幾內(nèi)亞某鋁土礦拜耳法溶出氧化鋁試驗(yàn)研究

陸海飛

（廣西博環(huán)環(huán)境咨詢服務(wù)有限公司，廣西 南寧 530007）

我國鋁土礦以巖溶型為主，僅在廣西、福建、海南等地發(fā)現(xiàn)有少量紅土型鋁土礦；并且主要以一水硬鋁石型為主，與三水軟鋁石及一水軟鋁石相比，一水硬鋁石型鋁土礦的處理工藝流程更為復(fù)雜、投資大、能耗高，產(chǎn)品質(zhì)量也存在一定的差距［1］。

雖然國內(nèi)已查明的鋁土礦資源分布較為集中，但是適合露天開采的鋁土礦礦床不多，只占全國總儲(chǔ)量的34%［2］。因一水硬鋁石型礦石生產(chǎn)氧化鋁成本較高，隨著資源消耗速度的提高，未來開采成本將逐步上升，嚴(yán)重妨礙了鋁工業(yè)的持續(xù)健康發(fā)展，尋找新的礦產(chǎn)資源替代品成為了新的選擇。

近年來中國鋁行業(yè)積極響應(yīng)國家“一帶一路”倡議，在幾內(nèi)亞等地鋁土礦資源開發(fā)和配套設(shè)施建設(shè)中取得了新成效。據(jù)了解，幾內(nèi)亞已探明鋁土礦儲(chǔ)量超過290億t，居世界第一。截至2019年末，在幾內(nèi)亞當(dāng)?shù)剡M(jìn)行鋁土礦開發(fā)的13家中國企業(yè)，已取得1.84億t／a的協(xié)議產(chǎn)能，目前開采產(chǎn)能為0.62億t／a，幾內(nèi)亞已成為中國最重要的海外鋁土礦資源基地及中國氧化鋁企業(yè)“走出去”的重要支點(diǎn)［3］。

試驗(yàn)以幾內(nèi)亞某地鋁土礦為原料，研究分析了鋁土礦的化學(xué)成分及物相組成，并對(duì)影響鋁土礦溶出性能的因素進(jìn)行了試驗(yàn)，以期為進(jìn)口幾內(nèi)亞鋁土礦的綜合利用提供一定的參考價(jià)值。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)原料

試驗(yàn)所用原料包括幾內(nèi)亞某地鋁土礦、石灰和鋁酸鈉循環(huán)母液。其中，鋁酸鈉循環(huán)母液由氫氧化鋁（分析純）、氫氧化鈉（分析純）和去離子水配置而成。除鋁土礦外，氫氧化鋁、氫氧化鈉、石灰均為商業(yè)外購。礦石混合均勻后縮分，經(jīng)烘箱烘干，采用鄂式破碎機(jī)進(jìn)行破碎，然后用振動(dòng)磨進(jìn)行研磨制樣。試驗(yàn)樣品礦石粒度：-0.833 mm 80%，-0.365 mm 100%。

鋁土礦的主要化學(xué)成分和礦物組成分析結(jié)果分別見表1和表2。

表1 鋁土礦的主要化學(xué)成分 %

由表1可知，該幾內(nèi)亞鋁土礦中Al2O3含量為42.50%，SiO2含 量 為2.26%，F(xiàn)e2O3含 量 為28.88%，氧化鋁與氧化硅質(zhì)量比（A／S）為18.81，氧化鐵含量較高。

由表2可知，該礦石為三水鋁石和一水軟鋁石型鋁土礦，含量分別為57.3%和1.4%，含硅礦物高嶺石和石英的含量分別為3.7%和0.6%，含鐵礦物鋁針鐵礦和赤鐵礦的含量分別為17.0%和15.8%。含鈦礦物主要是銳鈦礦、金紅石。

表2 鋁土礦的主要物相成分 %

1.2 試驗(yàn)方法

溶出試驗(yàn)在鹽浴爐（型號(hào)為HJL-1200）中進(jìn)

行，其加熱介質(zhì)為熔鹽。此次試驗(yàn)過程固定溶液體積為100 mL，配料分子比固定在1.4。將計(jì)算出的應(yīng)配入試樣量投入鹽浴爐內(nèi)，在設(shè)定溫度下反應(yīng)預(yù)定時(shí)間，然后對(duì)漿液進(jìn)行抽濾，所得濾餅用去離子水洗滌三次。將洗滌后的濕濾餅置于電熱鼓風(fēng)干燥箱中（100±5℃）干燥10 h，烘干后的濾餅用于固相分析，計(jì)算氧化鋁的溶出率。

