礦預(yù)先焙燒。將鋁土礦預(yù)先在500℃左右下進(jìn)行焙燒，使含水氧化鐵礦物變成致密穩(wěn)定的無水氧化鐵，并除去有機(jī)物。
(2)提高溶出溫度。提高溶出溫度可以獲得結(jié)晶較好的水合鋁硅酸鈉。如溶出溫度大于260℃時(shí)所得赤泥將變成疏水性的。當(dāng)溶出溫度達(dá)到290℃時(shí)，盡管礦石中含有大量高嶺石和針鐵礦等礦物，赤泥的沉降性能依然很好，這是因?yàn)樵诟邷叵赂邘X石反應(yīng)成為結(jié)晶良好的水合鋁硅酸鈉，而針鐵礦等轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的赤鐵礦，不再重新水化。所以高溫溶出后的赤泥是憎水的，即使粒度小，由于表面能大，仍然有利于粒子聚結(jié)。
(3)添加絮凝劑。添加絮凝劑是目前工業(yè)上普遍采用的加速赤泥沉降的有效辦法。在絮凝劑的作用下，赤泥漿液中處于分散狀態(tài)的細(xì)小赤泥顆?；ハ嗦?lián)接成絮團(tuán)，粒度增大，沉降速度顯著提高。
赤泥的危害有哪些?
答：全世界每年排放赤泥約6000萬噸，我國每年排出的赤泥量就達(dá)600萬噸以上，累積赤泥堆存量高達(dá)5000萬噸，而其利用率僅為15%左右。赤泥堆存不但需要一定的基建費(fèi)用，而且占用大量土地，污染環(huán)境，并使赤泥中的許多可利用成分得不到合理利用，造成資源的二次浪費(fèi)，嚴(yán)重地阻礙了鋁工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。目前國內(nèi)外氧化鋁廠大都將赤泥輸送到堆場，筑壩濕法堆存，靠自然沉降分離使部分堿液回收利用。另一種方法是將赤泥干燥脫水后堆存，我國的平果鋁業(yè)公司主要采用干法堆存，雖然減少了堆存量及可增加堆存的高度，但處理成本增加，并仍需占用土地，同時(shí)南方雨水充足，也容易造成土地堿化及水系的污染。
赤泥在堆放過程中除了占用大量土地外，還由于赤泥中的化學(xué)成分入滲土地易造成土地堿化、地下水污染，人們長期攝取這些物質(zhì)，必然會(huì)影響身體健康赤泥的主要污染物為堿、氟化物、鈉及鋁等，其含量較高，超過了國家規(guī)定的排放標(biāo)準(zhǔn)(《有色金屬工業(yè)固體廢物污染控制標(biāo)準(zhǔn)》(GB5058——85)。
由于赤泥中含有大量的強(qiáng)堿性化學(xué)物質(zhì)，稀釋10倍后其pH值仍為11.25~11.50(原土為12以上)，極高的pH值決定了赤泥對生物和金屬、硅質(zhì)材料的強(qiáng)烈腐蝕性。高堿度的污水滲入地下或進(jìn)入地表水，使水體pH值升高，以致超出國家規(guī)定的相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)由于pH值的高低常常影響水中化合物的毒性，因此還會(huì)造成更為嚴(yán)重的水污染。一般認(rèn)為堿含量為30~400mg/L是公共水源的適合范圍，而赤泥附液的堿度高達(dá)26348mg/L，如此高堿度的赤泥附液進(jìn)入水體，其污染不言而喻，赤泥對生態(tài)環(huán)境的不良影響必須給予高度的重視和認(rèn)真的研究。
鋁酸鈉溶液分解過程的機(jī)理是怎樣的?
答：鋁酸鈉溶液的分解過程不同于一般無機(jī)鹽溶液的結(jié)晶過程，它是一個(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)過程。雖然在這方面進(jìn)行了大量的研究工作，但是認(rèn)識(shí)仍然是不夠的。大多數(shù)研究者傾向于鋁酸根離子是通過聚合作用形成聚合離子群并最終形成三水鋁石的超微細(xì)晶粒的理論。他們認(rèn)為在過飽和的鋁酸鈉溶液中，鋁酸根能按照反應(yīng)式 生成聚合離子。隨著溶液成分接近于平衡成分，增加了離子碰撞的可能性。使聚合分子數(shù)增加，這些聚合分子連接為締合物，這種締合物達(dá)到一定尺寸后就會(huì)變成新相的晶核。
影響晶種分解過程的主要因素有哪些?
