工艺现状及发展

1、Internetioneal Conference on “Advanced Mining For Sustainable Development” in Ha Long Bay, Vietnam （23rd Sep. 2010）世界铝土矿开发工艺的发展与现状刘志坚，门翠双，马朝建（中铝国际沈阳铝镁设计研究院，辽宁 沈阳110001）摘要：简要介绍在近年来世界铝土矿资源、氧化铝和电解铝生产状况，重点介绍氧化铝生产工艺。 即以铝土矿为原料生产氧化铝的各种生产方法的发展过程、工艺原理、主要技术经济指标，以及在 氧化铝工业中的应用现状和发展方向。包括拜耳法、碱石灰烧结法。以及由拜尔法衍生出来的选矿

2、拜耳法、石灰拜耳法；由拜耳法、碱石灰烧结法联合衍生出来的串联法、并联法和混联法。关键词：铝土矿；氧化铝；生产方法；工艺原理；技术指标；应用现状1世界铝土矿开发概况铝土矿最早发现于法国南方小镇Baux，故得名为Bauxite。铝土矿的开发利用起 源于1880年，最初的氧化铝厂采用烧结法生产工艺，生产规模很小。经过近130年的 发展，目前已建立起庞大的铝工业生产体系，成为世界第二大金属生产行业。当今世 界铝土矿开发主要用于生产冶金级氧化铝（生产原铝原料）、耐火材料，以及化学品氧 化铝。其中90%以上用于生产冶金级氧化铝。1.1铝土矿储量根据 1990 年 Mr. G.Bardossy & Mr.

3、J.J.J.Aleva 编写红土型铝土矿Latritic bauxites1,世界铝土矿资源总量为550亿吨。在世界各大洲的分布见图1。26%图1世界铝土矿资源的地区分布图世界上大多数铝土矿主要分布在赤道附近的热带和亚热带国家，铝土矿资源储量 居世界前11位的国家列于表1，其资源储量约占世界总量的86%。表1铝土矿资源储量居前11位的国家（Mt）序号国家名称证实储量可能储量次经济资源及推测资源资源总量序号国家名称证实储量可能储量次经济资源及推测资源资源总量1几内亚260065001000101002澳大利亚3530455080803委内瑞拉350800500061504越南3003000140

4、047005巴西500350050045006圭亚那400400200028007印度214028030027208印度尼西亚760100030020609牙买加1500500200011中华人民共和国1501250600200010喀麦隆6803503001330合计464401.2氧化铝产量根据英国BROOK HUNT近期公布的调查数据，2003-2009年世界氧化铝产量列 于表2,其地区分布情况详见图2。表2世界氧化铝(2003-2009)每年总产量及主要分布国家(万吨)年份2003200420052006200720082009澳大利亚1680169717921861192519652

5、110中国6186988541374209027053189美国485559560533464493505巴西481513520672713791944俄罗斯323327326324332313311牙买加384403412411400416427印度287297307299318369473其他国家与地区1709183718871924183418731915世界合计59676331665773988075892598742008年世界氧化铝产量按地区分布非洲北美洲拉丁美洲亚洲西欧东欧和中欧大洋洲独联体图2世界氧化铝产量的地区分布图1.3电解铝产量根据CRU （CommoditiesRese

6、achUnit）近期公布的资料，近年来世界电解铝产量 及分布见表3。表3世界电解铝产量分布（2003-2009）（万吨）年份 北美洲拉丁美洲欧洲 亚洲 非洲 大洋洲 合计2003704.8232.4865.2961.7175.9217.23157.22004652.3237.2896.21213.4202.4224.33425.82005673.4242.5915.81389.9207.3228.03656.92006673.3252.9927.71542.9211.3230.83838.92007668.4260.4951.51809.8215.0232.44137.52008675.627

