氧化铝生产工艺及计算

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氧化铝生产工艺及计算

第一章 氧化铝生产方法简介

氧化铝生产方法大致可分为四类，即碱法、酸法、酸碱联合法

和热法。但目前用于工业生产的几乎全属于碱法。碱法生产氧化铝

的基本过程如下：

焙烧

Al(OH) AlO

323

铝酸钠 分解

碱处理 分离 溶液 分离 蒸发

铝矿石───→铝酸钠──→ 母液 循环母液

浆液 赤泥

图1：碱法生产氧化铝基本过程

碱法生产氧化铝又分为拜耳法、烧结法和联合法等多种流程。

拜耳法是直接用含有大量游离NaOH的循环母液处理铝矿石，

以溶出其中的氧化铝而获得铝酸钠溶液，并用加晶种搅拌分解的方

法，使溶液中的氧化铝以Al(OH)状态结晶析出。种分母液经蒸发

3

后返回用于浸出另一批铝矿石。矿石中的主要杂质SiO是以水合铝

2

硅酸钠（NaO••••••AlO••nHO）的形式进入赤泥，造成

2232

AlO和NaO的损失。因此，拜耳法适合处理高品位铝矿，铝硅比

232

A/S大于9。

烧结法是将铝矿石配入石灰石（或石灰）、苏打（含有NaCO

23

的碳分母液），在高温下烧结得到含固体铝酸钠的物料，用稀碱溶

液溶出熟料便得到铝酸钠溶液。经脱硅后的纯净铝酸钠溶液用碳酸

2

化分解法使溶液中的氧化铝呈Al(OH)析出。碳分母液经蒸发后返

3

回用于配制生料浆。矿石中的主要杂质SiO是以原硅酸钙（2CaO•

2

SiO）的形式进入赤泥，不会造成AlO和NaO的损失。因此，烧

2232

结法适合处理高硅铝矿，铝硅比A/S可以为3-5。

拜耳－烧结联合法兼有拜耳法和烧结法流程，兼收了两个流程

的优点，获得更好的经济效果。它适合处理A/S为6-8的中等品位

铝矿。由于流程较复杂，只有生产规模较大时，采用联合法才是可

行和有利的。

酸法是用硝酸、硫酸、盐酸等无机酸处理含铝原料而得到相应

的铝盐的酸性水溶液。然后使这些铝盐成水合物晶体（蒸发结晶）

或碱式铝盐（水解结晶）从溶液中析出，亦可用碱中和这些铝盐的

水溶液，成氢氧化铝析出，煅烧后得无水氧化铝。酸法适合处理高

硅低铁铝矿，如粘土、高岭土等。但它的缺点是耐酸设备昂贵，酸

的回收困难，从溶液中除铁也困难。

酸碱联合法是先用酸法从高硅铝矿中制取含铁、钛等杂质的不

纯氢氧化铝，再用碱法（拜耳法）处理。这一流程的实质是用酸法

除硅，碱法除铁。

热法适合处理高硅高铁铝矿，其实质是在电炉或高炉内还原熔

炼矿石，同时获得硅铁合金（或生铁）与含氧化铝的炉渣，二者借

比重差分开后，再用碱法从炉渣中提取氧化铝。

3

第二章 铝酸钠溶液

一、铝酸钠溶液的AlO与NaO比值

232

铝酸钠溶液的AlO与NaO比值，可以用来表示铝酸钠溶液中

232

氧化铝的饱和程度以及溶液的稳定性，是铝酸钠溶液的一个重要特

征参数。对此参数有两种表示方法。

铝酸钠溶液中所含苛性碱与氧化铝的摩尔比叫做铝酸钠溶液的

苛性比值，符号为MR。

铝酸钠溶液中所含氧化铝与苛性碱的质量比用Rp表示。

MR与Rp之间的关系如下：

MR=Rp

二、铝酸钠溶液的稳定性

所谓铝酸钠溶液的稳定性，是指从过饱和的铝酸钠溶液开始分

解析出氢氧化铝所需时间的长短。铝酸钠溶液过饱和程度越大，其

稳定性也越低，影响铝酸钠溶液稳定的主要因素是：

⑴铝酸钠溶液的Rp值。在其他条件相同时，溶液的Rp值越

大，其过饱和程度越大，溶液的稳定性越低。

