一水硬鋁石型高硫鋁土礦硫酸焙燒試驗研究

婁振寧，洪 瑾，馮曉東，熊 英，翟玉春

（1．東北大學 材料與冶金學院，遼寧 沈陽 110819；2．遼寧大學 化學院，遼寧 沈陽 110036）

隨著氧化鋁工業的發展，鋁土礦的需求量持續增加，高品位鋁土礦資源越來越匱乏。我國的鋁土礦資源多為一水硬鋁石型鋁土礦，其中高硫鋁土礦占很大比重，現有儲量約1．5億t，主要分布在貴州和山東，部分分布于廣西、云南東南部、重慶中北部、四川東南部和湖北等地［1-2］。高硫鋁土礦因其成分和結構的特殊性，尚未大規模用于氧化鋁生產。國內外關于鋁土礦焙燒及高硫鋁土礦脫硫的研究較多［3-9］，但無需脫硫直接進行硫酸化焙燒的相關研究未見報道。本試驗結果為高硫鋁土礦資源的綜合利用提供了一條可供選擇的新途徑［10］。

1 試驗部分

1．1 試驗原料

試驗所用原料為某地區的高硫鋁土礦。礦石經破碎、磨細至80μm以下，其化學成分見表1，XRD分析結果如圖1所示。可以看出，高硫鋁土礦的物相組成主要為一水硬鋁石、黃鐵礦、二氧化硅。

表1 鋁土礦主要化學組分的質量分數 %

圖1 高硫鋁土礦的XRD譜圖

1．2 試驗方法

將一定量磨細的礦樣與濃硫酸按一定比例混合均勻后裝入坩堝，放入電阻爐內。待溫度達到設定值時開始計時，一定時間后取出。將焙燒熟料按一定液固質量比加入去離子水中，置于電熱恒溫水浴鍋中加熱，達到一定溫度時開始攪拌，計時反應結束后真空抽濾，濾液為溶出液。用滴定分析法測定濾液中Al、Fe質量濃度，計算Al、Fe溶出率。

1．3 試驗原理

高硫鋁土礦中的鋁主要以一水硬鋁石（AlOOH）形式存在，鐵主要以黃鐵礦（FeS2）形式存在。在一定條件下，鋁土礦與硫酸混合后焙燒，礦物中的鋁、鐵與硫酸發生反應生成可溶性的鋁鹽、鐵鹽，而二氧化硅不反應。焙燒過程中主要化學反應如下：

焙燒過程產生的煙氣用堿吸收，發生的反應為

2 試驗結果及討論

2．1 單因素試驗

2．1．1 物料配比對Al、Fe溶出率的影響

在焙燒溫度350℃、焙燒時間180min條件下，物料配比對Al、Fe溶出率的影響試驗結果如圖2所示。可以看出：Al、Fe的溶出率均隨H2SO4用量增加而升高；當物料配比高于2．75∶1后，Al、Fe溶出率上升幅度較小。隨硫酸用量增加，反應進行的更充分；但硫酸用量過多，會產生過多的煙氣：綜合考慮，硫酸與高硫鋁土礦的質量比確定為2．75∶1。

圖2 物料配比對Al、Fe溶出率的影響

2．1．2 焙燒時間對Al、Fe溶出率的影響

在焙燒溫度350℃、物料配比2．75∶1條件下，焙燒時間對Al、Fe溶出率的影響如圖3所示。

圖3 焙燒時間對Al、Fe溶出率的影響

從圖3看出：焙燒時間由120min延長到180 min，Al溶出率提高明顯，Fe溶出率緩慢升高，這表明焙燒時間越長，反應越充分；當焙燒時間超過180min后，Al溶出率趨于穩定，Fe溶出率已超過97%。因此，適宜的焙燒時間確定為180min。

2．1．3 焙燒溫度對Al、Fe溶出率的影響

在物料配比2．75∶1、焙燒時間180min條件下，焙燒溫度對Al、Fe溶出率的影響試驗結果如圖4所示。可以看出，隨溫度升高，Al、Fe溶出率均先升高后下降，在350℃時達最大。從動力學角度考慮，升高溫度，質量和熱量傳遞速度加快，分子擴散更容易，硫酸與Al、Fe反應速度加快，有利于反應的進行，Al、Fe溶出率增大；但溫度過高會使部分硫酸分解為三氧化硫和水，導致參與反應的硫酸的量減少，Al、Fe溶出率下降。綜合考慮，確定焙燒溫度以350℃為宜。

圖4 焙燒溫度對Al、Fe溶出率的影響

2．2 正交試驗

根據單因素試驗結果，按3因素3水平正交試驗方案［10］，進一步考察物料配比、焙燒時間、焙燒溫度對Al、Fe溶出率的影響，進而獲得適宜的焙燒條件。正交試驗條件及結果見表2。可以看出：各因素對Al、Fe溶出率的影響順序為焙燒溫度＞物料配比＞焙燒時間；適宜的工藝條件為焙燒溫度350℃，H2SO4與高硫鋁土礦的質量比為2．75∶1，焙燒時間180min，與條件試驗結果基本一致。

表2 正交試驗條件及結果

3 結論

某一水硬鋁石型高硫鋁土礦經硫酸焙燒再用水浸，可獲得較高的Al、Fe溶出率。試驗確定的適宜焙燒條件為焙燒溫度350℃，H2SO4和高硫鋁土礦的質量比2．75∶1，焙燒時間180min。適宜條件下，Al、Fe溶出率高達83%和99%，效果較好。焙燒過程中，各因素對Al、Fe溶出率的影響順序為焙燒溫度＞物料配比＞焙燒時間。

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