2 結(jié)果與討論

氧化鋁的溶出率是氧化鋁生產(chǎn)中非常重要的工藝指標(biāo)，而溶出率與溶出時(shí)間、溶出溫度、苛循環(huán)母液性堿濃度、礦石粒度以及石灰添加量等因素密切相關(guān)。不僅需要考慮礦耗，還要兼顧后續(xù)工序，以確保生產(chǎn)出滿足鋁電解需求的砂狀氧化鋁產(chǎn)品。

溶出反應(yīng)后赤泥中的氧化鈉與氧化硅的質(zhì)量比稱為溶出赤泥鈉硅比（N／S）。在拜耳法生產(chǎn)氧化鋁的過程中，礦石中的含硅礦物在溶出過程中易轉(zhuǎn)化成鈉硅渣和水化石榴石，溶出礦漿固液分離時(shí)鈉硅渣和鈣硅渣進(jìn)入赤泥外排，造成Na2O和Al2O3損失。實(shí)際生產(chǎn)過程中為降低堿耗，通常采取的措施就是降低溶出赤泥的鈉硅比。

2.1 溶出時(shí)間的影響

溶出時(shí)間對(duì)氧化鋁溶出率的影響如圖1所示，其試驗(yàn)條件為：溶出溫度110℃，母液Na2Ok200 g／L，石灰添加量0.8%。從圖1可以看出，氧化鋁的溶出率隨溶出時(shí)間的增加呈現(xiàn)出先升高后逐漸平緩的趨勢(shì)。當(dāng)溶出時(shí)間為60 min，氧化鋁的相對(duì)溶出率達(dá)到最大值，為81.14%左右。在60 min以后，氧化鋁的溶出率基本沒有太大的變化。而延長溶出時(shí)間，赤泥中溶出赤泥鈉硅比（N／S）會(huì)不斷提高，造成堿耗增大。綜合考慮，溶出時(shí)間應(yīng)控制在60 min。

圖1 溶出時(shí)間對(duì)氧化鋁溶出率的影響

2.2 溶出溫度的影響

溫度是影響拜耳法溶出過程的主要因素，主要影響溶出過程中化學(xué)反應(yīng)的速率和分子之間的擴(kuò)散速率［4］。由于化學(xué)反應(yīng)需要反應(yīng)活化能，溫度越高活化分子的碰撞數(shù)越多，反應(yīng)愈激烈，從而加強(qiáng)氧化鋁的溶出效果。溶出溫度對(duì)氧化鋁溶出率的影響如圖2所示，其試驗(yàn)條件為：溶出時(shí)間為60 min，母液Na2Ok200 g／L，石灰添加量0.8%。

圖2 溶出溫度對(duì)氧化鋁溶出率的影響

從圖2可以看出，溶出溫度從110℃提高至145℃時(shí)，氧化鋁溶出率提高明顯，但是從145℃提高至215℃時(shí)氧化鋁溶出率提高幅度一般，但由于溶出溫度升高，赤泥中溶出赤泥鈉硅比（N／S）提高較為明顯，造成堿耗過大，不僅使生產(chǎn)成本增加，同時(shí)對(duì)環(huán)境保護(hù)也提出了挑戰(zhàn)［5］。

生產(chǎn)過程中采用高溫溶出工藝時(shí)，需要設(shè)置高壓泵房（隔膜泵），而采用低溫工藝選擇離心泵即可，電耗在采用高溫溶出工藝時(shí)將上升。此外，采用高溫溶出工藝時(shí)，需增加高壓溶出系統(tǒng)，溶出套管需加長，閃蒸器數(shù)量需增加。采用高溫溶出工藝雖然可以縮短溶出時(shí)間，提高氧化鋁溶出率，但是堿耗、汽耗、工藝電耗均高于低溫溶出工藝。采用高溫溶出工藝生產(chǎn)氧化鋁的成本比低溫溶出略高，并且高溫溶出需增加相應(yīng)配置系統(tǒng)，工程投資更大。因此，溶出溫度設(shè)定在145℃。