⑵铝酸钠溶液的温度。当其他条件不变时，溶液的过饱和程度

随温度的降低而增大，因而溶液的稳定性减少，但是在30℃以下再

降低温度，溶液的稳定性反而有所增大。

4

⑶铝酸钠溶液的浓度。在常压下，当溶液的Rp一定时，中等

浓度（NaO50~60g/l）铝酸钠溶液的过饱和程度大于更稀或更浓的

2

溶液，其表现为中等浓度的铝酸钠溶液的稳定性最小。

⑷铝酸钠溶液中所含的杂质。铝酸钠溶液中的氢氧化铁和钛酸

钠可以起到氢氧化铝结晶中心的作用，即晶核的作用，加快氢氧化

铝的析出，降低溶液的稳定性。然而工业铝酸钠溶液中多数杂质如

SiO、NaO、NaS及有机物等，却使工业铝酸钠溶液的稳定性不同

222

程度的提高。

⑸晶种和搅拌。往过饱和的铝酸钠溶液中加入氢氧化铝晶种，

可以降低溶液的稳定性。对过饱和的铝酸钠溶液施以搅拌，能强化

扩散过程，有利于晶核的形成和结晶的成长，并能使晶核处于悬浮

状态，所以搅拌能降低溶液的稳定性。

三、铝酸钠溶液的物理化学性质

1、铝酸钠溶液的密度

铝酸钠溶液的密度主要受苛性碱浓度、氧化铝浓度、温度等的

影响，随着苛性碱浓度、氧化铝浓度的升高而增大，随着温度的降

低而增大。经验计算方法有两种。

⑴在NaO浓度140~230g/l，AlO浓度60~130g/l，NaO浓度

2232C

10~20g/l，温度40~80℃内，常压下，铝酸钠溶液密度的计算公式

如下：

ρ=+×10N+×10A+×10N

C

×10T

式中 ρ－铝酸钠溶液密度，g/cm；

Ｎ－铝酸钠溶液苛性碱浓度，g/l；

Ａ－铝酸钠溶液氧化铝浓度，g/l；

5

3

-4

-4-4-4

Ｎ－铝酸钠溶液碳酸碱浓度，g/l；

Ｃ

Ｔ－铝酸钠溶液温度，℃。

⑵先计算出20℃时铝酸钠溶液的密度，再采用系数加以换算。

20℃时密度公式如下：

ρ=+√+++

或

ρ=1+′+′+′

式中 N′、A′、N′为对应的百分浓度，%。

C

当计算其他温度下的密度时，公式如下：

ρ=K×ρ

t℃

t(℃) 30 40 50 60 70 80 90 100

K

2、铝酸钠溶液的饱和蒸汽压

铝酸钠溶液中氧化铝、氧化钠等都能降低溶液的饱和蒸汽压，

使溶液沸点升高。但研究表明，主要决定于溶液中的NaO浓度，而

2

AlO浓度的影响很小。

23

3、铝酸钠溶液的比热及热焓

在NaO浓度140~230g/l，AlO浓度60~130g/l，NaO浓度

2232C

10~20g/l，温度40~80℃内，铝酸钠溶液比热的计算公式如下：

C=式中 C－铝酸钠溶液比热，Cal/(g.℃)；

PP

Ｎ－铝酸钠溶液苛性碱浓度，g/l；

Ａ－铝酸钠溶液氧化铝浓度，g/l；

Ｎ－铝酸钠溶液碳酸碱浓度，g/l；

Ｃ

Ｔ－铝酸钠溶液温度，℃。

6

铝酸钠溶液的比热随着温度的升高而增加，随着浓度的升高而

减少。

铝酸钠溶液的热焓，可通过以下方程计算：

H=(C×ρ)×T×V×1000

P

式中 H－铝酸钠溶液的比热焓，KCal；

C－铝酸钠溶液比热，Cal/(g.℃)；

P

ρ－铝酸钠溶液密度，g/cm；

V－铝酸钠溶液的体积，m；

T－铝酸钠溶液温度，℃。

4、氧化铝水合物在碱溶液中的溶解热

溶解反应热可用以下公司计算：

△H

lgK=———— +C

式中 △H—溶解热，kJ/mol；

K—反应平衡常数；

C—常数；

T—温度，K。

由上述公式可计算出的氧化铝水合物平均溶解热：

三水铝石：(kg•AlO)

