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抑制熟料溶出二次反应添加剂的研究

作　者: 张程忠
导　师: 毕诗文
学　校: 东北大学
专　业: 有色金属冶金
关键词: 烧结法熟料二次反应氧化铝溶出率 2CaO·SiO2 添加剂腐殖酸钠聚合物赤泥沉降脱硅吸附规律 Langmuin方程 Freundlich方程分布走势红外光谱
分类号: TF821
类　型: 博士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

烧结法氧化铝生产碱石灰铝土矿熟料中含有约30%的2CaO·SiO2, 2CaO·SiO2在熟料溶出时在一定条件下部分与铝酸钙钠溶液相互反应,使已溶出的Al2O3和Na2O重新析出又进入赤泥而损失,降低了Al2O3的溶出率,同时,还直接影响后续工序的正常进行和生产技术指标。针对这一问题,本论文开展了抑制熟料二次反应添加剂的研究,通过在熟料溶出时加入添加剂提高熟料中氧化铝的溶出率。这一方法操作简单,但效益可观,它可以在不改变原生产流程和设备的条件下提高氧化铝产量和若干工序的生产技术指标。本论文在实验室试验初步筛选和制备出能抑制熟料二次反应的添加剂,使Al2O3溶出率可提高1%左右,且考察了添加剂对后续工序—赤泥沉降性能和粗液脱硅性能的影响。同时探讨了抑制熟料二次反应添加剂抑制机理,研究了添加剂在2CaO·SiO2颗粒上的吸附规律和液固分离的分布走势以及在铝酸钠溶液中积累速度。在实验室基础上,对添加剂进行了扩大试验和半工业生产现场应用试验。主要研究结果如下：在熟料溶出过程中,添加抑制二次反应添加剂能有效地抑制2CaO·SiO2的分解。富含醚、醇、羧基等多种官能团的腐殖酸钠能最有效地抑制二次反应的发生,其最佳添加量为熟料量的0.43%时,氧化铝的溶出率提高3.87%,但它的添加量太大,工业生产过程难以实施使用,另外,它本身为棕黑色,使产品氢氧化铝色泽变暗,所以,不能选择为最终产品；含有羧基的聚合物AY1000,其最佳添加量为熟料量的0.10%时,氧化铝的溶出率提高2.17%；含有羟基的聚合物PEG2000聚合物,其最佳添加量为熟料量的的0.25%时,氧化铝的溶出率提高1.48%；聚合物AY1000和聚合物PEG2000复配,具有协同效应,可以大大降低添加剂的添加量,它们按1：1复配,得到的抑制二次反应添加剂DBDX,其添加量为熟料量的0.003%时,熟料氧化铝溶出率比空白提高1%,该添加剂能满足工厂生产实际的要求,显现出较好的经济效益。抑制二次反应添加剂DBDX加入地点选择在碳分母液分料箱中,溶解添加剂的溶液应在70min内使用完,否则,添加剂失效。添加剂加入量为熟料量的0.05%以下,聚合物AY能够提高赤泥的沉降速度、溢流澄清度,降低底流液固比,改善赤泥的过滤性能；聚合物PEG能够提高赤泥的沉降速度、溢流澄清度,降低底流液固比,但使赤泥的过滤性能变差；复合添加剂DBDX使赤泥的沉降速度、溢流澄清度,底流液固比都得到不同程度改善,没有恶化赤泥的过滤性能,对赤泥沉降性能不会带来不利影响。聚合物AY和添加剂DBDX的调整液溶出熟料,其粗液进行二段脱硅,硅量指数未比空白有所降低,因此,熟料溶出添加抑制二次反应聚合物AY和添加剂DBDX对脱硅工序未带来不利影响。通过对β-C2S与铝酸钠溶液反应后渣相进行红外光谱测定以及溶液SiO2和Ca2+浓度分析,得到的结果表明,聚合物AY的抑制机理可能主要通过羧基以化学键吸附在β-C2S表面上,即化学吸附,同时与Ca2+形成稳定化合物；聚合物PEG的作用机理主要可能为物理吸附,易脱附,所以其抑制二次反应效果比化学吸附的聚合物AY略差。建立了氯化钡法测定铝酸钠溶液中的聚合物PEG的方法,最佳测定条件为：波长520nm,碘液3.0ml,BaCl21.0ml,显色时间2min。在此条件下得到其线性回归方程为A=0.2492+0.0836C,线性关系良好,能满足试验测定精度的要求。聚合物AY和聚合物PEG在硅酸二钙—铝酸钠溶液固液界面上的吸附都是有饱和吸附量类型的吸附,且聚合物AY达到饱和吸附的时间为40 min,聚合物PEG为20min；聚合物AY在硅酸二钙颗粒上的吸附为单分子吸附,吸附等温线呈典型的“L”型,符合Langmuin方程,聚合物AY的吸附自由能EAY=57.89kJ/mol,为化学吸附为主；聚合物PEG在硅酸二钙颗粒上的吸附为多分子吸附,吸附等温线呈典型的“S”型,符合Freundlich方程。