7、5.71009.92107.7215.8233.24517.92009674.5277.31028.62431216.5234.44862.3综上所述，世界铝土矿、氧化铝和电解铝生产基本处于相互平衡状态。1.4铝土矿开发的基本特点如上所述，世界铝土矿开发主要呈现以下几个特点。1）按2009年氧化铝产量计，考虑生产少量耐火材料和化学品氧化铝，每年世界 铝土矿消耗量约为2.52.8亿吨。根据世界铝土矿资源总储量（550亿吨）判 断，世界氧化铝工业具有较好的资源保证程度。2）世界氧化铝工业发展还不平衡。部分铝土矿资源富足的国家尚未开发利用或正 待开发利用。目前，氧化铝工业的开发利用逐渐向资源所属国倾

8、斜，如越南、 几内亚、印度尼西亚、圭亚那等国家。3） 近年来中国氧化铝工业发展异常迅猛，近5年内（2005-2009年）产量增加3.7 倍，净增2335万吨，占世界当年总产量的26%。2铝土矿开发工艺原理目前世界氧化铝工业几乎全部采用碱法生产，包括拜耳法、碱石灰烧结法。以及 由拜尔法衍生出来的选矿拜耳法、石灰拜耳法；由拜耳法、碱石灰烧结法联合衍生出 来的串联法、并联法和混联法。氧化铝生产方法的选择主要取决于铝土矿的化学和矿物特性。为获得工业生产的 经济性，不同的铝土矿种类（一水硬铝石、一水软铝石、三水铝石铝矿或混合型铝矿） 和质量将适用于不同的氧化铝生产方法。2.1传统拜耳法2.1.1工艺原理

9、据资料3介绍，拜耳法是18891892年由奥地利科学家K.J.Bayer在俄国彼德堡 提出的两个专利（即铝土矿溶出和氢氧化铝分解）的基础上而形成的。工艺的实质：A12O3.3H2O +2NaOH +水=2NaAl（OH）4 + 水 （1）（1）式中的正向反应为第一个专利，逆向反应为第二个专利.。铝土矿中的主要有害杂质矿物是含SiO2的矿物。在铝矿溶出过程中，铝矿中的SiO2 按反应（2）生成固体残渣而造成碱和氧化铝的损失，而成为主要的付反应：SiO+2NaA1(OHl+水=NO.ALO-xSiQ.nHO+ 水(2) 乙1r乙乙 。乙乙由反应式（2）可见，拜尔法生产的经济性铝土矿中可反应Al2O

10、3和可反应SiO2 的含量。研究4表明，铝土矿中Al2O3/ SiO2 （重量比）与拜耳法生产主要原材料费用 的关系见图1。图1铝土矿A/S与拜耳法生产主要原材料费用的关系铝化氧吨无 用费即当铝土矿中可反应A12O3在45%左右，A12O3/ SiO27.0，在目前的市场条件下 是比较经济的。2.1.2主要技术经济指标根据铝土矿的类型（一水硬铝石、一水软铝石、三水铝石铝矿型）不同，习惯上 分为高温（N245C ）拜尔法和低温（145C ）拜尔法。资料8介绍，世界典型拜尔 法生产厂的主要技术指标如表4所示。表4拜尔法生产的主要技术指标比较项目单位美国某厂中国某厂澳大利亚某厂铝矿成分：AlO%45

11、-5060.030-312 3有效SiO.%0.7-1.54.621.4铝矿类型/三水铝石和一水硬铝石三水铝石溶出温度C一水软铝石243260143-145主要消耗指标：（以每吨产品氧化铝计）铝矿（干基）t2.52.13.5碱耗(100%NaOH)kg8095.060估计工艺能耗GJ12.013.611.7（按中国标准计算）2.2碱石灰烧结法2.2.1工艺原理据资料23介绍，碱石灰烧结法是1880年由米尤列尔提出，于1902年由M.巴卡 尔德完善后确立的一种氧化铝生产方法。以后在前苏联、美国、中国得到工业应用。 但是发展比拜耳法缓慢。碱石灰烧结法法的工艺的实质是向铝矿中配入纯碱和石灰石（或石灰