2.3 石灰添加量的影響

由于鋁土礦中含有少量的含鈦礦物，在溶出過程中添加石灰能降低雜質(zhì)TiO2的影響，有效防止鈦酸鈉在礦石表面形成保護(hù)膜，提高氧化鋁的溶出率，降低堿耗［6］。此外，添加石灰能夠提高溶出后鋁酸鈉溶液中的硅量指數(shù)（氧化鋁與二氧化硅的質(zhì)量濃度比）。石灰添加對(duì)氧化鋁溶出性能的影響較大，如圖3所示。試驗(yàn)條件為：溶出溫度為145℃，溶出時(shí)間為60 min，母液Na2Ok200 g／L。

圖3 石灰添加量對(duì)氧化鋁溶出率的影響

隨石灰添加量增加，氧化鋁溶出率及溶出赤泥鈉硅比（N／S）降低。未添加石灰時(shí)，赤泥中的脫硅物相以水合鋁硅酸鈉為主，見式（1）～（3）；而添加石灰后，脫硅物相中出現(xiàn)了六水鋁酸三鈣（鈉硅渣）和水化石榴石（鈣硅渣），見式（4）～（7），且隨石灰添加量增加，這2種物相也增加，從而導(dǎo)致氧化鋁溶出率下降［7］。對(duì)于溶出赤泥鈉硅比（N／S）降低，這主要與脫硅反應(yīng)產(chǎn)物有關(guān)，即在石灰作用下，脫硅產(chǎn)物中出現(xiàn)了鈣硅渣，隨石灰添加量增加，鈉硅渣減少而鈣硅渣增加［8］，有利于降低堿耗，見式（7）。因此，石灰加入量以1%為上限。

2.4 母液苛性堿濃度的影響

循環(huán)母液苛性堿濃度對(duì)氧化鋁的生產(chǎn)非常重要［9-10］。循環(huán)母液苛性堿濃度對(duì)氧化鋁溶出率影響如圖4所示，其試驗(yàn)條件為：溶出溫度為145℃，溶出時(shí)間為60 min，石灰加入量1%。

圖4 母液苛性堿濃度對(duì)氧化鋁溶出率的影響

隨著母液苛性堿濃度的增加，氧化鋁溶出率急劇上升后逐漸平穩(wěn)。當(dāng)母液苛性堿濃度在200 g／L時(shí)，氧化鋁溶出率已經(jīng)接近最高值，再提高苛性堿濃度，氧化鋁的溶出率并沒有明顯的改善。為避免過高濃度對(duì)后續(xù)蒸發(fā)工序的負(fù)擔(dān)，生產(chǎn)過程中需將循環(huán)母液苛性堿濃度控制在較為適宜的范圍內(nèi)，因此循環(huán)母液苛性堿濃度控制在200 g／L時(shí)對(duì)氧化鋁的溶出性能較為合理。

2.5 最優(yōu)工藝條件下氧化鋁溶出結(jié)果

綜合上述影響因素的試驗(yàn)結(jié)果分析討論，確定該鋁土礦的最佳溶出條件為：溶出時(shí)間60 min、溶出溫度145℃、石灰加入量1%、循環(huán)苛性堿濃度200 g／L、配料分子比1.4。礦石在此工藝條件下進(jìn)行3次重復(fù)試驗(yàn)，氧化鋁溶出率均保持在87%以上，赤泥中鈉硅比平均值為0.23，溶出指標(biāo)較好。

表3 最佳條件下氧化鋁溶出結(jié)果

3 結(jié) 論

通過對(duì)幾內(nèi)亞某地鋁土礦的試驗(yàn)研究，得出以下結(jié)論：

1.該鋁土礦主要礦物組成為三水鋁石-一水軟鋁石型鋁土礦，礦樣品位Al2O3含量為42.50%，SiO2含量為2.26%，鋁硅比為18.81。

2.采用拜耳法溶出工藝對(duì)礦石進(jìn)行溶性試驗(yàn)研究，在溶出溫度為145℃，溶出時(shí)間60 min，石灰加入量1%，循環(huán)苛性堿濃度200 g／L，配料分子比1.4的條件下，可獲得氧化鋁溶出率87%以上，溶出赤泥平均鈉硅比0.23的溶出指標(biāo)。