高硅鋁礦是指鋁硅比低于3.5的含鋁礦物原料，包括低品位鋁土礦、高嶺土、粉煤灰、煤殲石、黃砂以及貓土等。傳統(tǒng)工藝在用鋁礦提取Al2O3時(shí)，由于原料中SiO2的存在，常常會(huì)產(chǎn)生鋁硅酸鈉Na2O·A12O3·2SiO2，而降低Al2O3的提取效率。所以，拜耳法只能選擇SiO2含量低的軟鋁石型鋁土礦做原料來(lái)避開(kāi)Na2O·A12O3·2SiO2的干擾．而堿石灰燒結(jié)法也只是用石灰中的CaO去替換Na2O·A12O3·2SiO2中的大部分Na2O釋放出部分Al2O3無(wú)論拜耳法還是堿石灰燒結(jié)法，實(shí)際上都不能完全解決提取Al2O3過(guò)程中的Na2O·A12O3·2SiO2干擾問(wèn)題，都只能選擇鋁硅比至少大于3.5的含鋁礦物作為提取Al2O3的生產(chǎn)原料。
提取Al2O3的新工藝
全球優(yōu)質(zhì)軟鋁石型鋁土礦主要分布在澳大利亞、巴西、印度、加拿大、美國(guó)、圭亞那、俄羅斯等國(guó)家。歐美等國(guó)家依托豐富的優(yōu)質(zhì)鋁土礦資源，大多數(shù)采用拜耳法提取Al2O3少數(shù)國(guó)家采用拜耳法與堿石灰燒結(jié)法聯(lián)合的方法來(lái)提取Al2O3。就目前全球Al2O3生產(chǎn)的現(xiàn)狀來(lái)看，由于資源和技術(shù)的限制，美國(guó)、澳大利亞等鋁土礦資源豐富的國(guó)家多采用拜耳法，歐洲國(guó)家則較多采用堿石灰燒結(jié)法與聯(lián)合法。
對(duì)于鋁硅比低于3.5的高硅鋁礦原料，由于原料轉(zhuǎn)化過(guò)程中產(chǎn)生的Na2O·A12O3·2SiO2對(duì)提取Al2O3的嚴(yán)重干擾問(wèn)題，全球各國(guó)基本都不能直接用來(lái)提取Al2O3對(duì)粉煤灰、煤研石、低品位鋁土礦、高嶺土等Al2O3含量很低而SiO2含量很高的原料，都只能用堆放、掩埋、回填坑道、填方處理或用來(lái)生產(chǎn)陶瓷制品、水泥、磚塊、作路基材料等進(jìn)行低附加值利用。我國(guó)是鋁土礦資源十分貧乏的國(guó)家，據(jù)報(bào)道，人均鋁土礦占有量不足300千克，而且我國(guó)的絕大多數(shù)鋁土礦都是鋁硅比較低的中低品位一水硬鋁石型鋁土礦，已經(jīng)不能保證2010年的國(guó)內(nèi)需求，考慮遠(yuǎn)景儲(chǔ)量，也只能保證20年左右。據(jù)海關(guān)統(tǒng)計(jì)，為滿(mǎn)足國(guó)內(nèi)需要，2005年全國(guó)共進(jìn)口鋁土礦217萬(wàn)噸，2006年增加到925萬(wàn)噸，2007年猛增到2326萬(wàn)噸，而2008年僅1～6月，全國(guó)就已經(jīng)從國(guó)外進(jìn)口了高品位鋁土礦1344.92萬(wàn)噸，大部分用來(lái)與國(guó)內(nèi)的中低品位鋁土礦摻合，用堿石灰燒結(jié)法進(jìn)行氧化鋁生產(chǎn)。已經(jīng)有分析認(rèn)為：“鋁土礦進(jìn)口發(fā)展驚人、供應(yīng)趨緊，或成‘鐵礦石第二’。”
表1 高硅鋁礦原料的化學(xué)組成（%）
實(shí)際上，提取Al2O3時(shí)，在堿性環(huán)境下轉(zhuǎn)化過(guò)程中新生成的鋁硅酸鈉是一種具有沸石型松散結(jié)構(gòu)的結(jié)晶體，很容易被高濃度的燒堿分解．運(yùn)用“C－JSTK”技術(shù)，通過(guò)增加溶液的Na2O濃度和提高反應(yīng)溫度，完全可以將堿性環(huán)境下轉(zhuǎn)化過(guò)程中生成的Na2O·A12O3·2SiO2全部重新分解成Na2O·A12O3·2SiO2，并實(shí)施分離，從高硅鋁礦中同時(shí)提取Al2O3和SiO2。
試驗(yàn)原料及工藝流程
生產(chǎn)試驗(yàn)用高硅鋁礦原料取自江蘇鎮(zhèn)江某礦區(qū)，純堿與燒堿用工業(yè)品。高硅鋁礦原料的化學(xué)組成列于表。試驗(yàn)研究的工藝過(guò)程描述如下（見(jiàn)圖1)：