答：(1)分解原液的濃度和苛性比值。分解原液的濃度和苛性比值是影響種分速度、產(chǎn)出率和分解槽單位產(chǎn)能最主要的因素，對分解產(chǎn)物氫氧化鋁的粒度也有明顯的影響。當(dāng)溶液苛性比值一定時(shí)，有一使分解槽單位產(chǎn)能最大的最佳濃度。溶液苛性比值越低，最佳濃度越高。因?yàn)殡S著溶液苛性比值降低，溶液過飽和度增加，分解速度加快，分解時(shí)間縮短。因此分解槽單位產(chǎn)能增加。
(2)分解溫度。分解溫度是影響氫氧化鋁粒度的主要因素。將溫度50℃提高至85℃，晶體長大的速度增大約6~10倍。分解溫度高有利于避免或減少新晶核的生成，得到結(jié)晶完整、強(qiáng)度較大的氫氧化鋁。因此，生產(chǎn)砂狀氧化鋁的拜耳法廠，分解初溫控制在70~85℃之間，終溫也達(dá)到60℃，這對晶體長大與直收率顯然是不利的。生產(chǎn)面粉狀氧化鋁的工廠，對產(chǎn)品粒度無嚴(yán)格要求，故采用較低的分解溫度。
(3)晶種數(shù)量和質(zhì)量。鋁酸鈉溶液必須添加大量晶種才能進(jìn)行分解是它的一個(gè)突出特點(diǎn)。晶種數(shù)量通常用晶種系數(shù)(種子比)表示，也有用晶種的絕對數(shù)量表示。隨著晶種系數(shù)的增加，分解速度加快，特別是當(dāng)晶種系數(shù)比較小時(shí)，提高晶種系數(shù)的作用更為顯著。
品種的質(zhì)量是指它的活性及強(qiáng)度大小，它取決于晶種制備的方法、條件、保存時(shí)間及結(jié)構(gòu)和粒度。晶種的活性對分解速度影響很大，采用新沉淀比表面積大的細(xì)粒氫氧化鋁為活性晶種時(shí)，晶種系數(shù)可以降低為0.05~0.1。但是目前工上并未采用活性晶種，一方面是它的制備困難，另一方面是它難以保證氫氧化鋁產(chǎn)品的粒度和強(qiáng)度。采用高強(qiáng)度的氫氧化鋁晶種才能制得強(qiáng)度大的產(chǎn)品。
(4)分解時(shí)間及母液苛性比值。分解時(shí)間延長，氧化鋁的分解率提高，母液苛性比值增加。隨著分解時(shí)間延長，分解速度越來越小，母液苛性比值的增長也相應(yīng)的越來越小，分解槽單位產(chǎn)能越來越低，而細(xì)粒級(jí)的含量越來越多，因此過分延長分解時(shí)間是不恰當(dāng)?shù)摹?/span>
(5)攪拌速度。攪拌可使氫氧化鋁晶種能在鋁酸鈉溶液中保持懸浮狀態(tài)保證晶種與溶液有良好的接觸，使溶液的濃度均勻，加速溶液的分解，并使氫氧化鋁晶體均勻地長大。攪拌也使氫氧化鋁顆粒破碎和磨蝕，一些強(qiáng)度小的顆粒破裂并無壞處，它可以成為晶種在以后的作業(yè)循環(huán)中轉(zhuǎn)化為強(qiáng)度大的晶體，因此在分解過程中應(yīng)保持一定的攪拌速度。
(6)雜質(zhì)的影響。溶液中含有少量有機(jī)物對分解過程影響不大，但是積累到一定程度后，分解速度下降，Al(OH)3粒度變細(xì)。因?yàn)槲皆诰ХN表面的有機(jī)物阻礙晶體的進(jìn)一步長大，也降低了氫氧化鋁強(qiáng)度。硫酸鈉和硫酸鉀使分解速度降低，當(dāng)SO3含量超過30~40g/L時(shí)，分解速度開始顯著降低，氫氧化鋁粒度不均勻。鋁土礦中含少量的鋅，一部分在溶出時(shí)進(jìn)入鋁酸鈉溶液，種分時(shí)全部以氫氧化鋅形態(tài)析出進(jìn)入氫氧化鋁中，從而降低氫氧化鋁產(chǎn)品質(zhì)量。氟化物在一般含量下對分解速度無影響。但氟、釩、磷等雜質(zhì)對氫氧化鋁的粒度都有影響。
分解母液蒸發(fā)的目的是什么?
答：母液蒸發(fā)就是利用蒸汽把母液間接加熱至沸騰使水激烈汽化，同時(shí)將生成的水蒸氣連續(xù)地抽至冷凝器中冷卻成水加以排除。分解母液蒸發(fā)的目的主要是排除流程中母液中多余的水分，保持循環(huán)系統(tǒng)的水量平衡;使母液濃度符合鋁土礦溶出的濃度要求;排除生產(chǎn)過程累積的雜質(zhì)。
如何降低蒸發(fā)水量?
