氧化鋁清潔生產工藝流程中的質量控制研究

王大兵，李雪偉，王 虎，齊 昆

（山東龍口東海氧化鋁有限公司，山東 煙臺 264000）

清潔生產是指通過對于設計、工藝、技術的改進，使清潔的能源以及原料，采取較為先進的高級工藝技術以及先進設備，并且對于管理、利用率進行改進，在源頭上削減生產帶來的污染，并且使資源得以更好的運用，減輕人類對于健康和環境的危害[1]。氧化鋁的焙燒過程因為伴隨著較為復雜的物理化學變化，并且該變化處于檢測時間滯后、多變量等特點，目前在對于氧化鋁生產的質量控制較為困難，傳統的堿石灰燒結法，方法過于落后，且難以保證氧化鋁生產的質量。在氧化鋁生產中，最直接控制的目標就是氧化鋁生產后的各項質量指標，根據歷史經驗進行分析，不同的工藝溫度也會對氧化鋁的生產質量帶來影響，溫度過高會使灼減過低、系統散熱損失大，能耗增加，出料溫度高影響產品質量。而溫度過低則會出現生產用料增加，焙燒不充分，同樣會影響產品的質量。而合適的干燥器出口會避免物料的粉化，從而得到粒度指標合格的氧化鋁。氧化鋁的質量將會影響后期工序的電解鋁的生產，所以氧化鋁的質量控制具有很高的研究價值[2]。

1 氧化鋁清潔生產流程質量控制

1.1 保證硫酸鋁銨晶體的高純度

影響氧化鋁的清洗生產質量，其中一個因素就是能否有效地獲得高純硫酸鋁銨晶體。在工業硫酸鋁的生產過程中需要經過凈化來去除K、Na、Ca、Mg、Fe、Si等雜質。通過對于物料配比的控制以及pH值和反應溫度的不同條件下，進行合成反應，將硫酸鋁銨進行重新結晶，并且要將母洗也進行循環利用，化學反應如下：

（1）反應式表示了硫酸鋁銨熱分解生成氧化鋁，而氧化鋁的生成一般采用分段煅燒的工藝手段。將硫酸鋁銨加熱至523K，生成結晶水，然后緩慢加熱至1173K，恒溫1.5h～2h，升溫的過程也是分解的過程，硫酸銨與硫酸鋁在此過程中被分解，生成了氧化鋁，但該反應不僅僅生成了氧化鋁，同樣也生成了SO3和NH3。而在硫酸鋁銨的分解時，發生的反應式如下：

在（2）反應式中可見，在硫酸鋁銨的分解時，105kg的氧化鋁就需要906kg的硫酸鋁銨。對于生產后的廢渣，PAC廢渣使用催化劑與NaOH反應，并且經過過濾后得到濾液以及濾渣，首先對于濾渣的處理，可以在濾渣中加入添加劑，并且將其活化，可以作為廢水處理的粉劑。而剩下的濾液則直接用來生產聚硅硫酸鋁鉀。以實現清潔生產。

1.2 鋁粉煤灰分解的改良

利用純堿燒結—堿溶的聯用法來對存在鋁粉的煤灰進行脫硅以及硅鋁的分解，分解后可獲得質量更好的鋁酸鈉溶液，再通過多工序的處理，得到具有高附加值的超細氫氧化鋁以及氧化鋁的粉體。

該工藝的工藝過程，首先將粉煤灰的原料AI2O3以及SiO2進行配比，兩者的質量配比為0.77，并且將處理后的脫硅濾餅以及純堿進行燒結，將燒結后的熟料浸入清水中并且溶出Na2SiO3，并且將燒結后的濾餅與適量的NaOH溶液以及CaO融合，并且將其在280℃下進行溶出，可溶出氧化鋁。將所得的鋁酸鈉溶液經過除雜、碳粉，可以配制出氫氧化鋁以及氧化鋁的粉體。經由此產出的超細氫氧化鋁的產品，符合國標GB/T 4294—84的標準，并且用該方法產出的超細氫氧化鋁的粒徑大多80nm～150nm。同傳統的堿石燒結法來對比，此方法降低了燒結時的溫度，通過先水浸脫硅再堿溶二次水熱處理工藝，實現了粉煤灰中硅鋁組分的高效分離，制得高附加值鋁產品及無機硅化合物。產出物質量優質。工藝與裝備是工業生產的基礎，也是企業清潔生產水平的基本條件。目前粉狀物料(氧化鋁、氟化鹽)已普遍采用封閉儲存、濃相或超濃相輸送；電解槽普遍采用預焙工藝，通過各項技術的幫助，保證氧化鋁的生產質量，以便于在后續工藝中電解鋁的生產[5]。

