高硫铝土矿粗粒径焙烧脱硫及其溶出性能.pdf-_矿业文库_煤矿文库_有色文库_金属矿山文库_矿山安全_煤矿安全_采矿技术措施

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ｄｏｉ１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００７－７５４５．２０１５．０７．０１０高硫铝土矿粗粒径焙烧脱硫及其溶出性能赵聪，陈朝轶，李军旗，张曼（贵州大学材料与冶金学院，贵阳５５００２５）摘要分别对盘磨（粒径８３０μｍ占７５％）和球磨（粒径７５μｍ占８５％）的一水硬铝石型高硫铝土矿进行焙烧脱硫处理，并与原矿进行溶出对比试验研究。结果表明，在７００℃焙烧３０ｍｉｎ后，盘磨矿与球磨矿的硫含量分别从２．３３％降至０．６８％与０．６４％，可以满足氧化铝生产工艺要求。当溶出条件为苛碱浓度２４５ｇ／Ｌ、溶出温度２６０ ℃、石灰添加量８％、溶出时间６０ｍｉｎ时，焙烧矿氧化铝的溶出率提高了３．０～４．５个百分点。关键词高硫铝土矿；粒度；焙烧；溶出性能中图分类号ＴＦ８２１文献标志码Ａ文章编号１００７－７５４５（２０１５）０７－００３４－０４ＲｏａｓｔｉｎｇＤｅｓｕｌｐｈｕｒｉｚａｔｉｏｎａｎｄＤｉｇｅｓｔｉｏｎＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆＨｉｇｈＳｕｌｆｕｒ－ｂｅａｒｉｎｇＢａｕｘｉｔｅｗｉｔｈＣｏａｒｓｅＰａｒｔｉｃｌｅＳｉｚｅＺＨＡＯＣｏｎｇ，ＣＨＥＮＣｈａｏ－ｙｉ，ＬＩＪｕｎ－ｑｉ，ＺＨＡＮＧＭａｎ（ＳｃｈｏｏｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓａｎｄＭｅｔａｌｌｕｒｇｙ，ＧｕｉｚｈｏｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｇｕｉｙａｎｇ５５００２５，Ｃｈｉｎａ）ＡｂｓｔｒａｃｔＲｏａｓｔｉｎｇｄｅｓｕｌｆｕｒｉｚａｔｉｏｎａｎｄｄｉｇｅｓｔｉｏｎｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｈｉｇｈｓｕｌｆｕｒ－ｂｅａｒｉｎｇｂａｕｘｉｔｅｏｆｍｉｌｌｓｔｏｎｅ－ｍｉｌｌｉｎｇ（ｐａｒｔｉｃｌｅｓｉｚｅｏｆ７５％－８３０μｍ）ａｎｄｂａｌｌ－ｍｉｌｌｉｎｇ（ｐａｒｔｉｃｌｅｓｉｚｅｏｆ８５％－７５μｍ）ｗｅｒｅｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅｌｙｗｉｔｈｒａｗｏｒｅ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｓｕｌｆｕｒｃｏｎｔｅｎｔｏｆｍｉｌｌｓｔｏｎｅ－ｍｉｌｌｉｎｇａｎｄｂａｌｌ－ｍｉｌｌｉｎｇｄｒｏｐｓｆｒｏｍ２．３３％ｔｏ０．６８％ａｎｄ０．６４％ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙａｆｔｅｒｒｏａｓｔｅｄａｔ７００℃ｆｏｒ３０ｍｉｎ，ｗｈｉｃｈｍｅｅｔｓｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｏｆａｌｕｍｉｎａｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ．Ａｌ２Ｏ３ｄｉｇｅｓｔｉｏｎｒａｔｅｏｆｒｏａｓｔｅｄｓａｍｐｌｅｃａｎｂｅｉｍｐｒｏｖｅｄｂｙ３～４．５ｐｅｒｃｅｎｔａｇｅｕｎｄｅｒｔｈｅｏｐｔｉｍｕｍｄｉｇｅｓｔｉｏｎｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｉｎｃｌｕｄｉｎｇｃａｕｓｔｉｃａｌｋａｌｉｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｏｆ２４５ｇ／Ｌ，ｄｉｇｅｓｔｉｏｎｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｆ２６０℃，ｌｉｍｅｄｏｓａｇｅｏｆ８％，ａｎｄｄｉｇｅｓｔｉｏｎｔｉｍｅｏｆ６０ｍｉｎ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓｈｉｇｈｓｕｌｆｕｒ－ｂｅａｒｉｎｇｂａｕｘｉｔｅ；ｐａｒｔｉｃｌｅｓｉｚｅ；ｒｏａｓｔｉｎｇ；ｄｉｇｅｓｔｉｏｎｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ收稿日期２０１５－０１－２７基金项目国家自然科学基金资助项目（５１２６４００６，５１４７４０７９）；贵州省科技厅国际合作项目（Ｇ［２０１３］７００７）；贵州省教育厅项目（黔教合重大专项字［２０１２］０００２）；贵州省校合作项目（ＬＨ［２０１４］７６０９）；贵阳市科技局项目（［２０１２１０３］６９，２０１２２０５６－４）作者简介赵聪（１９８９－），男，山西人，硕士研究生；通信作者陈朝轶（１９７７－），男，土家族，贵州人，副教授．我国铝土矿的资源丰富，其中高硫铝土矿中高品位铝土矿占５７．２％［１］，贵州高硫型铝土矿中高品位铝土矿占６０％以上［２－３］，充分利用这种高硫铝土矿可以改善我国的供矿危机［４］。焙烧不仅能有效脱硫，还能改善溶出性能、消除有机物的负面影响及提高矿石可磨性。目前国内外对高硫铝土矿脱硫进行了大量研究［５－１６］，但是关于粗颗粒焙烧溶出试验较少，吕国志等［１２］对粒度１６５μ ｍ的矿石在８５０ ℃焙烧４０ｍｉｎ后，硫含量由２．０８％降至０．７％以下，焙烧矿溶出率达到９３％以上，但由于焙烧温度较高，工业生产上能耗较大。本文通过原矿与焙烧矿溶出对比试验，探寻粗粒径焙烧脱硫、直接拜耳溶出新工艺的可行性。４３有色金属（冶炼部分）（ｈｔｔｐｙｓｙｌ．ｂｇｒｉｍｍ．ｃｎ）２０１５年第７期１试验１．１试验原料试验所用矿石是贵州某地的高硫铝土矿，主要成分为一水硬铝石，还有部分高岭石及黄铁矿，硫主要以黄铁矿形式存在。将矿石经过破碎，分别盘磨至粒径８３０μｍ占７５％（简称８３０μ ｍ矿）和球磨至粒径７５μｍ占７５％（简称７５μ ｍ矿）备用。用于溶出的碱液由某氧化铝厂的种分母液与分析纯氢氧化钠和氢氧化铝配制而成。１．２焙烧脱硫试验将８３０μｍ矿和７５μｍ矿分别放入ＳＳＧ－８－１３型电阻炉中在７００℃焙烧３０ｍｉｎ，考察矿石中硫含量、物相结构及微观形貌的变化。１．３溶出试验使用ＸＧＹＦ－６１５０型反应釜对８３０μｍ和７５ μｍ焙烧矿进行溶出试验，研究石灰添加量、温度、苛性碱度及时间对焙烧后矿石溶出性能的影响。氧化铝的相对溶出率η按照下式计算 η＝（Ａ／Ｓ）粉－（Ａ／Ｓ）渣（Ａ／Ｓ）粉－１（１）式中（Ａ／Ｓ）粉、（Ａ／Ｓ）渣分别为原料粉煤灰和溶出渣的铝硅比。１．