圖1 “C－JSTK”技術(shù)工藝流程簡(jiǎn)圖
高硅鋁礦粉與純堿按一定比例配料、入爐進(jìn)行堿融轉(zhuǎn)化反應(yīng)，得到的熔壓觸體用冷水水淬成1～5毫米的細(xì)顆粒壓料。將細(xì)顆粒料濕磨成濃稠漿料、稀釋、過(guò)濾．濾餅用濃燒堿溶解后再加熱濃縮、烘焙干燥．將得到的干粉料溶解、過(guò)濾；濾餅再用濃燒堿溶解、過(guò)濾。將3次過(guò)濾的濾液合并稀釋水解，得到Al（OH）3沉淀和濾液。將堿融過(guò)程產(chǎn)生的CO2氣體收集并經(jīng)凈化、加壓，引入稀釋水解后的濾液中使之碳酸化分解，從而依次得到剩余的Al（OH）3沉淀、H2SiO3沉淀和Na2CO3稀溶液。洗滌液集中循環(huán)用于補(bǔ)充水淬液和用作溶解、稀釋用水．將Na2CO3稀溶液濃縮后回收純堿Na2CO3溶液和燒堿NaOH溶液，副產(chǎn)出沉淀CaCO3?；厥盏募儔ANa2CO3溶液循環(huán)至前道配料工序與高硅鋁礦粉混合、干燥后循環(huán)用于純堿堿融工序。燒堿NaOH溶液循環(huán)至前道兩段燒堿溶解工序。將純堿堿融的高溫?zé)煹罋鈸Q熱成潔凈的熱空氣，用于Al（OH）3和H2SiO3及CaCO3的干燥，最終得到工業(yè)品Al（OH）3沉淀SiO2和沉淀CaCO3。
1、純堿堿融
首先用純堿Na2CO3處理高硅鋁礦粉，是為了讓高硅鋁礦中的SiO2和Al2O3與Na2CO3反應(yīng)轉(zhuǎn)化成為可溶的Na2O·SiO2和Na2O·Al2O3與高硅鋁礦原料中的其它成分分離。
按照質(zhì)量比，高硅鋁礦粉：Na2CO3＝1:1.2－1.3配料，在1300℃溫度下反應(yīng)約30分鐘后，Na2CO370%左右分解釋放出Na2O并析出CO2；高硅鋁礦中的大部分SiO2和A12O3與Na2O結(jié)合轉(zhuǎn)化成為Na2O·SiO2和Na2O·Al2O3，殘留有部分游離的A12O3和融化的Na2CO3；部分Na2O·Al2O3和Na2O·SiO2又進(jìn)一步反應(yīng)生成Na2O·Al2O3·2SiO2。
Fe2O3大部分轉(zhuǎn)化成為Na2O·Fe2O3；CaO與MgO轉(zhuǎn)化成為2CaO·SiO2、CaO·Fe2O3、Na2O·CaO·SiO2、MgO·SiO2、MgO·2CaO·Fe2O3、CaO-TiO2、MgO-TiO2等。
2、濕磨與漿料稀釋溶解
純堿堿融時(shí)新生成的Na2O·Al2O3·2SiO2很容易被NaOH分解，釋放出Na2O·Al2O3和Na2O·SiO2。
Na2O·Al2O3遇水會(huì)部分發(fā)生水解，產(chǎn)生Al（OH）3與NaOH；Na2O·Fe2O3遇水全部水解，產(chǎn)生Fe（OH）3與NaOH。
通過(guò)濕磨及對(duì)濕磨后的濃漿料加水溶解，Na2O·A12O3和Na2O·Fe2O3水解產(chǎn)生的NaOH與Na2O·A12O3·2SiO2反應(yīng)，部分Na2O·A12O3·2SiO2被分解成為Na2O·A12O3·2SiO2溶解于水進(jìn)入溶液。過(guò)濾后，溶解的Na2O·A12O3和Na2O·SiO2與包含未反應(yīng)的Na2O·A12O3·2SiO2固體及Fe（OH）3、部分Al（OH）3的雜質(zhì)固體先行分離。
從圖2可以看出，在2小時(shí)內(nèi)，SiO2在溶液中的最大溶解度約55克/升。濕磨、溶解后的漿料應(yīng)該在2小時(shí)內(nèi)過(guò)濾分離。
3、燒堿堿熔
向濕磨、溶解后的濾餅中加入燒堿NaOH溶液并烘焙干燥成干粉料，其作用是隨著溶液的不斷蒸發(fā)濃縮，NaOH濃度也不斷增大，最終NaOH濃度將接近于最大的純NaOH融化狀態(tài)濃度。同時(shí)，隨著溶液的蒸干，物料的反應(yīng)溫度也達(dá)到接近供熱環(huán)境的最高溫度，反應(yīng)動(dòng)力達(dá)到最大，從而將濾餅中的Na2O·A12O3·2SiO2全部分解成為Na2O·A12O3和Na2O·SiO2。