12、），在高温（1250 0C）下煅烧，使铝土矿中的A12O3与Na2CO3反应生成可溶于碱液的铝酸钠 （Na2O.A12O3），而SiO2则与CaO反应生成不溶于碱液的硅酸二钙（。-2CaO. SiO2）.2A12O3. + 2Na2CO32Na2O.Al2O3 +2CO2(3)SiO2 + 2CaO = p - 2CaO. SiO2.（4）由此可见，从工艺原理上讲，铝土矿中SiO2含量对烧结法生产氧化铝的经济性没 有直接影响。当然，提高供矿铝硅比可提高烧结法生产的经济效益。但是，由于熟料 烧结技术的限制，通常烧结法适宜于处理高铝、高硅、低铁（铝硅比= 3.57）的铝土 矿，即低品位铝土矿。2.

13、2.2主要技术经济指标碱石灰烧结法生产的特点是：处理高硅铝土矿，氧化铝回收率较高、矿耗低，碱耗 低；但能耗很高。世界典型的碱石灰烧结法生产厂的主要技术指标列于表5。表5碱石灰烧结法生产厂的主要技术指标比较项目单位中国某厂铝矿成分：Al2O3%63.0SiO2%13铝矿类型主要消耗指标：（以每吨产品氧化铝计）/一水硬铝石型铝矿t1.78石灰石t0.850纯碱(100%NaCO3)kg90氧化铝实收率%89工艺能耗（按中国标准计算）GJ362.3石灰拜耳法2.3.1工艺原理石灰拜耳法是在铝土矿溶出过程中配入比常规拜耳法过量的石灰，以经济地处理 较低品位铝土矿氧化铝的生产方法。石灰拜耳法中，通过在铝

14、土矿的溶出过程中配入 比常规拜耳法过量的石灰，所谓配入过量的石灰是指，所配入的石灰量除满足与TiO2 反应所需的常规石灰添加量外，还需部分或全部满足与SiO2反应所需的石灰量，使溶 出过程中的脱硅产物部分或全部地由方钠石型的水合铝硅酸钠变为水化石榴石型的水 合铝硅酸钙。其反应可表示为下列反应式：xNa2SiO3 + 3Ca(OH)2 + 2NaAl(OH)4 + aq.3CaO.Al2O3-xSiO2-nH2O + 2(1-x)NaOH+aq. (5)研究结果10证明，在一水硬铝石型铝土矿的溶出条件下，反应式中x的值为0.91.0。从反应式（5）可见，石灰拜耳法的溶出固体残渣（赤泥）中不含碱。

15、当配入足 够的石灰时，理论上赤泥中Na2O的化学损失趋于零，氧化铝生产碱耗与铝土矿中的 SiO2含量无直接关系。这样就大大放宽了拜耳法生产的经济性对铝土矿A/S的限制， 使中国中、低品位的一水硬铝石型铝土矿适应于用常规拜耳法生产氧化铝。与传统拜耳法比，石灰拜耳法只是铝土矿溶出机理的改变，工艺流程与常规拜耳 法完全一样。2.3.2主要技术经济指标石灰拜耳法生产厂的主要技术指标生产的特点是：处理高硅铝土矿，氧化铝回收率 较高、矿耗低，碱耗低；但能耗很高。典型的石灰拜耳法生产厂10的主要技术指标列 于表6。石灰拜耳法生产厂的主要技术指标比较项目单位石灰拜耳法铝矿成分：Al2O3%64.6SiO2%1

