几内亚某铝土矿拜耳法溶出氧化铝试验研究

陆海飞

（广西博环环境咨询服务有限公司，广西 南宁 530007）

我国铝土矿以岩溶型为主，仅在广西、福建、海南等地发现有少量红土型铝土矿；
并且主要以一水硬铝石型为主，与三水软铝石及一水软铝石相比，一水硬铝石型铝土矿的处理工艺流程更为复杂、投资大、能耗高，产品质量也存在一定的差距［1］。

虽然国内已查明的铝土矿资源分布较为集中，但是适合露天开采的铝土矿矿床不多，只占全国总储量的34%［2］。因一水硬铝石型矿石生产氧化铝成本较高，随着资源消耗速度的提高，未来开采成本将逐步上升，严重妨碍了铝工业的持续健康发展，寻找新的矿产资源替代品成为了新的选择。

近年来中国铝行业积极响应国家“一带一路”倡议，在几内亚等地铝土矿资源开发和配套设施建设中取得了新成效。据了解，几内亚已探明铝土矿储量超过290亿t，居世界第一。截至2019年末，在几内亚当地进行铝土矿开发的13家中国企业，已取得1.84亿t／a的协议产能，目前开采产能为0.62亿t／a，几内亚已成为中国最重要的海外铝土矿资源基地及中国氧化铝企业“走出去”的重要支点［3］。

试验以几内亚某地铝土矿为原料，研究分析了铝土矿的化学成分及物相组成，并对影响铝土矿溶出性能的因素进行了试验，以期为进口几内亚铝土矿的综合利用提供一定的参考价值。

1.1 试验原料

试验所用原料包括几内亚某地铝土矿、石灰和铝酸钠循环母液。其中，铝酸钠循环母液由氢氧化铝（分析纯）、氢氧化钠（分析纯）和去离子水配置而成。除铝土矿外，氢氧化铝、氢氧化钠、石灰均为商业外购。矿石混合均匀后缩分，经烘箱烘干，采用鄂式破碎机进行破碎，然后用振动磨进行研磨制样。试验样品矿石粒度：-0.833 mm 80%，-0.365 mm 100%。

铝土矿的主要化学成分和矿物组成分析结果分别见表1和表2。

表1 铝土矿的主要化学成分 %

由表1可知，该几内亚铝土矿中Al2O3含量为42.50%，SiO2含 量 为2.26%，Fe2O3含 量 为28.88%，氧化铝与氧化硅质量比（A／S）为18.81，氧化铁含量较高。

由表2可知，该矿石为三水铝石和一水软铝石型铝土矿，含量分别为57.3%和1.4%，含硅矿物高岭石和石英的含量分别为3.7%和0.6%，含铁矿物铝针铁矿和赤铁矿的含量分别为17.0%和15.8%。含钛矿物主要是锐钛矿、金红石。

表2 铝土矿的主要物相成分 %

1.2 试验方法

溶出试验在盐浴炉（型号为HJL-1200）中进

行，其加热介质为熔盐。此次试验过程固定溶液体积为100 mL，配料分子比固定在1.4。将计算出的应配入试样量投入盐浴炉内，在设定温度下反应预定时间，然后对浆液进行抽滤，所得滤饼用去离子水洗涤三次。将洗涤后的湿滤饼置于电热鼓风干燥箱中（100±5℃）干燥10 h，烘干后的滤饼用于固相分析，计算氧化铝的溶出率。

氧化铝的溶出率是氧化铝生产中非常重要的工艺指标，而溶出率与溶出时间、溶出温度、苛循环母液性碱浓度、矿石粒度以及石灰添加量等因素密切相关。不仅需要考虑矿耗，还要兼顾后续工序，以确保生产出满足铝电解需求的砂状氧化铝产品。

溶出反应后赤泥中的氧化钠与氧化硅的质量比称为溶出赤泥钠硅比（N／S）。在拜耳法生产氧化铝的过程中，矿石中的含硅矿物在溶出过程中易转化成钠硅渣和水化石榴石，溶出矿浆固液分离时钠硅渣和钙硅渣进入赤泥外排，造成Na2O和Al2O3损失。实际生产过程中为降低碱耗，通常采取的措施就是降低溶出赤泥的钠硅比。

2.1 溶出时间的影响

溶出时间对氧化铝溶出率的影响如图1所示，其试验条件为：溶出温度110℃，母液Na2Ok200 g／L，石灰添加量0.8%。从图1可以看出，氧化铝的溶出率随溶出时间的增加呈现出先升高后逐渐平缓的趋势。当溶出时间为60 min，氧化铝的相对溶出率达到最大值，为81.14%左右。在60 min以后，氧化铝的溶出率基本没有太大的变化。而延长溶出时间，赤泥中溶出赤泥钠硅比（N／S）会不断提高，造成碱耗增大。综合考虑，溶出时间应控制在60 min。