同時(shí)，濾餅中包含的Al（OH）3和Fe（OH）3也被重新轉(zhuǎn)化成Na2O·A12O3和Na2O·Fe2O3。
4、干粉溶解
通常，SiO2在Na2O·Al2O3溶液中的穩(wěn)定溶解度很低，過(guò)量的SiO2會(huì)與Na2·A12O3生成Na2O·A12O3·2SiO2沉淀，使A12O3與SiO2的提取率降低，Na2O堿耗（Na2CO3消耗）增大。
圖3是70℃時(shí)SiO2在Na2O·A12O3溶液中的溶解情況。
從圖3看，當(dāng)Na2O·Al2O3溶液中的MR為2.0，A12O3為75克/升時(shí)，SiO2的最大介穩(wěn)濃度大約只有2克/升。
試驗(yàn)結(jié)果證明，當(dāng)加大溶液的MR到4.2以上，Al2O3為75克/升左右時(shí)，將燒堿堿熔得到的干粉溶解于水后，Na2O·SiO2在Na2O·Al2O3溶液中將會(huì)形成SiO2過(guò)飽和溶液，通過(guò)攪拌、加熱2小時(shí)或放置4小時(shí)后，SiO2才逐步達(dá)到溶解平衡的介穩(wěn)狀態(tài)，溶液中會(huì)產(chǎn)生無(wú)定型的Na2O·Al2O3·2SiO2。因?yàn)闆](méi)有晶種，在10～15天內(nèi)Na2O·Al2O3·2SiO2都不會(huì)出現(xiàn)結(jié)晶析出，溶液可以穩(wěn)定存在。
所以，干粉溶解于水后，在溶液自然溫度下，應(yīng)該在2小時(shí)或4小時(shí)內(nèi)過(guò)濾分離，避免溶液中的雜質(zhì)顆粒替代Na2O·Al2O3·2SiO2晶種，促成Na2O·AlO3·2SiO2晶體的生成。
將干粉溶解后的溶液過(guò)濾分離，濾餅中除了雜質(zhì)，還有部分Al（OH）3。
5、燒喊溶出
用燒堿溶液溶解干粉溶解后的濾餅，使濾餅中的Al（OH）3與NaOH反應(yīng)轉(zhuǎn)化成Na2O·Al2O3溶解進(jìn)入溶液，并與雜質(zhì)分離。
6、稀釋水解
將前面3次過(guò)濾分離得到的濾液合并，加水稀釋?zhuān)?5%左右的Na2O·Al2O3發(fā)生水解，得到大部分Al（OH）3。
7、碳化分離
稀釋水解后的濾液用CO2氣體加壓進(jìn)行碳酸化處理，中和掉NaOH，降低溶液的PH值，使溶液中剩余的Na2O·Al2O3幾乎全部水解成為Al（OH）3沉淀，殘留的Na2O·Al2O3濃度低于10－3摩爾。
分離出Al（OH）3后，溶液成為Na2CO3和NaHSiO3混合溶液。
繼續(xù)對(duì)Na2CO3和NaHSiO3混合溶液用CO2氣體加壓進(jìn)行碳酸化處理，降低溶液的PH值，使溶液中NaHSiO3幾乎全部水解成為H2SiO3沉淀。
8、堿回收
將稀Na2CO3溶液直接用生石灰進(jìn)行苛化處理，得到副產(chǎn)品CaCO3與稀NaOH溶液。NaOH溶液經(jīng)過(guò)適當(dāng)濃縮以后作為濃燒堿循環(huán)用于燒堿堿熔和燒堿溶出兩道工序作原料。
將稀Na2CO3溶液適當(dāng)濃縮后，再與高硅鋁礦粉混合、干燥除去水分得到混合干粉，混合千粉循環(huán)用于純堿堿融工序作原料。
Al2O3與SiO2提取率和堿損失率
影響Al2O3提取率的主要因素包括堿融轉(zhuǎn)化的溫度和時(shí)間以及干粉溶解后的濾餅用燒堿溶出時(shí)的濃度和溫度。堿融溫度過(guò)高或時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，生成的沸石型Na2O·Al2O3·2SiO2的松散結(jié)構(gòu)將發(fā)生轉(zhuǎn)化，變得更加致密，會(huì)增加后續(xù)燒堿處理的難度，進(jìn)而降低Al2O3的提取率；濾餅用燒堿溶出時(shí)的濃度和溫度增加，Al2O3的提取率增大。