４物相及形貌分析用ＰＷ３０４０／６０型Ｘ射线衍射仪分析原矿及焙烧矿物相，用ＳＳＸ－５５０型扫描电子显微镜观测矿石微观形貌。２结果与讨论２．１焙烧脱硫试验原矿及焙烧矿化学成分见表１。表１原矿和焙烧后铝土矿的主要成分Ｔａｂｌｅ１Ｍａｉｎｃｈｅｍｉｃａｌｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆｒａｗａｎｄｒｏａｓｔｅｄｏｒｅ／％种类Ａｌ２Ｏ３ＳｉＯ２Ｆｅ２Ｏ３ＴｉＯ２Ｓ原矿６６．５０９．６７３．９５２．７７２．３３８３０μｍ焙烧矿７１．４０１０．０７４．９３３．５７０．６８７５μｍ焙烧矿７２．５９１０．２３４．６７４．０５０．６４由表１可知，经过焙烧后硫含量均得到降低到０．７％以下，符合工业上生产氧化铝的要求。焙烧后矿石中其它成分含量都比原矿有所升高。２．２焙烧矿脱硫机理及微观结构铝土矿中黄铁矿等含硫物质在氧化气氛下焙烧会发生如下反应［１０］２ＦｅＳ２＝２ＦｅＳ＋Ｓ２（２）Ｓ＋Ｏ２＝ＳＯ２（３）４ＦｅＳ＋７Ｏ２＝２Ｆｅ２Ｏ３＋４ＳＯ２（４）一水硬铝石在７００ ℃焙烧３０ｍｉｎ后几乎全部转变为非完整的过渡态氧化铝（ α－Ａｌ２Ｏ３），焙烧前后矿物的ＸＲＤ谱如图１所示。图１焙烧前后矿物的ＸＲＤ谱Ｆｉｇ．１ＸＲＤｐａｔｔｅｒｎｓｏｆｂａｕｘｉｔｅｏｒｅｓａｍｐｌｅｂｅｆｏｒｅａｎｄａｆｔｅｒｒｏａｓｔｉｎｇ从图１可以看出，焙烧后矿石中的Ｆｅ２Ｓ衍射峰消失，产生Ｆｅ２Ｏ３的衍射峰，这是Ｆｅ２Ｓ发生下式反应的结果４ＦｅＳ２（ｓ）＋１１Ｏ２（ｇ）＝２Ｆｅ２Ｏ３（ｓ）＋８ＳＯ２（ｇ）。研究［１７－１８］表明，当焙烧温度高于５００℃时，一水硬铝石开始脱水，导致一水硬铝石晶体的链状结构被切断，此时，Ａｌ（Ｏ，ＯＨ）６－配位八面体处于悬空状态，这种结构使得晶体的反应活性更强；同时，八面体顶角ＯＨ－和Ｏ２－的脱除导致八面体中心的Ａｌ３＋裸露出来，一水硬铝石的晶体结构遭到了破坏。当焙烧温度高于１０００ ℃时，氧化铝会转变为稳定的无水刚玉［１５］，而此时的焙烧温度远远没有达到，所以焙烧矿中会一直存在中间态氧化铝，而中间态的氧化铝比刚玉结构的氧化铝具有更强活性，有利于一水硬铝石溶出性能的改善。原矿及焙烧矿的ＳＥＭ微观形貌如图２所示。从图２可见，原矿表面的结晶比较致密，条纹明显，因此溶出反应需要较高温度才能破坏这种结构，当经过高温焙烧后，矿石因为在焙烧过程中发生脱水反应使得表面结构遭到不同程度的破坏，晶体表面出现了许多不同程度的裂痕，这种裂纹增大了溶出过程中与碱液的接触面，从而改善溶出条件。５３２０１５年第７期有色金属（冶炼部分）（ｈｔｔｐｙｓｙｌ．ｂｇｒｉｍｍ．ｃｎ）图２原矿和焙烧矿的ＳＥＭ形貌Ｆｉｇ．２ＳＥＭｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｒａｗａｎｄｒｏａｓｔｅｄｏｒｅ２．３溶出性能试验２．３．１石灰添加量对溶出性能的影响在苛碱浓度２４５ｇ／Ｌ、溶出温度２６０℃、溶出时间６０ｍｉｎ、配料分子比１．４的条件下，石灰添加量对氧化铝溶出的影响如图３所示。图３石灰添加量对焙烧矿溶出性能的影响Ｆｉｇ．３Ｅｆｆｅｃｔｏｆｌｉｍｅｄｏｓａｇｅｏｎｄｉｇｅｓｔｉｏｎｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｒｏａｓｔｅｄｏｒｅ由图３可知，当石灰添加量从４％增加到６％时，溶出率增长率最快，从６％到８％时，增长率相对慢一点，在８％时达到最高值，８３０μｍ、７５μｍ焙烧矿氧化铝的相对溶出率分别为９５．