23

拜耳石：(kg•AlO)

23

一水软铝石：(kg•AlO)

23

一水硬铝石：(kg•AlO)。

23

5、一水硬铝石在碱溶液中的溶解度

3

3

7

在较高温度下，溶出一水硬铝石得到的饱和铝酸钠溶液中，氧

化铝浓度与温度和氧化钠浓度有近似于直线的关系，可用下式表

示：

C=+式中 C—平衡溶液中氧化铝浓度，g/l

AA

C—原始溶液中氧化钠浓度，g/l

N

T—溶出温度，℃。

第三章 拜耳法的原理和基本流程

一、拜耳法的原理及实质

1、拜耳法的原理

拜耳法的基本原理有两条：

⑴用NaOH溶液溶出铝土矿所得到的铝酸钠溶液在添加晶种，

不断搅拌和逐渐降温的条件下，溶液中的氧化铝便呈Al(OH)析

3

出；

⑵分解得到的母液（主要含NaOH），经蒸发浓缩后在高温下可

用来溶出新的一批铝土矿。

交替使用这两个过程就能够连续地处理铝土矿，从中不断析出

纯的Al(OH)产品，构成所谓的拜耳法循环。

3

拜耳法的实质就是使下一反应在不同的条件下朝不同的方向交

替进行：

溶出

AlO•xHO+2NaOH+(3-x)HO+aq 2NaAL(OH)+aq

23224

分解

式中 当溶出一水铝石和三水铝石时x分别为1和3；当分解铝酸

钠溶液时x=3。

8

2、NaO-AlO-HO系中的拜耳法循环图

2232

拜耳法生产氧化铝的工艺流程是由许多工序组成的，其中主要

有铝土矿的溶出、溶出浆液的稀释、晶种分解和分解母液的蒸发四

个工序。将四个工序铝酸钠溶液的组成分别标记在NaO-AlO-HO

2232

系等温图上并将各点依次连接，就构成了一个封闭的拜耳法循环图

（如图）。图中，四边形ABCD表示循环过程，其中AB称溶出线，

BC称稀释线，CD称分解线，DA称蒸发线，它们分别反映了溶出、

稀释、分解、蒸发过程中溶液组成的变化。

在实际生产过程中，由于存在氧化铝和氧化钠的损失，溶出时

使溶液稀释或浓缩，添加晶种带入母液使溶液苛性比值有所提高等

原因，因此，实际过程与理想过程有所区别，各个线段都会偏离图

中位置。在每一次作业循环后，都必须补充损失的碱，才能使母液

的组成恢复到循环开始的A点。

3、拜耳法的循环效率和循环碱量

循环效率是指1tNaO在一次拜耳法循环中所产出的氧化铝的量

2

（t），用E表示。

循环碱量是指生产1tAlO在循环母液中所必须含有的碱量

23

（不包括碱损失），它是E的倒数，用N表示。

9

假定在生产过程中不发生AlO和NaO的损失，1m循环母液中

232

苛性碱含量为n(t)，氧化铝含量为A(t)，Rp；溶出后溶液的氧化

11

铝含量为A(t)，Rp。则经过一次拜耳法循环后产出的氧化铝量A

22

应为：

A=A-A=nRp-nRp

2121

则循环效率E为：

E=A/n=Rp-Rp

21

循环碱量N为：

N=1/E=1/(Rp-Rp)