影響SiO2提取率的主要因素包括原料中的CaO和MgO含量以及堿融反應(yīng)的溫度和時(shí)間。原料中的CaO和MgO含量增大，堿融時(shí)消耗的SiO2量增加，使SiO2的提取率降低；堿融溫度過(guò)高或時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，SiO2的提取率也降低。
處理過(guò)程的堿損失主要取決于堿融反應(yīng)的溫度和時(shí)間。溫度過(guò)高或時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，由于Na2CO3的蒸發(fā)和生成的Na2O·Al2O3·2SiO2結(jié)構(gòu)趨向致密增加后續(xù)處理難度，將使部分Na2O不能被釋放，都會(huì)使Na2CO3的損失率增大。
廢氣、廢液循環(huán)和廢熱利用
碳化形成的Na2CO3稀溶液與AI（OH）3沉淀以及H2SiO3沉淀分離后，經(jīng)過(guò)適當(dāng)濃縮，循環(huán)用于配料，與高硅鋁礦粉混合得到漿料，再用工藝中的廢熱對(duì)所配得的漿料進(jìn)行烘干，得到“高硅鋁礦粉－Na2CO3”混合干粉，循環(huán)至純堿堿融工段重新配料，實(shí)現(xiàn)了純堿的循環(huán)應(yīng)用。
生產(chǎn)中消耗的燒堿，用碳化所形成的Na2CO3稀溶液與生石灰進(jìn)行苛化處理，回收得到燒堿，經(jīng)過(guò)濃縮后循環(huán)至燒堿堿熔和燒堿溶出工段使用，實(shí)現(xiàn)了燒堿的循環(huán)應(yīng)用。
各個(gè)工藝段的洗滌液集中收集，用作水淬液和相應(yīng)工段的溶解用水。
純堿堿融時(shí)產(chǎn)生的高溫?zé)煹罋馐紫确謩e用潔凈的常溫空氣和水進(jìn)行換熱處理，得到550℃左右與350℃左右兩種溫度的潔凈熱空氣和熱水以及500～600℃的中溫?zé)煹罋猓?00～600℃的中溫?zé)煹罋庵苯佑糜趯?duì)第二碳化后分離得到的、經(jīng)過(guò)蒸發(fā)濃縮的濃Na2CO3溶液與高硅鋁礦粉混合后的混合漿料進(jìn)行干燥，得到混合干粉與200℃左右的低溫?zé)煹罋猓?00℃左右的低溫?zé)煹罋庠俳?jīng)水洗、凈化處理，得到含CO3的常溫潔凈煙道氣，加壓后作為CO2原料氣體用于第一碳化和二碳化工藝，分別得到Al（OH）3和H2SiO3沉淀；550℃左右的潔凈熱空氣用于燒堿堿熔工段的供熱；350℃左右的潔凈熱空氣用于產(chǎn)品干燥；熱水用于各個(gè)相應(yīng)工段的濾餅洗滌。
燒堿溶出后得到的濾渣，與苛化的廢渣合并，用于對(duì)洗滌煙道氣后的污水進(jìn)行絮凝凈化處理。凈化處理后的清水循環(huán)用于煙道氣洗滌。
結(jié)束語(yǔ)
用“C－J STK”技術(shù)從高硅鋁礦原料中提取Al2O3和SiO2，同時(shí)作廢氣、廢液循環(huán)利用和廢熱分級(jí)利用的新工藝，是高硅鋁礦資源化、高附加值綜合利用的有效途徑。應(yīng)用該技術(shù)工藝，只要原料中的Al2O3含量達(dá)到20%或Al2O3與SiO2含量合計(jì)達(dá)到70%，經(jīng)濟(jì)上就有開(kāi)發(fā)利用價(jià)值。經(jīng)過(guò)對(duì)表1所列原料的工業(yè)生產(chǎn)試驗(yàn)，每處理1噸該高硅鋁礦原料，可以獲得約360千克Al（OH）3和約820千克H2SiO3同時(shí)副產(chǎn)出CaCO3約500千克，產(chǎn)值超過(guò)5500元，利稅達(dá)2500元以上。
解決提取Al2O3過(guò)程中的Na2O·A12O3·2SiO2干擾，開(kāi)發(fā)一種利用鋁硅比低于3.5的高硅鋁礦提取Al2O3新技術(shù)工藝，能夠從全國(guó)已經(jīng)堆積的近100億噸高硅鋁礦原料中提取Al2O3，對(duì)于我國(guó)的Al2O3生產(chǎn)工業(yè)具有十分現(xiàn)實(shí)的重要意義，見(jiàn)表1。
表1 高硅鋁礦原料的化學(xué)組成（%）
