・ １２・ 铝镁通讯 ２００８年Ｎｏ４ 分离工程在氧化铝行业中的应用与发展 王祖旭 （中国铝业郑州研究院，河南 郑州４５００４１） 摘要：从学科发展和科技进步角度评述分离工程在氧化铝工业中应用与发展。生产实践是分离工程学科形成和发 展的源泉，分离技术的进步又推动着化化学工业与相关工业的发展，新分离方法将在氧化铝工业中发挥更大的作用。 关键词：化工分离工程；氧化铝 前 言 Ａ１２ｏ３含量高，一般在６０％到７０％左右。我国一水 硬铝石型铝土矿的先天不足是含硅高，致使其铝硅 在氧化铝生产工业中，机械加工技术与分离技 比相应偏低。鉴于一水硬铝石型铝土矿的特点，目 术并列几乎包括了除化学反应工程外的全部化工单 前我国的铝工业多采用工艺流程复杂、生产能耗大、 元作业，分离工程是研究过程工业中物质分离与纯 成本高的混联法或烧结法生产氧化铝。为了寻求提 化的工程技术学科。许多天然物质以混合物的形式 高铝土矿铝硅比的途径，对我国低铝硅比的一水硬 存在，要从其中获得具有使用价值的一种或几种产 铝石型的铝土矿进行选矿脱硅，降低氧化铝生产原 品，必须对其进行分离。冶金、化工、炼油、医药、食 料中的硅含量，提高铝硅比是十分迫切和现实的任 品、材料等工业过程中大量采用分离技术，以获得符 务。尽管我国许多研究者都对铝土矿选矿进行了研 合使用要求的产品。此外，分离过程还是环境工程 究，并取得了一些突破性的进展，但是还没有在真正 中用于污染物清除的一个重要环节。现代化工分离 意义上实现铝土矿选矿的工业化和产业化，因而，在 工程是在传统分离过程的基础上，通过对分离过程 铝土矿选矿脱硅方面的研究尚需进一步加强。 的传质学与流体力学的深入理论研究，并开发出新 在浮选分离脱硅方面，应深入研究铝土矿溶液 型、高效的分离工艺与设备，大幅度地提高分离过程 界面反应对矿物表面电性、润湿性、吸附性及浮选行 的生产能力、分离效率、操作稳定性等，由此发展起 为的影响规律，探索浮选体系中，捕收剂、抑制剂、活 来的一门新兴学科。 化剂、分散剂的溶液化学行为，各复杂界面的相互作 按物理化学原理，工业常用的分离操作可分为 用及组合用药规律；研究铝硅矿物高效浮选剂结构 平衡分离过程和速率分离过程两大类：（１）平衡分离 模型，进行浮选剂极性基及烃链结构设计，合成新型 过程，借助于热能、溶剂和吸附剂等媒介，使均相 昆 高效低的铝硅矿物浮选剂，形成高硅一水硬铝石型 合物变成两相，包括气液传质过程（蒸馏、吸收等）、 铝土矿正浮选及反浮选技术原型。在化学选矿方 液液传质过程（萃取等）、气固传质过程（吸附等）、 面，应研究各矿物组分在化学力场及能量场作用下 液固传质过程（离子交换、浸取等）；（２）速率分离过 的变化规律及其在稀碱溶液中的反应行为，实现铝、 程，在浓度差、压力差、电位差等的推动力作用下，利 硅矿物的化学分离，并降低化学选矿的碱耗和能耗。 用各组分的扩散速率差异进行分离，包括膜分离 同时，还应进行其它脱硅方法的研究，如细菌选矿脱 （超滤、反渗透等）、场分离（电泳、热扩散等）。 硅法、光电选矿和辐射共振脱硅法等等，以期实现高 这两类传质分离过程均建立了比较完整的理 硅一水硬铝石型铝土矿选矿的重大突破。 论。各类分离操作都来自生产实践且又以理论指导 １．２分离工程在氧化铝的浸取与分离上的应用 Ｅ产实践与技术进步，推动着铝工业的发展。 在氧化铝工业中，分离过程主要体现在氧化铝 １ 分离工程在氧化铝行业中的应用 的浸取与分离工序上，这一分离过程主要包括用碱 在高温高压下溶出铝土矿中的氧化铝，使氧化铝从 １．１分离工程在铝土矿选矿脱硅工程上的应用 固相转入到液相中，形成铝酸钠溶液，再对溶出后的 我国一水硬铝石型铝土矿，最突出的特点是 浆液进行赤泥与铝酸钠溶液的分离，分离得到的铝 ２００８年Ｎｏ４ 铝镁通讯 ・ １３・ 酸钠溶液通过净化后加入晶种分解得到氢氧化铝。 其中涉及到的分离过程主要是平衡分离过程，它包 括的单元操作有：铝土矿高压溶出、赤泥沉降分离与 洗涤、精液净化过滤、铝酸钠溶液晶种分解和过滤等 操作，分离效率好坏直接影响到产品质量和生产成 本的高低。