低品位含铝资源的新型烧结法技术研究

2021-12-26秦鸿波

世界有色金属 2021年18期

秦鸿波

（杭州锦江集团，浙江杭州 310000）

1 前言

铝工业是我国的基础产业，经济建设对铝土矿的需求量很大，而我国又大多数是中低品位的铝土矿。目前我国氧化铝产量的99%以上均为拜耳法生产工艺，随着氧化铝产能的不断扩大，铝土矿无论是品位还是储量都在迅速下降，从理论上讲，近年来随着拜耳法工艺技术的改进，拜耳法处理铝土矿的A/S可以达到5左右，即使这样储量也在迅速枯竭，以山西孝义地区（我国储量最大的矿区）为例，2020年政府公布的铝土矿储量（A/S达到5以上）为1.4亿吨，而该地区氧化铝产能约1800万吨，根据这个产能速度，5年以后铝土矿资源枯竭。因此，尽快寻找可替代铝土矿资源是当务之急。

1.1 拜耳法赤泥资源

目前我国氧化铝产量的99%以上均为拜耳法生产工艺，随着铝土矿供矿品位下降的趋势日益加剧，拜耳法赤泥中遗弃的氧化铝和氧化钠也越来越高，造成了资源的极大浪费。另一方面，由于国产铝土矿的质量越来越差，价格越来越高，拜耳法成本也在不断升高，近年来有些企业不得不从国外大量进口铝土矿，资料表明，近年来我国铝土矿铝资源的对外依存度高达55%。

虽然多年来，我国一些科研单位和企业相应开发出了串联法和混联法等技术以利用赤泥、提高氧化铝及氧化钠的回收率，但是这两种方法均需采用传统烧结法的湿法烧结，这造成生产系统复杂庞大、基建投资增加、能耗高、难于控制、产品质量较差等一系列问题，经济性不佳，因此也逐步处于减产或停产状态。

如何有效利用拜耳法赤泥，解决我国铝土矿资源的浪费，也是解决铝土矿资源的有效办法。

1.2 低品位铝土矿的利用

我国又大多数是中低品位的铝土矿，随着近年来拜耳法氧化铝产能的不断扩大，适用于拜耳法的铝土矿量大幅下降，而低品位的铝土矿一部分被开采厂家掺入高品位铝土矿用于配矿，造成拜耳法指标下降，成本升高。大部分（A/S＜2.0）则被遗弃，造成大量铝资源浪费。

另外，随着含硫铝土矿的不断发现，这一储量也在不断增加，如何有效利用目前研究的企业及科研机构也很多，但都存在成本过高问题。

如何有效利用低A/S比铝矿石及高硫铝矿石，也是解决铝土矿资源的有效办法。

1.3 高铝粉煤灰资源

由于特殊的成矿背景，在我国内蒙古中西部的部分煤炭资源中，赋存大量勃姆石和高岭石等含铝矿物。此煤炭资源主要分布于准格尔煤田、卓子山煤田及大青山煤田，其中氧化铝含量达到9%～13%。发电后产生的粉煤灰中氧化铝含量可达40%～50%，是一种非传统的铝土矿资源。

目前，每年仅内蒙古鄂尔多斯地区高铝煤炭产量就达到1.2亿吨，其中部分煤炭用于发电后产生近3000万吨高铝粉煤灰，其中内蒙古中西部地区约1400万吨，集中堆存在呼和浩特、鄂尔多斯，是具有较高经济开发价值的含铝资源。

如何有效利用高铝粉煤灰，解决我国铝土矿资源的不足及工业固废利用，也是缓解铝土矿资源紧张的有效途径之一。

2 工艺介绍

新型工艺的研究就是以低品位含铝资源为对象，从工艺技术的消耗、成本、设备、规模化、运行稳定性及硅产品的开发应用前景出发，在学习借鉴钢铁、水泥、烧碱、农肥、建材等工艺技术的基础上，通过大量的试验、验证、研究和借鉴相关企业的成熟技术，对传统烧结法工艺进行了改进。

新工艺的研发思路是在传统碱石灰烧结法生产氧化铝的工艺技术基础上，结合低品位铝资源的特性，对简化工艺路线、调整工艺配方、烧结方法、碱液处理、硅基材料利用等方面的工艺技术、设备选型均进行了改进、完善。

2.1 工艺改进

图1 传统烧结法工艺流程图

2.2 新型烧结工艺特点

与传统烧结法工艺相比，实现干法烧结、全种分分解及种分母液高浓度蒸发，减少了石灰制备、二氧化碳气体压缩、生料浆制备及调配、二次脱硅、碳分分解、碳分蒸发等高耗能工序。