图1 溶出时间对氧化铝溶出率的影响

2.2 溶出温度的影响

温度是影响拜耳法溶出过程的主要因素，主要影响溶出过程中化学反应的速率和分子之间的扩散速率［4］。由于化学反应需要反应活化能，温度越高活化分子的碰撞数越多，反应愈激烈，从而加强氧化铝的溶出效果。溶出温度对氧化铝溶出率的影响如图2所示，其试验条件为：溶出时间为60 min，母液Na2Ok200 g／L，石灰添加量0.8%。

图2 溶出温度对氧化铝溶出率的影响

从图2可以看出，溶出温度从110℃提高至145℃时，氧化铝溶出率提高明显，但是从145℃提高至215℃时氧化铝溶出率提高幅度一般，但由于溶出温度升高，赤泥中溶出赤泥钠硅比（N／S）提高较为明显，造成碱耗过大，不仅使生产成本增加，同时对环境保护也提出了挑战［5］。

生产过程中采用高温溶出工艺时，需要设置高压泵房（隔膜泵），而采用低温工艺选择离心泵即可，电耗在采用高温溶出工艺时将上升。此外，采用高温溶出工艺时，需增加高压溶出系统，溶出套管需加长，闪蒸器数量需增加。采用高温溶出工艺虽然可以缩短溶出时间，提高氧化铝溶出率，但是碱耗、汽耗、工艺电耗均高于低温溶出工艺。采用高温溶出工艺生产氧化铝的成本比低温溶出略高，并且高温溶出需增加相应配置系统，工程投资更大。因此，溶出温度设定在145℃。

2.3 石灰添加量的影响

由于铝土矿中含有少量的含钛矿物，在溶出过程中添加石灰能降低杂质TiO2的影响，有效防止钛酸钠在矿石表面形成保护膜，提高氧化铝的溶出率，降低碱耗［6］。此外，添加石灰能够提高溶出后铝酸钠溶液中的硅量指数（氧化铝与二氧化硅的质量浓度比）。石灰添加对氧化铝溶出性能的影响较大，如图3所示。试验条件为：溶出温度为145℃，溶出时间为60 min，母液Na2Ok200 g／L。

图3 石灰添加量对氧化铝溶出率的影响

随石灰添加量增加，氧化铝溶出率及溶出赤泥钠硅比（N／S）降低。未添加石灰时，赤泥中的脱硅物相以水合铝硅酸钠为主，见式（1）～（3）；
而添加石灰后，脱硅物相中出现了六水铝酸三钙（钠硅渣）和水化石榴石（钙硅渣），见式（4）～（7），且随石灰添加量增加，这2种物相也增加，从而导致氧化铝溶出率下降［7］。对于溶出赤泥钠硅比（N／S）降低，这主要与脱硅反应产物有关，即在石灰作用下，脱硅产物中出现了钙硅渣，随石灰添加量增加，钠硅渣减少而钙硅渣增加［8］，有利于降低碱耗，见式（7）。因此，石灰加入量以1%为上限。

2.4 母液苛性碱浓度的影响

循环母液苛性碱浓度对氧化铝的生产非常重要［9-10］。循环母液苛性碱浓度对氧化铝溶出率影响如图4所示，其试验条件为：溶出温度为145℃，溶出时间为60 min，石灰加入量1%。

图4 母液苛性碱浓度对氧化铝溶出率的影响

随着母液苛性碱浓度的增加，氧化铝溶出率急剧上升后逐渐平稳。当母液苛性碱浓度在200 g／L时，氧化铝溶出率已经接近最高值，再提高苛性碱浓度，氧化铝的溶出率并没有明显的改善。为避免过高浓度对后续蒸发工序的负担，生产过程中需将循环母液苛性碱浓度控制在较为适宜的范围内，因此循环母液苛性碱浓度控制在200 g／L时对氧化铝的溶出性能较为合理。

2.5 最优工艺条件下氧化铝溶出结果

综合上述影响因素的试验结果分析讨论，确定该铝土矿的最佳溶出条件为：溶出时间60 min、溶出温度145℃、石灰加入量1%、循环苛性碱浓度200 g／L、配料分子比1.4。矿石在此工艺条件下进行3次重复试验，氧化铝溶出率均保持在87%以上，赤泥中钠硅比平均值为0.23，溶出指标较好。

表3 最佳条件下氧化铝溶出结果

通过对几内亚某地铝土矿的试验研究，得出以下结论：

1.该铝土矿主要矿物组成为三水铝石-一水软铝石型铝土矿，矿样品位Al2O3含量为42.50%，SiO2含量为2.26%，铝硅比为18.81。

2.采用拜耳法溶出工艺对矿石进行溶性试验研究，在溶出温度为145℃，溶出时间60 min，石灰加入量1%，循环苛性碱浓度200 g／L，配料分子比1.4的条件下，可获得氧化铝溶出率87%以上，溶出赤泥平均钠硅比0.23的溶出指标。