铝土矿溶出(digestion of bauxite)

用苛性碱溶液将铝土矿中的氧化铝溶解成铝酸钠溶液的过程，是拜耳法氧化铝生产过程的关键作业。通常在压煮器或管道溶出器(见管道浸出)中用循环的苛性碱溶液将氧化铝矿物溶解成为铝酸钠溶液，其他大部分杂质矿物则转化为不溶残渣即赤泥，而达到提取铝的目的。铝土矿溶出过程的两项重要指标是氧化铝的溶出率和溶出液的苛性比ak。苛性比ak为铝酸钠溶液中所含Na₂O与所含AL₂O₃的摩尔比。提高氧化铝溶出率可相应减少铝土矿单耗，降低溶出液的苛性比ak可增大单位循环碱液所能提取的氧化铝量，并减少过程的能耗。

主要化学反应包括氧化铝矿物的溶出，硅矿物和钛矿物的溶出和转化，铁矿物的转化等反应。

氧化铝矿物的溶出反应铝土矿中的各种类型氧化铝矿物与苛性碱反应均生成可溶性的铝酸钠转入溶液。三水铝石的溶出反应为：

Al(0H)₃+NaOH==NaAl(0H)₄

一水软铝石或一水硬铝石的溶出反应为：

ALOOH+NaOH+H₂O==NaAl(0H)₄

易溶的三水铝石型铝土矿，一般采用416K的低溶出温度溶出，称“低温溶出”。一水软铝石型铝土矿或更难溶的一水硬铝石型铝土矿，需采用503～533K或更高的溶出温度，称为“高温溶出”。且溶出一水硬石型铝土矿时还需要加入3%～5%的石灰，以提高氧化铝溶出率。不同地区产的一水硬铝石型铝土矿的难溶程度也各异，这与一水硬铝石晶格中有的铝离子的位置被铁、钛离子取代有关。一水硬铝石中存在这种类质同象体取代现象时，其溶出性能会变得更差。各类型铝土矿典型溶出条件和结果如表。

各类铝土矿的溶出条件及结果

注：括号内数字为提高溶出温度强化溶出过程的结果。

硅矿物的溶出和转化反应高岭石在363K温度即与苛性碱液显著反应，石英需在423K以上温度才显著反应。各类硅矿物与苛性碱液反应，均生成可溶性硅酸钠进入溶液：

AL₂O₃•2SiO₂•2H₂O+6NaOH+aq==2Na₂SiO₃+2NaAl(OH)₄+H₂0

SiO₂+2NaOH==Na₂SiO₃+H₂O

进入溶液的硅酸钠的浓度达一最大值后，即与铝酸钠反应生成水合铝硅酸钠并逐渐析出：

1．7Na₂SiO₃+2NaAl(OH)₄==Na₂O•AL₂O₃•1．7SiO₂•H₂O+3．4NaOH+1．3H₂O

称这一反应为“脱硅反应”。高岭石在常压温度下可被苛性碱液分解，称为“低温反应硅矿物”。石英、鲕绿泥石、云母类矿物只有在高温下才能被苛性碱液分解，称为“高温反应硅矿物”。含有大量石英的三水铝石型铝土矿，利用低温416K溶出，可使石英不参与反应。处理一水硬铝石型铝土矿，需采用513～533K的溶出温度，在此温度下各类硅矿物几乎都能与苛性碱液反应，脱硅产物通常为方钠石或钙霞石形式的水合铝硅酸钠，在加石灰溶出时则部分转化为水化石榴石3caO•AL₂O₃•nSiO₂•(6—2n)H₂O。参与反应的硅矿物都会造成氧化铝和碱的损失，并在加热器表面形成结垢，结垢会严重影响加热器的传热效率。

钛矿物的溶出和转化反应锐钛矿、金红石在拜耳法低温416K溶出的情况下，与碱液的反应极为缓慢，不影响三水铝石的溶出。在用高溶出温度处理一水硬铝石型铝土矿时，钛矿物与苛性碱液反应，生成胶态钛酸钠，覆盖在一水硬铝石颗粒表面。添加石灰可消除生成的钛酸钠覆盖膜，促进一水硬铝石的溶解。加石灰后生成的产物主要是水合钛酸钙和钛水化石榴石。在高溶出温度下生成的钙钛化合物，在热交换器表面上形成结垢，消除困难。

铁矿物的转化反应在铝土矿溶出的温度下，赤铁矿不与苛性碱反应；而针铁矿在473K以上的溶出温度下可与苛性碱液反应、并转化成赤铁矿。

工艺及设备铝土矿溶出是在连续作业的高温(高压)溶出系统中实现的，溶出系统主要由矿浆输送泵、预热器组、溶出(压煮)器组、自蒸发(闪速蒸发)器组组成。可分成直接高温(高压)加热溶出系统、间接高温(高压)加热溶出系统、双流法高温(高压)溶出系统及管道高温(高压)溶出系统4种类型。决定溶出系统设备选型的主要因素是硅、钛矿物在热交换器表面可能形成的结垢程度。