通过对原有传统工艺流程的简化、优化，可以减少项目投资额，降低运行费用，保证产品质量，提高经济效益。

五个核心技术：

（1）赤泥窑外烘干及干法配料技术：利用窑尾烟气余热，采用机械式烘干机对生料进行烘干，同时在配料皮带上采用水泥行业的成熟在线分析技术，实现自动调整配料。针对拜耳法赤泥，进行压滤后运用这种烘干机效果突出。同时利用余热烘干，降低了能耗。

图2 新型烧结法工艺流程图

（2）干法烧成技术：窑外烘干技术为干法烧成提供了基础，采用带预热器的水泥烧成窑技术，能耗大幅降低。

（3）熟料烧结两个配方技术：为了溶出渣产品的应用，采用同一套烧结系统可以进行两个配方的熟料烧结。

生料配方

一钙配方：碱比=1.0；钙比=1.0

熟料主要成分为：Na2O·Al2O3、CaO·Na2O·SiO2

渣的主要成分：CaO·SiO2

二钙配方（传统烧结法配方）：碱比=1.0；钙比=2.0

熟料主要成分为：Na2O·Al2O3、2CaO·SiO2

渣的主要成分：2CaO·SiO2

以处理拜耳法赤泥为例，从表1中可以看出：两种配方的产渣量与产液碱量相互制约，一钙配方渣减量化大，但产液碱量大，与拜耳法工厂匹配时，处理赤泥量小；二钙配方渣减量化小，与拜耳法工厂匹配时，处理赤泥量大。可根据渣的用途选择不同的配方，或者定期进行切换作业。

表1 处理拜耳法赤泥的消耗、产出主要指标比较

（4）高浓度种分母液蒸发及铝酸钠结晶技术：采用两段蒸发，中间排盐技术，实现两段蒸发都采用降膜蒸发器，汽水比大幅降低（与采用强制循环蒸发比较），将种分母液浓度蒸发到Nk 550g/l以上，再进行铝酸钠结晶，结晶母液可作为液碱进行配料，也可进入拜耳法系统或对外销售。

（5）采用全种分工艺技术：简化传统烧结法工艺流程1/3（去掉了石灰炉系统、碳分分解及碳分母液蒸发系统），由于采用了高浓度蒸发及铝酸钠结晶技术，综合种分分解率可达90%以上。

2.3 新型工艺具有以下优势

（1）工艺流程大幅简化。去掉三个主要工序（石灰炉及CO2净化及加压系统、深度脱硅系统、碳分分解及碳分母液蒸发系统），生产组织更加简单，影响生产概率大幅降低。

（2）烧结法核心工序烧成操作更加稳定，熟料质量能够大幅提高。干法烧成技术成熟，生产故障少、运转率高，熟料的溶出指标好于湿法回转窑的熟料。同时实现了在线分析、监测、调整的自动化配料技术，提高氧化铝装备水平，实现简化流程、减少人员、降低投资额的目的，干法烧结较湿法烧结能耗降低30%以上。

（3）采用两种烧结配方，产出性能不同的渣相，能实现赤泥完全综合利用，可产出五种产品，实现七个用途。

（4）能够将部分廉价的工业纯碱转化为附加值高的烧碱。

（5）生产运行方面：系统结疤速度延缓，运行周期延长；清理、检修工作量大幅减少。

（6）投资额减少，岗位员工减少。

2.4 设备特点

（1）借鉴钢铁行业技术，采用了半干法混料的大型立式混料机，混料均匀度可高达90%以上，产能可达400吨/小时。

（2）根据赤泥混料后的含水物料，研发出了一套机械烘干设备，实现了窑外烘干技术。

（3）借鉴水泥行业技术，改进完善了带预热器的干法烧结回转窑，产能大幅提高，比湿法窑产能提高2倍以上。

（4）借鉴水泥行业技术，采用干法自动配料系统，可实现熟料指标合格率高达90%以上。（目前湿法配料合格率只有60%）

（5）从液碱行业引进了高浓度碱液蒸发设备，可使Na2Ok浓度蒸到500g/l以上（目前拜耳法蒸发Na2Ok最高只能达到280g/l左右），直至片碱。

3 渣的综合利用研究

3.1 水泥应用方向的研究（二钙渣）

3.1.1 溶出渣脱碱研究

二钙配方溶出渣主要成分为硅酸二钙，与水泥成分相近，但Na2O含量较高，需进行脱碱处理，经研究及小型（5kg级）试验，采用石灰乳脱碱能够实现Na2O小于1%的标准，符合水泥应用要求。