要实现成本最小化，就要求最大程度地 提高氧化铝溶出率和回收率，最大限度地降低碱耗 和能源消耗。要实现产品质量最佳化，就要求尽可 能分离和脱出铝酸钠溶液和母液中地有害杂质。在 等许多优点，正发挥着巨大的作用，显示出巨大的潜 力和广阔的前景，将对人类产生深远的影响。 ２．２研究和发展双电层、氢氧根、离子交换、电解、 分子筛技术和物理分离技术，有效去除拜尔法精液 和母液中的杂质 大多数有机化合物是随铝土矿进入拜尔工艺流 程的，无机物杂质也是通过铝土矿以及苛性碱和补 充水进入的，溶液中所存在的大量杂质对拜尔法工 艺的各个环节几乎都有不利的影响，包括溶出率和 氧化铝生产上，铝土矿的性质和杂质介入，直接影响 到氧化铝的溶出率和化学碱耗的大小，同时由于管 道化加热过程中产生的结疤还直接影响到热效率的 利用。 ２ 分离工程在氧化铝行业中的发展方 向 随着氧化铝工业的发展，分离工程也处于不断 发展之中。一方面，对传统分离技术研究和应用不 断进步，分离效率提高，处理能力加大，工程放大问 题逐步得到解决，新型分离装置不断出现；另一方 面为了适应技术进步所提出的新的分离要求，对新 分离方法的开发、研究和应用非常活跃，成为化学工 程研究前沿之一。 ２．１开发脱除铝土矿中一定的有机和无机杂质的 化学和生物分离方法 高效利用铝土矿资源就是要求最大限度地提取 其中的氧化铝，而又要求产品质量最佳化，能耗、污 染最小化。拜尔法工艺生产氧化铝低效地原因之一 就是铝土矿杂质的介人，导致化学碱耗和其它能耗 的增大，目前氧化铝生产过程中还缺少控制和分离 铝土矿杂质的技术经济上可行的办法，尤其对低品 位铝土矿的利用，这种问题变得更加迫切。因此，需 要开发铝土矿选择性采矿技术和杂质分离技术。 随着社会的发展，人类对自然资源的需求量与 日俱增，而自然矿产资源的枯竭，环境污染日益严重 影响着人类的生存与发展。为了解决这一问题，微 生物冶金技术在矿产资源中的应用愈来愈受到人们 的重视。利用微生物浸出及富集低品位矿石和矿物 现已被认为是一种常规湿法冶金备选的经济、有效 及对环境友善的方案。铝土矿存在许多细菌，该类 微生物可分解碳酸盐和磷酸盐矿物。铝土矿生物处 理就是利用一些细菌或其代谢产物与铝土矿相互作 用，产生氧化、还原、溶解、吸附等作用从而脱除矿 石中不需要的组分或回收其中的有价金属的技术， 微生物冶金技术具有工艺简单、投资少、环境污染少 分解率，溶液产率及产品质量。 ２．３通过使用添加剂和改变铝土矿溶出工艺等方 式，改变铝土矿脱硅产物化学。分离回收脱硅产物中 的化学碱 拜尔法生产氧化铝所使用的苛性碱是氧化铝厂 最主要的生产成本之一，影响苛性碱消耗的主要因 素是所处理的铝土矿成份以及在溶出过程中所形成 的脱硅产物的化学性质，脱硅产物中的大部分苛性 碱现行状况下还不能回收。化学损失是指弃赤泥带 走的不溶性碱损失，由于拜耳法外排赤泥未经过烧 结法系统回收直接外排，受到矿石状况的限制，这 部分碱耗在整个碱耗中占有一定的比重，达到１５％ 以上，在烧结法系统中，由于赤泥全部外排，外排量 大，因此烧结法化学损失在整个碱耗的比重最大，达 至０ ３０％。 我国铝土矿具有高铝、高硅等特点，在拜耳法生 产氧化铝的过程中，含硅矿物在溶出过程中易转化 为钠硅渣（Ｎｍ０・Ａ１２０３・２ＳＩＯ２・２ＨｚＯ）和水化石榴石 （３ＣａＯ・Ａ１２０３・ｘＳｉＯ２・（６—２ｘ）Ｈ２ｏ））从而随赤泥外 排而损失碱和氧化铝。其中钠硅渣是引起碱耗的主 要因素，而水化石榴石与钠硅渣在适宜的条件下可 以相互转化，也影响着碱耗。由于钠硅渣和水化石 榴石的组成随着反应条件的变化而变化，因此需要 进一步研究新型添加剂和溶出新工艺来改变铝土矿 脱硅产物结构，以实现对脱硅产物中化学碱的分离 和回收，达到大幅度降低碱耗的目的。 ２．４探索和研究铝酸钠快速分解技术。大幅提高铝 酸钠溶液分解率，有效降低分解过程中的热损失，提 高热能平衡技术。 分解率是衡量种分作业好坏的一个关键指标， 它直接影响到氧化铝产量的高低和循环母液苛性 比值的大小，进而影响拜耳法的循环效率。因此，在 拜耳法生产氧化铝过程中，如何在保证产品质量和 分解槽产能的情况下大幅度提高种分分解率，具有 非常重要的意义。