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氧化铝熟料制备的基础理论和工艺

2020-12-11阅读(452)

氧化铝熟料制备的基础理论和工艺

论文摘要

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：H2O<40%,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。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 前言
  • 目录
  • 第一章 文献评述
  • 1.1 我国铝土矿资源和氧化铝工业现状
  • 1.1.1 我国铝土矿资源特点
  • 1.1.2 我国氧化铝产业规模
  • 1.1.3 我国氧化铝工业面临的挑战
  • 1.2 传统烧结法生产氧化铝的现状
  • 1.2.1 传统烧结法基本原理
  • 1.2.2 氧化铝熟料烧结过程中各组分的反应规律
  • 1.2.3. 熟料烧结系统主体设备
  • 1.2.4. 熟料窑内各带的反应
  • 1.2.5 炉料配方对熟料烧结的影响
  • 1.3 传统烧结法存在的问题和发展趋势
  • 1.3.1 传统烧结法存在的问题
  • 1.3.2 烧结法的发展趋势与展望
  • 1.4 本论文研究的意义和主要研究内容
  • 第二章 烧结过程中铝酸钠的形成规律
  • 2.1 实验
  • 2.1.1 实验原料
  • 2.1.2 试验方法及步骤
  • 2.1.3 实验设备
  • 2.1.4 分析方法
  • 2O·Al2O3生成反应的热力学分析'>2.2 Na2O·Al2O3生成反应的热力学分析
  • 2O-Al2O3系Na2O·Al2O3生成的热力学分析'>2.2.1 Na2O-Al2O3系Na2O·Al2O3生成的热力学分析
  • 2O-Al2O3-SiO2系热力学分析'>2.2.2 Na2O-Al2O3-SiO2系热力学分析
  • 2O-Al2O3生成动力学研究'>2.3 Na2O-Al2O3生成动力学研究
  • 2.3.1 研究方法
  • 2.3.2 数据处理原理和机理模型
  • 2O·Al2O3形成过程的热分析结果'>2.3.3 Na2O·Al2O3形成过程的热分析结果
  • 2O3与Na2CO3反应形成Na2O·Al2O3的动力学分析'>2.3.4 Al2O3与Na2CO3反应形成Na2O·Al2O3的动力学分析
  • 2CO3反应形成Na2O·Al2O3的动力学分析'>2.3.5 一水软铝石与Na2CO3反应形成Na2O·Al2O3的动力学分析
  • 2CO3和Al2O3反应宏观动力学行为和烧结产物分析'>2.4 Na2CO3和Al2O3反应宏观动力学行为和烧结产物分析
  • 2CO3-Al2O3-SiO2系烧结动力学研究'>2.5 Na2CO3-Al2O3-SiO2系烧结动力学研究
  • 2O·Al2O3·2SiO2的热分析'>2.5.1 偏高岭石生成Na2O·Al2O3·2SiO2的热分析
  • 2O·Al2O3·2SiO2的动力学分析'>2.5.2 偏高岭石与碳酸钠反应生成Na2O·Al2O3·2SiO2的动力学分析
  • 2CO3反应形成Na2O·Al2O3·2SiO2的动力学分析'>2.5.3 高岭石与Na2CO3反应形成Na2O·Al2O3·2SiO2的动力学分析
  • 2O-Al2O3-SiO2反应的宏观动力学行为和烧结产物分析'>2.6 Na2O-Al2O3-SiO2反应的宏观动力学行为和烧结产物分析
  • 2.7 小结
  • 第三章 烧结过程中硅酸钙的形成规律
  • 3.1 实验
  • 3.1.1 实验原料
  • 3.1.2 实验方法和实验步骤