聚合物PEG的吸附自由能用D—R等温方程式计算EPEG=1.63kJ/mol,用经验式计算EPEG=2.44kJ/mol,为物理吸附为主。熟料量的0.005%添加剂DBDX加入熟料溶出体系时,有约70%被赤泥带出系统,残留在铝酸钠溶液中的仅占30%。由此可见,有机添加剂的累积现象不明显。扩大试验是在3L容积的球磨机内进行的,进一步考察添加剂加入位置和方式。DBDX添加剂在熟料溶出扩大试验——3L容积的球磨机内溶出中,能抑制熟料溶出过程二次反应,使熟料溶出氧化铝净溶出率提高1%以上；添加剂的最佳添加方式是：将添加剂预先溶入调整液,然后,再进入熟料溶出磨中。工业生产应用试验在铝酸钠溶液氧化铝浓度110～120g/L、溶出磨下料60t/h左右规模的条件下进行。在一台溶出磨中加入添加剂、DBDX,其溶出浆液进入对应的分离槽；其余三台溶出磨不加添加剂,其溶出浆液进入其对应的分离槽。对比加入添加剂的溶出磨与其余三台不加添加剂溶出磨的初溶和分溶的差值变化评价添加剂抑制二次反应的效果。试验发现,加入添加剂的溶出系统,熟料溶出率提高了1.12%,表明了添加剂DBDX抑制熟料溶出二次反应是有效的。本论文成功地开发出抑制熟料溶出二次反应添加剂DBDX。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-14
第1章绪论  14-26
  1.1 烧结法生产氧化铝工艺  14-16
  1.2 熟料溶出过程的反应  16-17
  1.3 熟料溶出的二次反应  17-19
  1.4 抑制二次反应的措施  19-23
    1.4.1 低熟料溶出温度  20
    1.4.2 低苛性比值  20-21
    1.4.3 溶出液中高Na_2CO_3浓度  21
    1.4.4 二段磨  21-22
    1.4.5 加入添加剂  22-23
  1.5 抑制熟料溶出二次反应添加剂的研究现状  23
  1.6 本项目的研究意义和工作内容  23-26
第2章实验室试验  26-32
  2.1 试验原料  26-27
    2.1.1 熟料  26
    2.1.2 调整液  26-27
  2.2 试验方法  27-29
    2.2.1 熟料浸出试验  27
    2.2.2 脱硅试验  27-28
    2.2.3 赤泥沉降试验  28
    2.2.4 过滤性能试验  28-29
  2.3 分析方法  29-32
    2.3.1 氧化铝的分析  29-30
    2.3.2 苛碱的分析  30
    2.3.3 铝酸钠溶液中SiO_2分析  30
    2.3.4 铝酸钠溶液中CaO分析  30-32
第3章添加剂的筛选和添加工艺  32-51
  3.1 概述  32-33
    3.1.1 表面活性剂特点和分类  32-33
    3.1.2 选择添加剂的原则  33
  3.2 熟料溶出时间的确定  33-35
  3.3 添加剂的筛选  35-46
    3.3.1 腐殖酸钠抑制熟料二次反应效果试验  35-39
    3.3.2 聚合物AY抑制熟料二次反应效果试验  39-42
    3.3.3 聚合物PEG抑制熟料二次反应效果试验  42-44
    3.3.4 复配添加剂抑制熟料二次反应效果试验  44-46
  3.4 添加工艺探讨  46-49
    3.4.1 添加剂的添加地点  47-48
    3.4.2 溶解添加剂温度  48
    3.4.3 添加剂溶解时间  48-49
  3.5 添加二次反应添加剂经济效果评价  49
  3.6 小结  49-51
第4章添加剂对赤泥沉降性能的影响  51-71
  4.1 赤泥沉降分离工艺概述  51-52
  4.2 影响拜耳法赤泥沉降和压缩性能的因素  52-54
  4.3 有机物对赤泥沉降性能的影响  54-61
    4.3.1 有机物的不利影响  54-55
    4.3.2 有机物的有利影响  55-61