针对目前的分解工艺，要实现铝 酸钠溶液的快速分解并获得较高的分解率，看来是 ・ １４・ 铝镁通讯 ２００８年Ｎｏ４ 相互矛盾的事实，因为只有保证足够的分解时间才 和丰富的稀有金属。因此，需要进一步开发赤泥高 能保证较高的分解产出率。所以，这就要求探索更 为有效的分解工艺技术，研究出能够加速铝酸钠分 解反应的催化剂，进一步改善晶种分解工艺。。 铝酸钠溶液的分解率受温度梯度、浓度梯度等 因素的直接影响。其中，温度和浓度梯度越大，铝酸 钠的分解率越高，但是对生产工艺中的下一环节的 影响相应就越大。生产过程中铝酸钠分解时间及产 品、晶种分离停留时间越长，分解母液的停留时间就 温高固含快速分离技术，以提高氧化铝回收率和提 高赤泥分离固含降低赤泥附液量。此外，从赤泥中 提取稀有金属的研究对保护环境，特别是提高冶金 资源的综合利用有重要的意义。对此，许多科研成 果已经付诸实施，开发先进的脱水技术、赤泥处理及 综合利用技术等。在国内，对赤泥的综合利用研究 还是比较多的，而且在水泥制造、建筑粘和剂方面实 现了工业化，取得了很好的经济效益。但是赤泥中 稀有金属提取方面的研究做得比较少，而稀有金属 的特殊用途及其矿产资源的分散特点，说明从赤泥 中提取稀有金属更有价值。目前，从赤泥中提取稀 土稀有元素的主要工艺是采用酸浸提取工艺，酸浸 越长，其热损就越大，这样就将导致蒸发工序汽耗量 的加大。另外，铝酸钠的分解和产品的分离工程中 过高的浓度梯度将会导致分解母液浓度的降低，致 使分解母液蒸发成本加大。为此，需要进一步提高 铝酸钠分解分离技术，从而实现全厂热能平衡。 ２．５进一步开发赤泥高温高固含分离技术和赤泥 中有价组分分离回收技术 包括盐酸浸出、硫酸浸出和硝酸浸出等。 ３结 语 现代科学技术的迅速发展向分离工程提出了许 多新的课题，分离工程面临着巨大的挑战和机遇，可 铝土矿残渣，是氧化铝行业最大的环境问题，主 要因为其数量太大及含碱。溶出赤泥在沉降分离过 程中，由于温度降低导致铝酸钠溶液的水解，氢氧化 以预见，分离技术将得到进一步的发展和提高，为高 新科技和相关各工业领域的进步作出贡献。 铝作为水解产物进入到赤泥中，致使赤泥中氧化铝 含量增高。分离后的赤泥中还含有４０％左右的水 （上接第３９页） 息可以提前存入，使用时只需点击即可，可以减轻操 作人员的劳动强度，提高操作速度，易学易会。 ２．４．２系统有多种接口程序，可与国内十几种知名 导层获取信息的时间，为企业的决策提供及时准确 的信息，从而提高企业的管理水平和科技含量，提高 经济效益，提升企业形象。 ２．４．６软件采用微软的最新版９ＱＬ Ｓｅｖｅｒ２０００，是 称重仪表进行配接，为企业以后扩充电子磅打下基 础；可以使企业在更换称重仪表后，只用对软件的参 数进行设置即可，具有广泛的适用性，彻底解除用户 的后顾之忧。 专为企业数据提供的大型数据库方案，存储数据可 达几亿条，安全稳定，速度高。 ２．４．７系统不但可以进行局域网联网，而且可以进 行因特网联网监控，使处在距离较远的总厂分厂之 ２．４．３系统利用一台计算机把称重的数据信息和 图像信息结合在一起进行管理，只要一个操作员和 一台计算机，极大地降低成本，节约了人力物力，使 间不需要铺设专用的光纤，而是借用公共网络进行 监控管理，可以为企业节约大量资金。 ２．４．８ 软件的操作平台为Ｗｉｎｄｏｗｓ２０００，ｗｉｎ— ｄｏｗｓＸＰ，Ｗｉｎｄｏｗｓ９８等。 企业的运行成本降低，有利于提高经济效益。 ２．４．４系统把数据管理和图像监控结合在一起，能 有效地堵塞管理漏洞，及时发现各种作弊行为，对不 法商贩进行打击和震慑，维护企业的利益。 ２．４．５可以通过局域网连接实现数据和图像的时 该系统把实时图像信息和实时数据信息有机地 结合在一起，在一台微机上完成，节约硬件设备的成 本，并可以减少信息层层上报的麻烦，缩短领导层获 取信息的时间，从而提高企业的管理水平和科技含 量，提高经济效益。 时监控，增加计量过程的透明度，杜绝人为因素，使 领导起到有效的监督，减少层层上报的麻烦，缩短领