1.3 對于酸法工序的改善

酸法是應用了無機酸來處理超細氫氧化鋁，生產相應的鋁鹽如AICI3、AI2(SO4)3等，而在原料中會出現氧化硅生成偏硅酸膠體的殘渣，而若是鋁鹽凈化后是分解制得氧化鋁。將高鋁粉煤灰以及純堿按比例進行混合后，進行中溫燒結，并且將燒結后的熟料與稀鹽酸和硫酸進行轉化，并且形成硅膠沉淀以及含鋁溶液，過濾后的硅膠沉淀生產出白炭黑、氧化硅氣凝膠。反應式如下：

經由該法后的濾液，經過苛化、除雜、碳化并將其制成氫氧化鋁，再經由煅燒可配制成氧化鋁。也可經由低鈣燒結法，將具有高鋁粉煤灰再進行堿溶預脫硅處理，并且要將NaOH的堿溶液在玻璃體中將其定性，而后生成無定形的SiO2，這一步驟也提高了原料的鋁硅比。反應式如下：

經由燒結熟料溶出的AI2O3，溶出率可以達到90%，若將所得的鋁酸鈉粗液分別經由兩段脫硅以及碳分，最終得到氫氧化鋁制品，并且該氫氧化鋁制品質量優秀，可以符合國標GB/T 4294—1997中規定的一級標準，保證了產品的質量。在研究其晶體結構時發現，晶體排列不同，它是層狀結構。還可以看出γ-AlOOH中根據氧原子連接的鋁原子的個數，可以分為兩類，一是O原子與四個A1原子相聯接，無氫鍵形成；二是O原子與兩個A1原子相聯，并形成兩個氫鍵。基于O原子作緊密堆積，A1原子處于該緊密堆積形成的八面體空隙或四面體空隙中，根據堆積方式，氧化鋁晶型有十幾種，主要表現在原子的位置變化，它們之間相互轉化，并不破壞化學鍵，屬于位移型相變。為保證清潔生產，要對于此方法生產的氧化鋁進行廢氣回水，廢氣經過熱交換器降溫后進入吸收塔，被其中的NH3以及SO3吸收（此步驟的吸收率應達到96%以上）吸收也進入PH中和槽，并將槽內溶液的PH值調至4～5，然后進入濃縮槽進行濃縮，此步驟在于將廢氣再次處理并且濃縮后的溶液可以作為生成硫酸鋁銨的硫酸銨精溶液來進行循環使用，而且當硫酸銨溶液過量時，只需要進行進一步的濃縮，即可支撐固體硫酸銨產品進行出售。

2 實驗論證分析

為驗證研究對于氧化鋁的清潔方法的質量控制以及傳統工藝流程的質量優劣性，展開實驗論證分析，采取相同材料的含鋁粉的煤灰進行生產，傳統的堿石灰燒結法與研究得出的方法，對產出的氧化鋁的雜質率進行對比，實驗結果如圖1所示。

圖1 氧化鋁生產后雜質率

由圖1可得知，本文使用的氧化鋁生產方法的雜質率更低，對于質量得到了更好的保證，而且經過本文控制質量后得出的氧化鋁質量較為均衡，而傳統方法因影響質量的因素過多，使清潔后的氧化鋁質量差距較大，此實驗證明本研究在氧化鋁的生產工藝的質量控制具有可行性，但本實驗并未對控制后的工藝流程的成本進行對比。本文方法與傳統方法的工藝成本差距不明。

3 結束語

本文對氧化鋁清潔生產的工藝流程中的質量控制進行了研究，通過獲得高純度的硫酸鋁銨晶體，改良含鋁粉的煤灰分解過程，使用更優質的堿溶—燒結聯用法，然后使用酸法對于產品進行再處理以提高質量，設置廢氣回收來保證清潔生產，經過實驗論證分析，通過對比傳統的工藝流程與經過質量控制的工藝流程產出的氧化鋁，經過質量控制后產出的氧化鋁雜質率更低，但此方法并未對生產工藝的成本進行研究，雖具有可行性，但仍需進一步研究。