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組 分
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Al2O3
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SiO2
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Fe2O3
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CaO
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MgO
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TiO2
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K2O
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Na2O
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P2O5
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SO3
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其它
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含量（%）
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24.86
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62.76
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4.50
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0.67
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1.23
|
0.90
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1.85
|
1.20
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0.49
|
0.54
|
1.00
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實(shí)際上，提取Al2O3時(shí)，在堿性環(huán)境下轉(zhuǎn)化過(guò)程中新生成的鋁硅酸鈉是一種具有沸石型松散結(jié)構(gòu)的結(jié)晶體，很容易被高濃度的燒堿分解．運(yùn)用“C－JSTK”技術(shù)，通過(guò)增加溶液的Na2O濃度和提高反應(yīng)溫度，完全可以將堿性環(huán)境下轉(zhuǎn)化過(guò)程中生成的Na2O·A12O3·2SiO2全部重新分解成Na2O·A12O3·2SiO2，并實(shí)施分離，從高硅鋁礦中同時(shí)提取Al2O3和SiO2。
試驗(yàn)原料及工藝流程
生產(chǎn)試驗(yàn)用高硅鋁礦原料取自江蘇鎮(zhèn)江某礦區(qū)，純堿與燒堿用工業(yè)品。高硅鋁礦原料的化學(xué)組成列于表。試驗(yàn)研究的工藝過(guò)程描述如下（見(jiàn)圖1)：
圖1 “C－JSTK”技術(shù)工藝流程簡(jiǎn)圖