８３％和９７．０１％，随着石灰添加量的继续添加，氧化铝的相对溶出率出现降低趋势，这是因为在溶出过程中，石灰能促进一水硬铝石的溶解，但是随着石灰添加量的增多，生成水化石榴石的量也会增加，从而减少溶出速率，直至抑制。２．３．２温度对溶出性能的影响当溶出母液苛碱浓度２４５ｇ／Ｌ、溶出时间６０ｍｉｎ、石灰添加量８％、配料分子比１．４时，不同温度下的氧化铝溶出结果见图４。图４温度对焙烧矿溶出性能的影响Ｆｉｇ．４Ｅｆｆｅｃｔｏｆｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｎｄｉｇｅｓｔｉｏｎｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｒｏａｓｔｅｄｏｒｅ从图４可见，温度从２２０ ℃升高到２４０ ℃时，８３０μｍ焙烧矿的增长率比７５μｍ焙烧矿及原矿低，这是因为溶出初期，较细的铝土矿因接触面较大而首先与苛性碱反应。当温度升高到２５０ ℃时，粒度对溶出的影响已经不大，且焙烧矿的氧化铝溶出率分别增加３．２８和４．４６个百分点。当温度继续升高时，溶液矿黏度会增大，溶出率会降低，因此，２６０℃ 为最佳温度。２．３．３苛性碱浓度对溶出性能的影响在溶出温度２６０ ℃、时间６０ｍｉｎ、石灰添加量８％及配料分子比１．４的条件下，苛性碱浓度分别为２３５、２４５、２５５ｇ／Ｌ时，８３０μｍ焙烧矿氧化铝溶出率分别为８７．１２％、９５．８３％、９５．９３％，７５μ ｍ焙烧矿氧化铝溶出率分别为８９．５６％、９７．０１％、９７．１２％。可以看出，当其他条件一致时，循环母液的苛性碱浓度越高，铝土矿中氧化铝的相对溶出率就越高。但６３有色金属（冶炼部分）（ｈｔｔｐｙｓｙｌ．ｂｇｒｉｍｍ．ｃｎ）２０１５年第７期当碱浓度不断增加时，会使设备的腐蚀性加强，这样氧化铝的生产成本增加，因此，出于经济原因，选择苛性碱浓度为２４５ｇ／Ｌ。２．３．４溶出时间对溶出性能的影响在溶出温度２６０℃、苛碱浓度２４５ｇ／Ｌ、石灰添加量８％及配料分子比１．４的条件下，时间对氧化铝溶出的影响如图５所示。图５溶出时间对焙烧矿溶出率的影响Ｆｉｇ．５Ｅｆｆｅｃｔｏｆｔｉｍｅｏｎｄｉｇｅｓｔｉｏｎｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｒｏａｓｔｅｄｏｒｅ如图５所示，当溶出时间由３０ｍｉｎ增加到６０ｍｉｎ时，氧化铝的相对溶出率整体为上升趋势，但是增加到７０ｍｉｎ时，氧化铝的相对溶出率增加幅度明显降低，这是因为在一定溶出条件下，随着反应时间延长，体系接近平衡状态，如果继续延长时间，浓度变化不大，而且还会影响产品，因此溶出时间应该控制在６０ｍｉｎ。２．３．５最佳溶出平衡试验根据上述试验结果，确定最佳溶出条件为温度２６０℃、苛碱浓度２４５ｇ／Ｌ、石灰添加量８％、时间６０ｍｉｎ。在上述条件下，原矿、８３０μｍ、７５μｍ焙烧矿氧化铝的相对溶出率分别为９２．５５％、９５．７３％、９７．０５％。由此可知，高硫铝土矿经过７００ ℃、３０ｍｉｎ焙烧后进行溶出，其氧化铝相对溶出率比原矿增加３．０～４．５个百分点。３结论１）粒度８３０μｍ占比７５％和７５μｍ占比７５％的高硫铝土矿在７００℃焙烧３０ｍｉｎ后，硫含量分别降至０．６８％和０．６４％，都满足工业上生产氧化铝的要求（０．７％）。２）高硫铝土矿经过焙烧后的最佳溶出条件为苛碱浓度２４５ｇ／Ｌ、溶出温度２６０ ℃、石灰添加量８％、溶出时间６０ｍｉｎ，氧化铝相对溶出率比原矿增加３．