2015年中国氧化铝产能达到60 Mt,使得我国铝土矿资源逐年贫化、濒临枯竭。现阶段,我国铝土矿资源的对外依存度逐年提高,已经超过50%,中国氧化铝工业正面临着日益严峻的资源紧缺问题。拜耳法生产氧化铝仅适用于高品位铝土矿,且存在赤泥渣中氧化铝、氧化钠含量高的问题。针对以上问题,本课题组提出了“钙化-碳化法”处理低品位铝土矿及赤泥的新工艺,新工艺能够充分提取资源中的氧化铝及氧化钠,且尾渣易于实现无害化处理。 本文围绕钙化过程和碳化过程的热力学、工艺条件及动力学进行了研究分析,具体研究内容及结果如下: (1)对TCA与硅酸钠反应过程的热力学研究结果表明,在50~300℃的温度区间内,优先生成硅饱和系数较高的水化石榴石,且反应温度的提高有利于反应的正向进行。对水化石榴石碳化分解过程的热力学研究结果表明,碳化分解过程有可能生成既含铝又含硅的铝硅化合物(Al₂O₃˙SiO₂),温度越低,硅饱和系数越小,越有利于该铝硅化合物的生成。而碳化分解过程的另一种可能产物(Al₂O₃˙2SiO₂)则在水化石榴石的硅饱和系数大于等于1.2或温度高于300℃的条件下基本上不可能出现。 (2)赤泥钙化单因素实验表明,在钙硅比2.5:1、120℃、液固比4:1、反应时间2 h的钙化条件下,能够取得较优的钙化效果,Na₂O含量可降低到1.26 wt.%。赤泥碳化单因素实验表明,在120℃、CO₂压力为1.2 MPa、液固比8:1、反应时间90 min、无氢氧化钠添加的碳化条件下,能够取得较优的碳化效果,Na₂O含量可降低到1.16 wt.%,经过60℃、100 g/L氢氧化钠、液固比10:1、溶出时间1 h处理后,溶铝渣中铝硅比可降至0.635左右。 (3)以六水合铝酸三钙为原料与硅酸钠溶液反应的钙化动力学实验结果表明,随着钙化反应温度的提高,边界层扩散阻力逐渐降低,产物层扩散阻力亦逐渐降低,界面化学反应阻力随温度的升高持续降低,且降低速率较前两者更快。经过三系数二次指数函数拟合,得到了k_r与温度T的拟合方程。 (4)影响纯物质碳化过程的主要因素是二氧化碳从液相主体向颗粒表面的传质速率。总压恒定的前提下,温度的升高直接导致了液相中溶解的二氧化碳浓度的大量降低以及二氧化碳穿过液相边界层向固体颗粒反应界面迁移的传质速率的大幅度降低,从而碳化温度越高,反应的表观速率越低;提高碳化过程二氧化碳的分压,可以增大液相中二氧化碳浓度及传质速率常数。 (5)影响赤泥钙化渣碳化过程的主要因素有二氧化碳从液相主体向颗粒表面的传质速率和界面化学反应的速率。低温段(60~100℃),碳化过程的宏观速率由相对较慢的化学反应步骤限制;在温度大约为100℃条件下,过程为化学反应与传质速率混合控制;高温段(100~160℃),碳化过程的宏观速率由相对较慢的二氧化碳向反应界面的传质步骤限制。