脱碱条件为：CaO加入量：5%，温度：95℃～100℃，时间：1小时

表2 赤泥脱碱渣与高铁水泥成分

物相比较：

水泥熟料的物相：C3S、C2S、C4AF、C3A

脱碱赤泥物相：C2S、FeOH（针铁矿）、水化石榴石

从高铁水泥生料的化学成分看，脱碱渣与之基本相近，成分需要进行微调，从熟料的物相看主要成分都是C2S，其他成分FeOH（针铁矿）、水化石榴石需要进行物相转换。

3.1.2 直接做水泥混合材

（1）根据试验在水泥中直接加入10%作为混合材，3天和28天强度不受影响。

（2）低温煅烧活化后（脱结晶水450℃）做水泥混合材及混凝土添加料，添加量会进一步提高。

3.1.3 用作水泥生产原料

从高铁水泥生料的化学成分看，与脱碱渣的相似度极高，从物相构成看在烧成过程中需要将FeOH（针铁矿）、水化石榴石转化为C4AF、C3A、C3S。

用脱碱渣作为水泥生产原料，具有以下优势：

（1）反应热耗低，水泥生产主要吸热反应是碳酸钙分解，其他的基本是放热反应，而脱碱渣已经是CaO，仅有的吸热反应是脱出12%左右的结晶水和少量调整成分的碳酸钙分解，因此熟料烧结反应热耗不到水泥的一半。

（2）烧结温度低，由于生料含铁较高，液相较易生成，烧结温度仅为1280℃～1350℃，比常规水泥烧结低100℃。

（3）原料消耗少，脱碱渣与水泥生料成分非常接近，只需添加少量原料进行配方调整即可。

（4）采用窑外烘干技术，烧成窑系统指标及产量不受影响。

由于以上优势，采用脱碱渣生产水泥熟料，成本可大幅降低，具有市场竞争优势。

3.2 土壤调理应用方向的研究（一钙渣）

3.2.1 硅肥应用方面

我国60%左右耕地缺硅，我国长江流域70%的土壤缺硅，黄淮海及辽宁约有一半的土壤缺硅，而且土壤缺硅的区城正在逐步扩大，因此，施用硅肥成为我国土壤补硅的有效措施。硅肥若在全国推广，按照每亩施用硅肥50kg计算，我国农业生产每年需要硅肥3000～4000万吨，而目前我国硅肥的年生产能力远没有达到这一产能，2008年底的统计年生产能力仅有300万吨左右，因此，硅肥市场潜力巨大。以水稻为例，我国常年种植水稻的面积达3333多万公顷，缺硅土壤占50%以上。如果全部施用硅肥，按增产10%计，仅此一项每年应可增产100万吨稻谷，推广硅肥的生产与应用具有非常明显的社会和经济效益。

一钙配方产出的硅酸钙渣在硅肥应用上特点突出，具有几个明显优势：1、有效硅含量28%以上（河南硅肥所分析，国家标准≥20%）；2、含水率50%～70%；3、PH值9-10；4、各种有害重金属含量不超标。

表3 硅酸钙渣的化学成分

表4 有害金属分析

3.2.2 土壤调理方面

（1）土壤酸碱调节性。

由于硅钙渣中含有少量的碱，PH值9-10，硅钙渣可作为土壤酸碱调节剂。探索性试验表明，经添加10%左右硅钙渣改良的土壤，PH在8-8.5，可有效中和我国普遍存在的酸性土壤，改良土壤特性，达到农作物增产、增值目的。

（2）降低土壤容重，增强透气性。

一般土壤容重约为1.3g/cm3，硅钙渣的容重只有约0.35g/cm3，因此，在土壤中掺入硅钙渣后，可大幅降低土壤容重，又由于硅钙渣孔隙率高达90%，掺入土壤中能显著改善土壤的透气性。

（3）吸水性。

为考察硅钙渣的吸水性能，前期初步考察了普通土壤和硅钙渣的吸水性能。结果表明，普通土壤的饱和含水率为27%，硅钙渣的饱和含水率为50%～70%，硅钙渣的储水能力是土壤的两倍以上。在土壤中掺入少量硅钙渣，可大大提高土壤的持水能力，内蒙古农业大学采用硅钙渣进行了土壤含水试验，含有硅钙渣及含硅钙渣的土壤失水速率远低于普通土壤。