  4.4 聚合物PEG对赤泥沉降性能的影响  61-64
    4.4.1 聚合物PEG对赤泥沉降速度的影响  62-63
    4.4.2 聚合物PEG对溢流浮游物含量的影响  63
    4.4.3 聚合物PEG对底流压缩液固比的影响  63-64
  4.5 聚合物AY对赤泥沉降性能的影响  64-67
    4.5.1 聚合物AY对赤泥沉降速度的影响  64-66
    4.5.2 聚合物AY对溢流浮游物含量的影响  66
    4.5.3 聚合物AY对底流压缩液固比的影响  66-67
  4.6 复合添加剂DBDX对赤泥沉降性能的影响  67-70
    4.6.1 添加剂DBDX对赤泥沉降速度的影响  68
    4.6.2 添加剂DBDX对溢流浮游物含量的影响  68-69
    4.6.3 添加剂DBDX对底流压缩液固比的影响  69-70
  4.7 添加剂对赤泥过滤性能的影响  70
  4.8 小结  70-71
第5章添加剂对粗液脱硅性能的影响  71-75
  5.1 概述  71-72
    5.1.1 铝酸钠溶液添加水铝硅酸钠中压脱硅  71-72
    5.1.2 铝酸钠溶液添加石灰的脱硅过程  72
  5.2 添加剂对粗液脱硅性能的影响  72-74
  5.3 小结  74-75
第6章添加剂抑制二次反应机理研究  75-85
  6.1 β-硅酸二钙合成  75-76
  6.2 β-硅酸二钙的分解  76-81
    6.2.1 β-硅酸二钙的分解与时间的关系  76-78
    6.2.2 β-硅酸二钙的分解与铝酸钠溶液分子比的关系  78
    6.2.3 添加剂对β-硅酸二钙分解的影响  78-81
  6.3 红外光谱IR测定  81-84
  6.4 小结  84-85
第7章添加剂在溶出和液固分离过程中吸附规律和分布走势  85-103
  7.1 概述  85-87
  7.2 添加剂吸附量的测定  87-92
    7.2.1 液相色谱法测定聚合物AY含量  87-88
    7.2.2 氯化钡分光光度法测定聚合物PEG含量  88-92
  7.3 吸附速率曲线和吸附等温线的绘制  92
  7.4 添加剂在硅酸二钙—铝酸钠溶液固液界面吸附速率曲线  92-94
    7.4.1 聚合物AY吸附速率曲线  92-93
    7.4.2 聚合物PEG吸附速率曲线  93-94
  7.5 添加剂在硅酸二钙表面吸附等温线和数学模型  94-100
    7.5.1 聚合物AY吸附等温线和数学模型  94-97
    7.5.2 聚合物PEG吸附等温线和数学模型  97-100
  7.6 添加剂在液固分离过程中的分布走势  100-102
  7.7 小结  102-103
第8章扩大试验  103-107
  8.1 试验方法  103-105
    8.1.1 熟料  103
    8.1.2 调整液  103-104
    8.1.3 试验方法  104
    8.1.4 主要试验设备  104-105
  8.2 试验结果与讨论  105-106
  8.3 小结  106-107
第9章工业应用试验  107-115
  9.1 概述  107-108
  9.2 工业试验内容  108
  9.3 试验原料和设备  108
    9.3.1 原料  108
    9.3.2 设备  108
  9.4 技术路线及工艺流程  108-110
    9.4.1 技术路线  108-109
    9.4.2 工艺条件  109
    9.4.3 工艺流程  109-110
    9.4.4 关键控制技术  110
  9.5 取样方法和溶出率计算  110-111
    9.5.1 取样方法  110
    9.5.2 溶出率计算  110-111
  9.6 试验结果与讨论  111-115
第10章结论  115-116
参考文献  116-122
攻读博士学位期间发表的论文和编著  122-124
致谢  124-126
作者简介  126

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