一水硬铝石型高硫铝土矿硫酸焙烧试验研究

娄振宁，洪 瑾，冯晓东，熊 英，翟玉春

（1．东北大学 材料与冶金学院，辽宁 沈阳 110819；2．辽宁大学 化学院，辽宁 沈阳 110036）

随着氧化铝工业的发展，铝土矿的需求量持续增加，高品位铝土矿资源越来越匮乏。我国的铝土矿资源多为一水硬铝石型铝土矿，其中高硫铝土矿占很大比重，现有储量约1．5亿t，主要分布在贵州和山东，部分分布于广西、云南东南部、重庆中北部、四川东南部和湖北等地［1-2］。高硫铝土矿因其成分和结构的特殊性，尚未大规模用于氧化铝生产。国内外关于铝土矿焙烧及高硫铝土矿脱硫的研究较多［3-9］，但无需脱硫直接进行硫酸化焙烧的相关研究未见报道。本试验结果为高硫铝土矿资源的综合利用提供了一条可供选择的新途径［10］。

1 试验部分

1．1 试验原料

试验所用原料为某地区的高硫铝土矿。矿石经破碎、磨细至80μm以下，其化学成分见表1，XRD分析结果如图1所示。可以看出，高硫铝土矿的物相组成主要为一水硬铝石、黄铁矿、二氧化硅。

表1 铝土矿主要化学组分的质量分数 %

图1 高硫铝土矿的XRD谱图

1．2 试验方法

将一定量磨细的矿样与浓硫酸按一定比例混合均匀后装入坩埚，放入电阻炉内。待温度达到设定值时开始计时，一定时间后取出。将焙烧熟料按一定液固质量比加入去离子水中，置于电热恒温水浴锅中加热，达到一定温度时开始搅拌，计时反应结束后真空抽滤，滤液为溶出液。用滴定分析法测定滤液中Al、Fe质量浓度，计算Al、Fe溶出率。

1．3 试验原理

高硫铝土矿中的铝主要以一水硬铝石（AlOOH）形式存在，铁主要以黄铁矿（FeS2）形式存在。在一定条件下，铝土矿与硫酸混合后焙烧，矿物中的铝、铁与硫酸发生反应生成可溶性的铝盐、铁盐，而二氧化硅不反应。焙烧过程中主要化学反应如下：

焙烧过程产生的烟气用碱吸收，发生的反应为

2 试验结果及讨论

2．1 单因素试验

2．1．1 物料配比对Al、Fe溶出率的影响

在焙烧温度350℃、焙烧时间180min条件下，物料配比对Al、Fe溶出率的影响试验结果如图2所示。可以看出：Al、Fe的溶出率均随H2SO4用量增加而升高；当物料配比高于2．75∶1后，Al、Fe溶出率上升幅度较小。随硫酸用量增加，反应进行的更充分；但硫酸用量过多，会产生过多的烟气：综合考虑，硫酸与高硫铝土矿的质量比确定为2．75∶1。

图2 物料配比对Al、Fe溶出率的影响

2．1．2 焙烧时间对Al、Fe溶出率的影响

在焙烧温度350℃、物料配比2．75∶1条件下，焙烧时间对Al、Fe溶出率的影响如图3所示。

图3 焙烧时间对Al、Fe溶出率的影响

从图3看出：焙烧时间由120min延长到180 min，Al溶出率提高明显，Fe溶出率缓慢升高，这表明焙烧时间越长，反应越充分；当焙烧时间超过180min后，Al溶出率趋于稳定，Fe溶出率已超过97%。因此，适宜的焙烧时间确定为180min。

2．1．3 焙烧温度对Al、Fe溶出率的影响

在物料配比2．75∶1、焙烧时间180min条件下，焙烧温度对Al、Fe溶出率的影响试验结果如图4所示。可以看出，随温度升高，Al、Fe溶出率均先升高后下降，在350℃时达最大。从动力学角度考虑，升高温度，质量和热量传递速度加快，分子扩散更容易，硫酸与Al、Fe反应速度加快，有利于反应的进行，Al、Fe溶出率增大；但温度过高会使部分硫酸分解为三氧化硫和水，导致参与反应的硫酸的量减少，Al、Fe溶出率下降。综合考虑，确定焙烧温度以350℃为宜。

图4 焙烧温度对Al、Fe溶出率的影响

2．2 正交试验

根据单因素试验结果，按3因素3水平正交试验方案［10］，进一步考察物料配比、焙烧时间、焙烧温度对Al、Fe溶出率的影响，进而获得适宜的焙烧条件。正交试验条件及结果见表2。可以看出：各因素对Al、Fe溶出率的影响顺序为焙烧温度＞物料配比＞焙烧时间；适宜的工艺条件为焙烧温度350℃，H2SO4与高硫铝土矿的质量比为2．75∶1，焙烧时间180min，与条件试验结果基本一致。

表2 正交试验条件及结果

3 结论

某一水硬铝石型高硫铝土矿经硫酸焙烧再用水浸，可获得较高的Al、Fe溶出率。试验确定的适宜焙烧条件为焙烧温度350℃，H2SO4和高硫铝土矿的质量比2．75∶1，焙烧时间180min。适宜条件下，Al、Fe溶出率高达83%和99%，效果较好。焙烧过程中，各因素对Al、Fe溶出率的影响顺序为焙烧温度＞物料配比＞焙烧时间。

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