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烧结法生产砂状氧化铝的理论与工艺研究

刘祥民  
【摘要】:自20世纪70年代Alcoa开发出以砂状氧化铝为吸附剂的干法脱氟技术,在全世界铝行业得到迅速推广和提高以后,砂状氧化铝的生产就成为氧化铝厂的主要研究方向。我国由于矿石资源均为含硅较高的一水硬铝石矿,其溶出条件苛刻,得到的铝酸钠溶液分子比较高,从而使砂状氧化铝生产工艺的研究处于非常艰难的境地,特别是占我国目前生产能力达40%强的烧结法工艺,对其砂状氧化铝理论与工艺的研究甚少。为此,本文针对烧结法生产砂状氧化铝的理论和工艺展开了深入的研究。遵照烧结法所独有的工艺特点,从碳、种分过程的热力学和动力学研究入手,结合强化烧结法生产氧化铝新工艺所带来的工艺特征变化以及氧化铝生产过程装备技术的进步,通过试验室的认真研究和工业试验的验证,确定了烧结法生产砂状氧化铝的技术路线并首次在我国产能最大的烧结法工业生产线上(850kt/a)成功地产出了合格的砂状氧化铝。主要进展如下: 提出了碳酸化分解与晶种分解这两个过程遵循相似的分解机理。碳酸化分解过程的热力学研究表明:该过程主要是OH被CO_2中和以及NaAl(OH)_4水解析出氢氧化铝两个反应共同作用的结果,而并非CO_2与NaAl(OH)_4直接作用的结果。实验室的研究结果进一步证明了这一机理,通过控制溶液的过饱和度,为新析出的晶核提供良好的长大条件,能有效避免大量细粒子的产生,从而获得所需的砂状氧化铝产品。这一结论的重要性还表现在可以借鉴大量的关于晶种分解砂状化理论成果来指导和优化碳酸化分解。 种分过程的动力学研究表明,晶种分解过程的活化能为94.60KJ/mol,说明该过程系表面反应控制。因此,温度条件对晶种分解过程的速率以及析出的氢氧化铝形貌有关键作用。在实验中,降低分解温度,提高溶液的过饱和度以及减少晶种添加量,有利于Al(OH)_3粒子的长大,晶种粒径越细,在晶种分解中越优先附聚长大;同时也得到了分解后期以粒径粗糙表面氢氧化铝作品种时,产品氢氧化铝结晶较为完善的结论。 烧结法工业生产中,由于其流程较长,设备寿命周期的不同步以及生产过程变数较多,得到完全稳定且浓度、分子比均衡的生产结果并不现实。基于碳酸化分解所得到的氢氧化铝超过烧结法成品总量80%的事实,结合实验室和工业实验的研究结果,提出了“优先满足碳酸化分解的工艺条件,控制碳分产品


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