16、1.29铝矿类型/一水硬铝石溶出温度C260主要消耗指标：（以每吨产品氧化铝计） 铝矿t2.110石灰石t0.52碱耗(100%NaOH)kg90工艺能耗GJ16.32.4选矿拜耳法2.4.1工艺原理选矿拜耳法是物理选矿和拜耳法冶炼工艺有机结合，以处理高硅铝土矿生产氧化铝 的生产方法。即通过浮选方式分离高硅铝土矿中的铝矿物和硅矿物，以降低选后精矿 中的SiO2含量，改善拜耳法处理高SiO2铝土矿的经济性。铝土矿选矿在20世纪80年代由前苏联学者提出，但未进一步研究。基于中国铝土 矿的资源（高硅一水硬铝石型）特点，与1995年以中国铝业公司为主，针对中国铝土 矿资源开展选矿拜尔法的系统研究，取得

17、了以下重大成果。将中国铝土矿资源的平均 铝硅比由56提高到911，尾矿铝硅比小于1.3,选矿过程的氧化铝回收率约85%以 上。选矿拜尔法除浮选工艺外，氧化铝生产工艺与拜尔法完全相同。2.4.2主要技术经济指标选矿拜耳法生产的特点是：处理高硅铝土矿，氧化铝回收率较高、矿耗低，碱耗低； 但能耗很高。世界典型的选矿拜耳法生产厂1。的主要技术指标列于表7。表7选矿拜耳法生产厂的主要技术指标比较项目单位选矿拜耳法铝矿成分：Al2O3%64.6Si2%11.29A/S/5.72铝矿类型/一水硬铝石主要消耗指标：（以每吨产品氧化铝计）铝矿t2.119石灰石t0.243碱耗(100%NaOH)kg90氧化铝实

18、收率%73工艺能耗GJ16.12.5联合法2.5.1工艺原理所谓联合法是指由拜耳法和烧结法按不同方式组合的氧化铝生产方法的总称。根据 拜耳法和碱、石灰烧结法之间的不同的组合方式，联合法又分为串联法、并联法和混 联法。1）串联法所谓串联法是指：铝土矿经拜耳法处理得到的赤泥，再用烧结法处理，回收其中氧 化铝和碱的氧化铝生产方法。串联法5 是世界上最早出现的拜耳法与烧结法联合的联合法生产工艺。美国率先 建成了两个串联法氧化铝厂，其一为1943年投产的哈立根克立克氧化铝厂，1975年产 量为800kt，1983年因故停产;其二为1952年投产的博克赛特氧化铝厂，规模为380kt/a。 1975年产量为

19、340kt，1985年因故停产。哈萨克斯坦有目前世界上唯一的一个大型串联法厂即巴夫洛达尔氧化铝厂。该 厂为1964年建成投产。目前生产能力为1400kt/a。2）并联法早期的并联法是指高品位铝土矿用拜耳法处理，低品位铝土矿或霞石矿用烧结法处 理，烧结法产出的铝酸钠溶液全部用于补充流程碱损失的氧化铝生产方法。早期的并联法是由前苏联在40年代提出来。根据资料介绍US并联法首先于1935 年用于第聂伯氧化铝厂建设工程，并于1944年投产，以处理乌克兰铝土矿和进口铝土 矿。此后，并联法在前苏联又先后被用于博戈斯洛夫氧化铝厂，乌拉尔氧化铝厂；有 资料报道，伏尔加格勒铝联年产6万吨的氧化铝厂也采用并联法生

20、产工艺。3）混联法所谓混联法是指铝土矿经拜耳法处理得到的赤泥配入适量的铝土矿，再用烧结法处 理的氧化铝生产方法。混联法是中国为适应中国的高硅铝矿资源于1962年在串联法的基础上发展而创 立、并日臻完善的氧化铝生产方法13。即在串联法中增建烧结法中的中压脱硅、碳酸 分解、碳分蒸发，而形成中国独特的联合法生产工艺。在该工艺中，拜耳法部分处理 较高铝硅比的矿石，而烧结法部分处理较低铝硅比的矿石和拜耳法部分的赤泥，并各 自生产产品氧化铝。中国铝业河南、贵州、山西、山东分公司多年来一直采用混联法生产。2.5.2主要技术经济指标联合法生产的特点是：处理高硅铝土矿，氧化铝回收率较高、矿耗低，碱耗低；但 能耗