用泵将由循环苛性碱液和铝土矿送到预热器组，逐级加热到预定的预热温度，然后进入溶出器组进一步加热到溶出温度进行溶出。溶出后的料浆通过自蒸发器组逐级冷却降压，放出自蒸发蒸汽(二次蒸汽)。将此自蒸发蒸汽引入相应的预热器组加热原矿浆。从自蒸发器卸出的溶出料浆送至稀释槽进行稀释。

铝土矿溶出在压煮器中进行。压煮器是一种强度很大的钢制容器，能耐523K温度时所产生的高压。在现代化生产中，很少采用单个压煮器间断操作，而是将若干个预热器、压煮器和白蒸发器依次串联成为一个压煮器组实行连续作业。

矿浆输送泵是高温(高压)溶出系统的关键设备。常用的有油隔活塞泵(中国)，隔膜泵(法国)、柱塞泵(德国)，液力压送泵(日本)等。此类泵的共同特点是矿浆不与泵体直接接触，活塞和缸套等运动部件不会被矿粒磨损。泵的输送压力可达1000MPa以上。

直接加热高温(高压)溶出系统(图a)20世纪30年代在苏联首次用于处理一水硬铝石型铝土矿，50年代实现了连续溶出作业。系统包括2～3级作为预热器组的双程列管式热交换器，8～10台串联的溶出压煮器组(高径比>8，容积25～50m3)及2～3级溶出料浆自蒸发器(闪速蒸发器)。自蒸发的二次蒸汽进入相应的预热器，加热用新蒸汽通入头两台压煮器。为避免预热器中的高温硅矿物和钛矿物在高的温度下与苛性碱溶液反应生成的反应产物形成结垢，把矿浆预热温度控制在413～433K。在预热温度低的情况下，新蒸汽消耗量大，料浆在溶出过程中因凝结水增加而大大地被稀释，Na₂O浓度约降低30～50g/L为此，须把循环苛性碱液浓度提高至含Na₂O 270～280g/L，这就导致增大蒸发过程的负担，并使热耗增加。

双流法高温(高压)溶出系统(图f)美国在20世纪60年代发展一种“双流法”溶出工艺。该工艺的管式热交换器只用于预热循环苛性碱液，小部分循环苛性碱液与铝土矿石混合细磨，然后与经预热的苛性碱液在溶出压煮器中混合，再用新蒸气直接加热到溶出温度。此溶出器称为“接触式压煮器”，每组4～5台。此种工艺可以避免在热交换中形成结垢。

间接加热高温(高压)溶出系统(图6)在欧洲用于处理一水软铝石型铝土矿，为20世纪30年代经改进的一种传统的高温(高压)溶出系统。立式溶出压煮器内装有立管或盘管的加热管，蒸汽通入管内将热传给矿浆。立式溶出压煮器还装有搅拌器，通过搅拌器的搅拌，使矿浆保持有3～-4m/s的流速。在一组串联的立式溶出压煮器(9～13台)中，前面若干台(如6～9台)用自蒸发蒸汽将料浆加热到预热温度(473～493K)，后面几台用新蒸气加热到溶出温度(513～523K)。溶出料浆依次通过7～11级自蒸发器逐级降压冷却，最后进入稀释槽。各立式溶出压煮器的加热蒸气凝结水排入其下部的凝结水罐，每台凝结水罐又各为其前一级更高温度的凝结水的自蒸发器。原矿浆进入立式溶出压煮器加热之前先经预脱硅处理，以减缓加热管壁的结垢。

管道高温(高压)溶出系统(图d)20世纪60年代联邦德国首先用于铝土矿的溶出，随后得到迅速发展。80年代中期管道高温(高压)溶出系统的氧化铝年产能力已超过100万t。管道高温(高压)溶出系统由套管式反应装置和多级自蒸发器组组成。前者为1根或3根内管，每根内管分矿浆换热段、熔盐加热段和保温段，长度在1500～2500m以上。矿浆以2．5～5．0m/s速度从内管流过，自蒸发蒸汽逐级分段进入内外管际空间预热矿浆，熔盐通过专用气体加热器强制循环将矿浆加热到所需的溶出温度，最高时可加热到527K温度。法国研制的一种单管道加热一停留罐保温的高温(高压)溶出系统，适用于处理需要溶出停留时间稍长(十几分钟)的难溶一水硬铝石型铝土矿。

溶出过程的强化主要是提高溶出温度。当溶出温度由513K提高到553K时，AL₂O₃溶出率提高2%～4%，溶出时间可缩短80%，溶出苛性碱液的苛性比口K可降到1．4～1．5。此外，还可降低溶出循环苛性碱液的浓度，减轻蒸发负担。