  • 3.1.3 实验设备
  • 3.1.4 分析方法
  • 2和CaO-Na2CO3-Al2O3-SiO2系反应热力学分析'>3.2 CaO-SiO2和CaO-Na2CO3-Al2O3-SiO2系反应热力学分析
  • 2系硅酸钙生成规律热力学分析'>3.2.1 CaO-SiO2系硅酸钙生成规律热力学分析
  • 2O3-CaO-SiO2-H2O多元系硅酸钙生成规律热力学分析'>3.2.2 Al2O3-CaO-SiO2-H2O多元系硅酸钙生成规律热力学分析
  • 3.2.3 硅酸钙与铝酸钠间反应的热力学分析
  • 2形成宏观动力学研究'>3.3 3CaO·2SiO2形成宏观动力学研究
  • 3.3.1 硅酸钙生成的宏观动力学行为
  • 3.3.2 多元体系烧结产物物相分析
  • 2O·Al2O3·2SiO2与CaO反应形成3CaO·2SiO2的动力学机理'>3.4 Na2O·Al2O3·2SiO2与CaO反应形成3CaO·2SiO2的动力学机理
  • 3.5 小结
  • 第四章 氧化铝熟料烧结过程中铁的反应行为
  • 4.1 实验
  • 4.2 铁在氧化铝熟料烧结过程中的热力学分析
  • 2O-Fe2O3系铁酸钠生成反应的热力学分析'>4.2.1 Na2O-Fe2O3系铁酸钠生成反应的热力学分析
  • 2O3系铁酸钙生成反应的热力学分析'>4.2.2 CaO-Fe2O3系铁酸钙生成反应的热力学分析
  • 4.2.3 硅酸钙与铁酸钠反应的热力学分析
  • 4.3 铁酸钠生成反应的动力学机理
  • 2O-Fe2O3生成的热分析'>4.3.1 Na2O-Fe2O3生成的热分析
  • 2O·Fe2O3形成动力学机理'>4.3.2 Na2O·Fe2O3形成动力学机理
  • 2O·Fe2O3与Al2O3反应动力学'>4.3.3 Na2O·Fe2O3与Al2O3反应动力学
  • 2O3烧结物料物相分析'>4.4 CaO-Fe2O3烧结物料物相分析
  • 2O3-Na2O·Al2O3烧结料物相分析'>4.5 2CaO·Fe2O3-Na2O·Al2O3烧结料物相分析
  • 4.6 小结
  • 第五章 低钙比熟料烧成的实验室研究
  • 5.1 实验
  • 5.1.1 实验原料
  • 5.1.2 实验设备
  • 5.1.3 分析方法
  • 5.2 钙比对熟料烧成的影响
  • 5.3 烧结时间对熟料烧成的影响
  • 5.4 碱比对熟料烧成的影响
  • 5.5 铁铝比对熟料烧成的影响
  • 5.6 烧成温度对熟料烧成的影响
  • 5.7 中等品位铝土矿的熟料烧成
  • 5.8 小结
  • 第六章 低钙比熟料烧成工业实践
  • 6.1 低钙比熟料烧结工业工艺流程
  • 6.2 工业试验技术指标及控制条件
  • 6.3 低钙比熟料烧结工业实验
  • 6.3.1 生料浆制备
  • 6.3.2 熟料烧成
  • 6.3.3 低钙比熟料配方和质量评价
  • 6.3.4 低钙比熟料烧结工艺工业试验优化后的工艺指标
  • 6.4 低钙比熟料烧结产业化过程的技术改造
  • 6.4.1 低钙比熟料烧结产业化中存在的问题
  • 6.4.2 低钙比熟料烧结工艺技术上的改进
  • 6.4.3 熟料窑技术改进后的效果
  • 6.5 工业应用情况
  • 6.6 小结
  • 第七章 结论和展望
  • 7.1 结论
  • 7.2 回顾与展望
  • 参考文献
  • 致谢
  • 攻读博士学位期间论文及科研成果
  • 一.发表的主要学术论文
  • 二.鉴定成果、专利和获奖情况
  • （一） 己通过鉴定的科研成果
  • （二） 国家发明专利
  • （三） 荣誉及获奖情况

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