高硅鋁礦粉與純堿按一定比例配料、入爐進(jìn)行堿融轉(zhuǎn)化反應(yīng)，得到的熔壓觸體用冷水水淬成1～5毫米的細(xì)顆粒壓料。將細(xì)顆粒料濕磨成濃稠漿料、稀釋、過(guò)濾．濾餅用濃燒堿溶解后再加熱濃縮、烘焙干燥．將得到的干粉料溶解、過(guò)濾；濾餅再用濃燒堿溶解、過(guò)濾。將3次過(guò)濾的濾液合并稀釋水解，得到Al（OH）3沉淀和濾液。將堿融過(guò)程產(chǎn)生的CO2氣體收集并經(jīng)凈化、加壓，引入稀釋水解后的濾液中使之碳酸化分解，從而依次得到剩余的Al（OH）3沉淀、H2SiO3沉淀和Na2CO3稀溶液。洗滌液集中循環(huán)用于補(bǔ)充水淬液和用作溶解、稀釋用水．將Na2CO3稀溶液濃縮后回收純堿Na2CO3溶液和燒堿NaOH溶液，副產(chǎn)出沉淀CaCO3?；厥盏募儔ANa2CO3溶液循環(huán)至前道配料工序與高硅鋁礦粉混合、干燥后循環(huán)用于純堿堿融工序。燒堿NaOH溶液循環(huán)至前道兩段燒堿溶解工序。將純堿堿融的高溫?zé)煹罋鈸Q熱成潔凈的熱空氣，用于Al（OH）3和H2SiO3及CaCO3的干燥，最終得到工業(yè)品Al（OH）3沉淀SiO2和沉淀CaCO3。
工藝原理
1、純堿堿融
首先用純堿Na2CO3處理高硅鋁礦粉，是為了讓高硅鋁礦中的SiO2和Al2O3與Na2CO3反應(yīng)轉(zhuǎn)化成為可溶的Na2O·SiO2和Na2O·Al2O3與高硅鋁礦原料中的其它成分分離。
按照質(zhì)量比，高硅鋁礦粉：Na2CO3＝1:1.2－1.3配料，在1300℃溫度下反應(yīng)約30分鐘后，Na2CO370%左右分解釋放出Na2O并析出CO2；高硅鋁礦中的大部分SiO2和A12O3與Na2O結(jié)合轉(zhuǎn)化成為Na2O·SiO2和Na2O·Al2O3，殘留有部分游離的A12O3和融化的Na2CO3；部分Na2O·Al2O3和Na2O·SiO2又進(jìn)一步反應(yīng)生成Na2O·Al2O3·2SiO2。
Fe2O3大部分轉(zhuǎn)化成為Na2O·Fe2O3；CaO與MgO轉(zhuǎn)化成為2CaO·SiO2、CaO·Fe2O3、Na2O·CaO·SiO2、MgO·SiO2、MgO·2CaO·Fe2O3、CaO-TiO2、MgO-TiO2等。
2、濕磨與漿料稀釋溶解
純堿堿融時(shí)新生成的Na2O·Al2O3·2SiO2很容易被NaOH分解，釋放出Na2O·Al2O3和Na2O·SiO2。
Na2O·Al2O3遇水會(huì)部分發(fā)生水解，產(chǎn)生Al（OH）3與NaOH；Na2O·Fe2O3遇水全部水解，產(chǎn)生Fe（OH）3與NaOH。
通過(guò)濕磨及對(duì)濕磨后的濃漿料加水溶解，Na2O·A12O3和Na2O·Fe2O3水解產(chǎn)生的NaOH與Na2O·A12O3·2SiO2反應(yīng)，部分Na2O·A12O3·2SiO2被分解成為Na2O·A12O3·2SiO2溶解于水進(jìn)入溶液。過(guò)濾后，溶解的Na2O·A12O3和Na2O·SiO2與包含未反應(yīng)的Na2O·A12O3·2SiO2固體及Fe（OH）3、部分Al（OH）3的雜質(zhì)固體先行分離。
濕磨、溶解后的漿料中，70℃時(shí)SiO2的溶解情況見(jiàn)圖2，
從圖2可以看出，在2小時(shí)內(nèi)，SiO2在溶液中的最大溶解度約55克/升。濕磨、溶解后的漿料應(yīng)該在2小時(shí)內(nèi)過(guò)濾分離。
圖2 70℃Na2O200克/升、Al2O3120克/升時(shí)溶液中SiO2含量
與時(shí)間關(guān)系曲線(xiàn)
3、燒堿堿熔
向濕磨、溶解后的濾餅中加入燒堿NaOH溶液并烘焙干燥成干粉料，其作用是隨著溶液的不斷蒸發(fā)濃縮，NaOH濃度也不斷增大，最終NaOH濃度將接近于最大的純NaOH融化狀態(tài)濃度。同時(shí)，隨著溶液的蒸干，物料的反應(yīng)溫度也達(dá)到接近供熱環(huán)境的最高溫度，反應(yīng)動(dòng)力達(dá)到最大，從而將濾餅中的Na2O·A12O3·2SiO2全部分解成為Na2O·A12O3和Na2O·SiO2。
同時(shí)，濾餅中包含的Al（OH）3和Fe（OH）3也被重新轉(zhuǎn)化成Na2O·A12O3和Na2O·Fe2O3。