21

由此可见，溶出时循环母液的Rp愈小，溶出液Rp愈大，循环

效率就愈高，而生产1t氧化铝所需的循环碱量越小。

在实际生产中，由于存在碱损失，生产1t氧化铝所需的循环

碱量应更大一些。

二、拜耳法的基本流程

拜耳法的工艺流程如图。其主要工序有破碎、湿磨、溶出、稀

释、沉降分离、赤泥洗涤、晶种分解、煅烧、蒸发和苛化等。

破碎 通常分粗碎、中碎、细碎三段。

湿磨 将铝土矿按配料要求配入石灰和循环母液磨制成合格的

原矿浆。

溶出 在高温、高压的条件下，使铝土矿中的氧化铝水合物从

矿石中溶浸出来，制得铝酸钠溶液，而铁、硅等杂质则进入赤泥

中。

稀释 溶出后的浆液用赤泥洗液加以稀释，进一步脱除溶液中

的硅，为沉降分离和晶种分解创造必要的条件。

10

3

沉降分离 稀释后的浆液进入沉降槽处理，以使铝酸钠溶液和

赤泥分离开来。

赤泥洗涤 沉降分离出来的赤泥浆液，用水洗涤，以回收有用

成分（碱和氧化铝）。洗涤次数越多，有用成分损失越少。

晶种分解 浆分离了赤泥的铝酸钠溶液（精液）送入分解槽，

加入晶种，不断搅拌并逐渐降温，分解析出氢氧化铝，并得到分解

母液。

煅烧 在高温下将氢氧化铝的附着水、结晶水除去，并使其晶

型转变，以获得适合要求的氧化铝。

蒸发 种分母液经过浓缩，以提高其碱浓度，保持循环体系中

水量平衡，使母液达到拜耳法溶出的要求。

苛化 在蒸发时有一定的NaCO•HO结晶析出，将其分离出来

232

用石灰乳苛化成NaOH溶液，与蒸发母液一同送往湿磨配料。

第四章 拜尔法氧化铝生产的一些基本计算

一、配料计算

1、处理一吨铝矿应配入的母液量

V



实

AMSSRp1.41CRpXRp



12

NRpRp

k



母

3

式中：—每吨铝土矿应配入的循环母液体积 m/t.矿；

V

A

—铝土矿带入的氧化铝重量 kg/t.矿；

η

实

—氧化铝的实际溶出率；

M

—溶出赤泥中氧化钠和氧化硅的重量比值；

SS

12

、—分别为铝土矿和石灰所带入氧化硅量 kg/t.矿；

—NaO与CO分子量的比值；

22

C

—矿石和石灰带入的CO量 kg/t.矿；

2

X

—磨矿和溶出过程中苛性氧化钠的机械损失 kg/t.矿；

N

K

—循环母液中的苛性氧化钠浓度 g/l；

Rp

—配料Rp值；

Rp

母

—循环母液的Rp值。

12

2、处理一吨矿应配入的石灰量

W

1.4T

i

Ca

式中：—每吨铝土矿需配入的石灰量 t/t.矿；

W

—每吨铝土矿所带入的氧化钛量 t/t.矿；

T

i

—石灰中所含有效钙的含量。

Ca

3、每小时下矿所需配入母液量（经验公式）

V

8.262.2t

NA

K母母

式中：—每小时所需母液量，m/h；

V

3

—经验常数；

—矿石中氧化铝含量，%；

—循环母液中苛性碱和氧化铝浓度，g/l；

N、A

K母母

—小时下矿量，t。

t

二、溶出率的计算

1、理论溶出率



SA

理

100%

A

式中：—理论溶出率，%；

η

理

A

—铝土矿中AlO的含量，%；

23

S

—铝土矿中SiO的含量，%。

2

2、实际溶出率

①以硅为标准计算：





A/SA/S

矿泥

实

100%



A/S

矿

②以铁为标准计算：

13



/FA/FA



矿泥

实

100%



A/F

矿

3、相对溶出率





实

相

100%



理

①以硅为标准计算：



A/SA/S



矿泥

相

100%



A/S1

矿

②以铁为标准计算：



矿泥

A/FA/F



相

()A/(AS)100%



A/F

矿

4、净溶出率

①以硅计算：



净

100%



A/SA/S

矿末泥



A/S

矿

②以铁计算：



A/FA/F



矿末泥

净

100%



A/F

矿

注：实际溶出率的计算中赤泥指的是溶出赤泥，净溶出率的计