21、很高。世界典型的联合法生产厂的主要技术指标列于表8。表8典型联合法生产厂的前主要技术指标序号指标单位串联法并联法混联法典型工厂名称巴夫洛达尔 （1998 年）乌拉尔 （1989 年）设计指标（1998年）1生产能力万t/a140901202铝土矿消耗t2.651.65铝矿化学组成：A12O3SiQ32A/S%一一41.911.73.58514.710.8564.611.295.723100% 纯碱(Na CO)kg11435804烧碱(100% NaO#)kg11725石灰石kg1.42无0.827燃料（标煤）kg4642464908电耗Kw.h4563734259总能耗GJ2926.5532

22、10投产日期年196419393开发及应用现状1）拜耳法世界目前已探明铝土矿绝大多数为红土型三水铝土矿，其A12O3含量在45-52%（除 少数32-35%），SiO2小于5.0%。适合采用拜耳法生产氧化铝。因此，世界上95%左右 的氧化铝都采用拜耳法生产而成为当今世界氧化铝生产的主要生产方法。由于中国的铝矿资源绝大多数属于高硅一水硬铝石型，平均铝硅比约为5.46，不 能直接采用经济的拜耳法生产氧化铝。因此研究成功选矿拜耳法和石灰拜耳法新工艺， 并成功产业化。目前已形成220万吨/a的生产能力，并日臻完善。2）碱石灰烧结法碱石灰烧结法主要适宜于处理高硅低铁铝土矿和霞石生产氧化铝。由于国家的铝

23、矿资源特点，目前仅中国、俄罗斯和哈萨克斯坦的联合法生产中采用碱石灰烧结法工 艺，其生产能力约占世界总产量的5%。随着世界能源价格的不断上涨，碱石灰烧结法 在世界氧化铝工业中已逐渐萎缩。3）联合法虽然联合法（串联法、并联法和混联法）处理高硅铝土矿比拜耳法碱耗低、氧化 铝回收率较高，但生产能耗高出1倍以上。因此目前仅在中国、俄罗斯和哈萨克斯坦 很少几个国家使用。随着世界能源价格的不断上涨，各联合法生产厂都尽量减少联合 法中烧结法部分的生产比例，以改善生产的经济性。4结语世界铝土矿资源总量为约550亿吨，具有较好的资源保证程度。经过近130年的 开发利用，已建立起庞大的铝工业生产体系，成为世界第二大

24、金属生产行业。随着经 济的不断发展，世界铝工业仍有较大的发展空间。当今世界铝土矿开发主要用于生产冶金级氧化铝（生产原铝原料）、耐火材料，以 及化学品氧化铝。其中90%以上用于生产冶金级氧化铝，其生产工艺为拜耳法、碱石 灰烧结法。以及由拜尔法衍生出来的选矿拜耳法、石灰拜耳法；由拜耳法、碱石灰烧 结法联合衍生出来的串联法、并联法和混联法。由于拜耳法生产氧化铝具有投资省、热耗低、成本低的明显优势，很好的资源保 证程度，因此拜耳法仍是当今世界氧化铝工业的主要生产方法。碱石灰烧结法（包括 联合法中的烧结法部分），随着世界能源价格的不断上涨，碱石灰烧结法在世界氧化铝 工业中已日趋萎缩。当前铝土矿工艺开发方向是进一步在完善拜耳法生产工艺。主要包括：赤泥综合 利用、经济地排出生产系统中的杂质（C、硫等）、提高分解产出率等方面。参考文献G. BARDOSSY and G.J.J. ALEVA,LATERITIC BAUXITES.Amsterdam-Oxford New York-Tokyo. 1990东北工学院和中南工业大学，专业轻金属冶金学.中国工业出版社1961杨重愚，氧化铝生产工艺学M.冶金工业出版社。1993Mr. Ma Chaojian.Optimization in al