氧化铝熟料制备的基础理论和工艺

【摘要】：理论上烧结法铝硅分离彻底,氧化铝回收率可达100%,是高效处理我国中低品位铝土矿的主要方法。而熟料烧结工序是铝酸钠和硅酸钙生成、铝硅分离的关键工序,传统熟料烧结因钙比高、氧化铝含量较低,导致其能耗和生产成本高。针对我国铝土矿资源～80%属中低品位铝土矿的现状,在熟料烧结过程中,通过设计高稳定性低钙比硅酸钙,提高熟料中氧化铝含量,以降低烧结能耗和生产成本。因此,深入研究熟料烧结中组份反应机理和相互间影响规律以及开发低钙比熟料烧结工艺显得尤为重要。 本文通过热力学计算,借助于热分析技术,结合物相分析,研究了熟料烧结过程中铝、硅、铁等反应规律和相互影响规律,通过分析熟料中组份的溶出率,评价熟料烧结中各因素的影响规律,提出熟料烧结过程中生料浆配方和烧结工艺。结合工业实验和产业化,优化了熟料烧结工艺。主要研究结论如下： 1.热力学计算结果表明：无论Na2O·Al203、Na2O·Al203·2Si02,还是Na2O·Fe203和2CaO·Fe2O3在高温度下均可生成。同时铁酸钠可与硅酸钙反应生成硅酸钠钙,但铁酸钙与铝酸钠难以反应生成铁铝酸钙。在CaO-SiO2系或Al2O3-CaO-SiO2系中,钙量充足的条件下,各种硅酸钙均可生成；钙比和烧结温度影响各硅酸钙物相的生成。当[CaO]:[SiO2]=3:2时,在CaO-SiO2系最可能生成的化合物为3CaO·2Si02;在Na2O-Al203-CaO-SiO2系中可生成3CaO·2SiO2,同时3CaO·2Si02和2CaO-SiO2可与Na2O·Al2O3稳定存在。 2.在非等温条件下,Na2CO3-Al2O3、Na2C03-AlOOH、Na2CO3-Al2O3·2SiO2、Na2CO3-Al2O3·2SiO2·2H2O、Na2C03-Fe2O3、Na2O·A203-Fe2O3和Na2O·Al2O3·2SiO2-CaO系组份的反应动力学机理均符合Jander模型,反应由二维或三维扩散控制,可表示为[1-(1-x)1/3]2=Ae-Ea/RTt或1-(2/3)x-(l-x)2/3=Ae-Ea/RTt; Na2CO3与A1203在650～970℃温度段间反应活化能(268.0kJ/mol)大于Na2CO3与Fe203反应活化能(99.20kJ/mol),铝硅酸钠与氧化钙反应生成硅酸钙在780～800℃反应活化能为189.29kJ/mol, Na2O·Fe2O3与A12O3反应的活化能为246.37kJ/mol上述反应模型均获实验证明。 3.实验研究结果表明,无论是二元体系或多元体系,钙比减小,烧结温度升高,烧成时间延长,加入矿化剂等均可提高氧化钙的反应率,减少游离氧化钙量,有利于低钙比硅酸钙的生成。同时,在较低烧结温度下,Na2CO3与Fe203反应生成Na2O-Fe2O3的反应速率比Na2CO3与A12O3反应生成Na2O·Al2O3的反应速率大。在高温下,Fe2O3的存在有利于促进Na2CO3与A12O3的反应速率。同时,获得了熟料烧结的炉料配方和烧结工艺条件：碱比为1,钙比为1.5,铁铝比～0.1,烧成温度在1250～1300℃间,烧成时间30min左右。此时熟料中氧化铝溶出率大于95%,碱溶出率大于98%。该工艺条件适用中低品位铝土矿的熟料烧结。 4.工业试验结果表明,实验结果与小实验结果一致。优化后的工艺指标为：(1)生料浆制备：H2O40%,碱比[N]/([A]+[F])1.02土0.04,钙比[C]/[S]1.5土0.05, A/S 7.5-7.8;(2)熟料烧结：A/S 7.0-7.4,[N]/([A]+[F])0.9-0.98,[C]/[S]1.3土0.05,容重0.9-1.15,ηA标95%ηN标97%。 5.在工业应用过程中,提出提高窑皮挂结温度、缩短挂结时间挂窑皮方案,采用偏上限温度控制的思路进行窑皮维护,以长火焰操作、控制火焰落着点、控制窑尾温度等控制窑内温度,调整喷煤管位置,始终保持火焰中心与料层距离1.5米的喷煤管调整方法,从而提出了适当增强前风、拉大后风、长火焰操作以调整系统温度制度,保证熟料窑作业稳定高产。 6.熟料烧结新技术应用后,在同等条件下,相对于传统烧结法,工艺能耗降低39.9%,单台窑产能增加70%,窑龄由100天提高到200多天；在相同产量情况下,中州分公司可节省大量的原煤和石灰石,减少赤泥和CO2排放。