０～４．５个百分点。３）矿石经过焙烧后，不仅达到了脱硫的效果，而且矿石相对成分及溶出性也得到了提高，说明在较粗粒度下焙烧脱硫后直接溶出的方法是可行的。参考文献［１］何伯泉．试论我国高硫铝土矿脱硫新方案［Ｊ］．轻金属，１９９６（１２）３－４．［２］杨重愚．氧化铝生产工艺学［Ｍ］．北京冶金工业出版社，１９８２３３－３４．［３］何润德．工业铝酸钠溶液氢氧化钡除硫［Ｊ］．有色金属，１９９６，４８（４）６３－６６．［４］张念炳．高硫铝土矿溶出过程中硫的行为研究［Ｊ］．轻金属，２００７（７）７－１０．［５］ＰａｄｉｌｌａＲ，ＶｅｇａＤ，ＲｕｉｚＭＣ．Ｐｒｅｓｓｕｒｅｌｅａｃｈｉｎｇｏｆｓｕｌ－ｆｉｄｉｚｅｄｃｈａｌｃｏｐｙｒｉｔｅｉｎｓｕｌｆｕｒｉｃａｃｉｄ－ｏｘｙｇｅｎｍｅｄｉａ［Ｊ］．Ｈｙｄｒｏｍｅｔａｌｌｕｒｇｙ，２００７，８６（１／２）８０－８８．［６］戚立宽．低品位和高硫铝土矿的处理法［Ｊ］．轻金属，１９９５（１）１４－１６．［７］梁佰战，陈肖虎，冯鹤，等．高硫铝土矿微波脱硫溶出试验研究［Ｊ］．有色金属（冶炼部分），２０１１（３）２３－２６．．［８］何强．粗、精液降温过滤降低高硫矿拜耳法产品中铁含量的研究［Ｊ］．轻金属，２０１０（８）１２－１６．［９］ＡｎｄｒｅｗＲＨ，ＳｕｒｅｓｈＫＢ，ＳｔｅｐｈｅｎＣＧ．ＴｈｅｓｕｒｆａｃｅｃｈｅｍｉｓｔｒｙｏｆＢａｙｅｒｐｒｏｃｅｓｓｓｏｌｉｄｓＡｒｅｖｉｅｗ［Ｊ］．ＣｏｌｌｏｉｄｓａｎｄＳｕｒｆａｃｅｓＡＰｈｙｓｉｃｏｃｈｅｍｉｃａｌａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒ－ｉｎｇＡｓｐｅｃｔｓ，１９９９，１４６（１／２／３）３５９－３７４．［１０］ＱｉＹＱ，ＬｉＷ，ＣｈｅｎＨＫ，ｅｔａｌ．Ｄｅｓｕｌｆｕｒｉｚａｔｉｏｎｏｆｃｏａｌｔｈｒｏｕｇｈｐｙｒｏｌｙｓｉｓｉｎａｆｉｕｉｄｉｚｅｄ－ｂｅｄｒｅａｃｔｏｒｕｎｄｅｒｎｉｔｒｏ－ｇｅｎａｎｄ０．６％Ｏ２－Ｎ２ａｔｍｏｓｐｈｅｒｅ［Ｊ］．ＦｕｅｌａｎｄＥｎｅｒｇｙＡｂｓｔｒａｅｔｓ，２００４，４５（６）７０５－７１２．［１１］张念炳，黎志英，乔晓静，等．铝土矿低钙石灰烧结过程热力学分析［Ｊ］．有色金属（冶炼部分），２０１２（１０）１６－１９．［１２］吕国志，张廷安，倪培远，等．高硫铝土矿流化焙烧预处理及溶出性能［Ｊ］．过程工程学报，２００９，９（增刊１）７１－７４．［１３］吕国志，张廷安，鲍丽，等．高硫铝土矿的焙烧预处理过程［Ｊ］．过程工程学报，２００８，８（５）８９２－８９６．［１４］吕国志，张廷安，鲍丽，等．高硫铝土矿焙烧预处理的赤泥沉降性能［Ｊ］．东北大学学报自然科学版，２００９，３０（２）２４２－２４５．［１５］吕国志．利用高硫铝土矿生产氧化铝的基础研究［Ｄ］．沈阳东北大学，２０１０．［１６］胡小莲，陈文汨．高硫铝土矿氧化钙焙烧脱硫研究［Ｊ］．轻金属，２０１０（１）９－１４．［１７］王一雍．一水硬铝石强化溶出过程的基础研究［Ｄ］．沈阳东北大学，２００８５８－６０．［１８］陈霞．焙烧预处理对一水硬铝石矿微观结构和溶出性能［Ｄ］．沈阳东北大学，２００７４８－５０．７３２０１５年第７期有色金属（冶炼部分）（ｈｔｔｐｙｓｙｌ．ｂｇｒｉｍｍ．ｃｎ）

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