算中赤泥指的是末次赤泥。

三、赤泥的产出率

1、以硅计算



泥

1000

S

矿

S

泥

14

式中：—处理1吨铝土矿所产生的赤泥量，kg/t.矿；

η

泥

SS

矿泥

、—铝土矿和赤泥中SiO的含量，%。

2

2、以铁计算



泥

1000

F

矿

F

泥

式中：—处理1吨铝土矿所产生的赤泥量，kg/t.矿；

η

泥

FF

矿泥

、—铝土矿和赤泥中FeO的含量，%。

23

四、碱耗的计算

1、赤泥带走的最小碱损失

NaO

2

损失

608

A/S1

式中：—赤泥中碱的化学损失，；

NaO

2损失

—矿石中的铝硅比。

A/S

2、生产中碱耗的计算

①化学损失的计算

NtNaO0.01

化矿



泥

2

式中：—氧化钠的化学损失，；

N

化

t

矿

—每吨氧化铝的矿耗，t.矿/；

η

泥

—每吨铝土矿所产生的赤泥量，kg/；

—末次赤泥中NaO的含量，%。

NaO

2

2

②赤泥附损的计算

NtNaO0.01

赤附矿



泥

2

式中：—赤泥中氧化钠的附着损失，；

N

赤附

t

矿

—每吨氧化铝的矿耗，t.矿/；

η

泥

—每吨铝土矿所产生的赤泥量，kg/；

—末次赤泥中附碱含量，%。

NaO

2

15

③氢氧化铝带走碱损失

N1529.41NaNa0.01

AH12



式中：—氢氧化铝中带走的碱损失，；

N

AH

—1吨氧化铝折合氢氧化铝量，kg；

、—氢氧化铝中化合碱及附着碱含量，%。

NaNa

12

五、分解指标的计算

1、种子比的计算

种子比

A

种

VA

精

3

式中：—精液（分解原液）的体积，m；

V

A

精

—精液的氧化铝浓度，kg/m；

3

A

种

—氢氧化铝晶种中氧化铝的重量，kg。

2、分解率的计算

母





种

1100%



Rp

原





Rp

式中：—氧化铝的分解率，%；

η

种

、—分别为分解原液和种分母液的Rp值。

RpRp

母原

3、产出率的计算

产出率NRpRp

K



精

母

式中：NK—分解原液中苛性氧化钠的浓度，kg/m；

产出率—分解原液（精液）的产出率，kg/m.精液。

六、循环效率的计算

ENRpRp

K0



溶

3

3

式中：—循环效率，l.母液

E

N

K

—循环母液苛性碱浓度，g/l；

16

RpRp

溶0

、—分别为溶出液和循环母液的Rp值。

七、石灰分解率的计算



石灰

100%

Ca

f

Ca

T

式中：—石灰分解率，%；

η

石灰

Ca

f

—石灰中的有效钙，%；

Ca

T

—石灰中的全钙，%。

八、沉降过程氧化铝损失的计算

AtAtA0.01

损失末矿稀矿



SS

矿矿





SS

稀末



式中：—沉降过程中氧化铝的损失，kg/；

A

损失

—生产一吨氧化铝的矿耗，kg/；

t

矿

—分别为矿石、末次赤泥和稀释赤泥中SiO的

S、S、S

矿末稀

2

含量，%

A、A

末稀

—分别为末次赤泥和稀释赤泥中AlO的含量，%。

23

九、蒸发水量的计算

W

VNN



K母

K原

N

K原

3

式中：—每生产一吨氧化铝需蒸发的水量，m/；

W

V

—每生产一吨氧化铝需循环母液量，m/；

3

N、N

K原K母

—分别为蒸发原液和循环母液的苛性碱浓度，g/l。

十、综合能耗的计算

综合能耗高压蒸汽量低压蒸汽量焦炭量电量煤气量压缩空气量

式中：综合能耗—每吨氧化铝的综合能耗，kg标煤/；

高压蒸汽量=高压蒸汽单耗(t)×77，kg标煤/；

17

低压蒸汽量=低压蒸汽单耗(t)×，kg标煤/；

焦炭量=焦炭单耗(kg)×, kg标煤/；

电量=电单耗（kwh）×，kg标煤/；

煤气量=煤气单耗（m）×，kg标煤/；

压缩空气量=压缩空气单耗（m）×,kg标煤/。

3

3

18