答：(1)減少循環(huán)堿液的流量。提高循環(huán)效率以減少母液流量是減少蒸發(fā)水量的主要因素。提高分解母液α&，特別是降低溶出液的αs，可大大提高循環(huán)效率，減少循環(huán)母液流量，當(dāng)溶出液α變由1.7降低到1.5時(shí)，堿液流量約減少23%，蒸發(fā)水量也相應(yīng)減小。由于過分提高分解母液a、使分解槽單位產(chǎn)能降低因此主要途徑是通過提高鋁土礦溶出溫度，達(dá)到降低溶出液α、的目的。
(2)降低循環(huán)母液的濃度。當(dāng)循環(huán)母液濃度由300g/L降低至220g/L，在其他條件不變時(shí)，蒸發(fā)量可降低28%。但循環(huán)母液濃度決定于溶出過程的需要，溶出三水鋁石型鋁土礦可以采用濃度低的循環(huán)母液，而在240℃溶出一水硬鋁石型鋁土礦的條件下，降低循環(huán)母液濃度和溶出液ax的可能性是有限的。
(3)提高稀釋后鋁酸鈉溶液的濃度。將稀釋后的鋁酸鈉溶液濃度由130g/L Na2，0提高到160g/L Na20時(shí)，可減少蒸發(fā)水量30%。實(shí)踐證明適當(dāng)提高溶液的濃度是有利的，但濃度過高不利于赤泥分離和種分過程。
氫氧化鋁焙燒的目的是什么，主要發(fā)生哪些反應(yīng)?
答：氫氧化鋁焙燒的目的是在一定溫度下把氫氧化鋁的附著水和結(jié)合水脫除，并發(fā)生分解反應(yīng)，形成氧化鋁，再進(jìn)行晶型轉(zhuǎn)變，得到具有一定物理和化學(xué)性能的氧化鋁產(chǎn)品。
工業(yè)生產(chǎn)的氫氧化鋁含有10%~15%的附著水，其分子組成為Al(OH)。焙燒是在900~1250℃下進(jìn)行的，氫氧化鋁在焙燒過程中發(fā)生一系列變化。當(dāng)溫度達(dá)到100~120℃時(shí)，附著水即被完全蒸發(fā)掉。繼續(xù)提高溫度則發(fā)生結(jié)晶水的脫除以及無水氧化鋁的晶型轉(zhuǎn)變。
焙燒溫度對產(chǎn)品粒度有什么影響?
答：焙燒過程中氫氧化鋁隨著脫水和相變的進(jìn)行，其物理性質(zhì)發(fā)生一系列變化。物料在焙燒中發(fā)生了由粉化到強(qiáng)化再到粉化的過程。當(dāng)溫度達(dá)到400℃時(shí)，細(xì)粒子數(shù)量達(dá)到最大值，比表面積達(dá)到最大，隨著脫水過程的結(jié)束，結(jié)晶體結(jié)構(gòu)趨于改善，強(qiáng)度提高，細(xì)粒子減少，氧化鋁粒度變粗。當(dāng)溫度達(dá)到1200~1300℃時(shí)，由于α-AlO的再結(jié)晶，集合體強(qiáng)度大大降低，大部分崩解，產(chǎn)生大量的細(xì)粒子。1000℃左右焙燒的氧化鋁，其安息角小，流動(dòng)性好，粒度較粗，且由于α-AlO含量低、粒度小、比表面積大，在冰晶石熔體中的溶解度較大。
焙燒過程中的加熱速率以及焙燒產(chǎn)品的冷卻速率也會(huì)影響產(chǎn)品的粉化。加熱和冷卻速率越慢，以及焙燒和冷卻過程中物料顆粒受的機(jī)械磨損減少，則產(chǎn)品氧化鋁粒度越粗。
礦化劑對氫氧化鋁焙燒有什么影響?
答：在焙燒氫氧化鋁時(shí)添加AlF或CaF作為礦化劑，可以提高回轉(zhuǎn)窯的產(chǎn)能，降低熱耗，減少灰塵量，對氧化鋁的物理性質(zhì)也有較大影響。氟化鋁的主要作用是能加速氧化鋁相轉(zhuǎn)變，降低相轉(zhuǎn)變溫度。
氫氧化鋁焙燒主要設(shè)備有哪些?
答：氫氧化鋁的焙燒設(shè)備主要采用回轉(zhuǎn)焙燒窯、循環(huán)焙燒爐或閃速焙燒爐。
目前，因回轉(zhuǎn)焙燒窯能耗較高，自動(dòng)控制水平較低，飛揚(yáng)損失大，對氧化鋁的磨損大，因此已逐漸被淘汰。
目前焙燒主要采用具有較高自動(dòng)控制水平的循環(huán)焙燒爐。循環(huán)焙燒爐也稱為循環(huán)沸騰焰燒爐，是流態(tài)化技術(shù)在氧化鋁工業(yè)中的應(yīng)用。循環(huán)焙燒爐是由焙燒爐和一個(gè)直接與焙燒爐連在一起的旋風(fēng)器及U形密封槽組成的。焙燒過程所需要的熱能由燃料在焙燒爐內(nèi)直接燃燒而產(chǎn)生的燃燒氣體提供，它同時(shí)也是焙燒物料的沸騰介質(zhì)。
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