4、干粉溶解
通常，SiO2在Na2O·Al2O3溶液中的穩(wěn)定溶解度很低，過(guò)量的SiO2會(huì)與Na2·A12O3生成Na2O·A12O3·2SiO2沉淀，使A12O3與SiO2的提取率降低，Na2O堿耗（Na2CO3消耗）增大。
圖3是70℃時(shí)SiO2在Na2O·A12O3溶液中的溶解情況。
圖3中，曲線(xiàn)AB上方（Ⅲ區(qū)）為SiO2的過(guò)飽和區(qū)（不穩(wěn)定區(qū)），AB與AC之間（Ⅱ區(qū)）為介穩(wěn)狀態(tài)區(qū)，AC下方（I區(qū)）為不飽和區(qū)（穩(wěn)定溶解區(qū)）。
圖3 SiO2在分子比（MR）為2.0的Na2O·Al2O3溶液中的溶解
度和介穩(wěn)狀態(tài)溶解度（70℃）
從圖3看，當(dāng)Na2O·Al2O3溶液中的MR為2.0，A12O3為75克/升時(shí)，SiO2的最大介穩(wěn)濃度大約只有2克/升。
但是，SiO2溶解于Na2O·A12O3溶液中時(shí)，開(kāi)始時(shí)常常是過(guò)飽和的，并不會(huì)立即產(chǎn)生Na2O·Al2O3·2SiO2沉淀，需要在長(zhǎng)時(shí)間的攪拌后，才能將其濃度降到平衡含量，達(dá)到介穩(wěn)濃度。
試驗(yàn)結(jié)果證明，當(dāng)加大溶液的MR到4.2以上，Al2O3為75克/升左右時(shí)，將燒堿堿熔得到的干粉溶解于水后，Na2O·SiO2在Na2O·Al2O3溶液中將會(huì)形成SiO2過(guò)飽和溶液，通過(guò)攪拌、加熱2小時(shí)或放置4小時(shí)后，SiO2才逐步達(dá)到溶解平衡的介穩(wěn)狀態(tài)，溶液中會(huì)產(chǎn)生無(wú)定型的Na2O·Al2O3·2SiO2。因?yàn)闆](méi)有晶種，在10～15天內(nèi)Na2O·Al2O3·2SiO2都不會(huì)出現(xiàn)結(jié)晶析出，溶液可以穩(wěn)定存在。
所以，干粉溶解于水后，在溶液自然溫度下，應(yīng)該在2小時(shí)或4小時(shí)內(nèi)過(guò)濾分離，避免溶液中的雜質(zhì)顆粒替代Na2O·Al2O3·2SiO2晶種，促成Na2O·AlO3·2SiO2晶體的生成。
干粉溶解后，Na2O·Al2O3和Na2O·SiO2全部溶解于水，部分Na2O·Al2O3發(fā)生水解，產(chǎn)生Al（OH）3與NaOH；Na2O·Fe2O3全部水解，產(chǎn)生Fe（OH）3與NaOH。水解產(chǎn)生的 NaOH會(huì)進(jìn)一步加大SiO2（Na2O·SiO2）在溶液中溶解的穩(wěn)定性。
將干粉溶解后的溶液過(guò)濾分離，濾餅中除了雜質(zhì)，還有部分Al（OH）3。
5、燒喊溶出
用燒堿溶液溶解干粉溶解后的濾餅，使濾餅中的Al（OH）3與NaOH反應(yīng)轉(zhuǎn)化成Na2O·Al2O3溶解進(jìn)入溶液，并與雜質(zhì)分離。
6、稀釋水解
將前面3次過(guò)濾分離得到的濾液合并，加水稀釋?zhuān)?5%左右的Na2O·Al2O3發(fā)生水解，得到大部分Al（OH）3。
7、碳化分離
稀釋水解后的濾液用CO2氣體加壓進(jìn)行碳酸化處理，中和掉NaOH，降低溶液的PH值，使溶液中剩余的Na2O·Al2O3幾乎全部水解成為Al（OH）3沉淀，殘留的Na2O·Al2O3濃度低于10－3摩爾。
分離出Al（OH）3后，溶液成為Na2CO3和NaHSiO3混合溶液。
繼續(xù)對(duì)Na2CO3和NaHSiO3混合溶液用CO2氣體加壓進(jìn)行碳酸化處理，降低溶液的PH值，使溶液中NaHSiO3幾乎全部水解成為H2SiO3沉淀。
分離出H2SiO2后，溶液成為稀Na2CO3溶液。
8、堿回收
將稀Na2CO3溶液直接用生石灰進(jìn)行苛化處理，得到副產(chǎn)品CaCO3與稀NaOH溶液。NaOH溶液經(jīng)過(guò)適當(dāng)濃縮以后作為濃燒堿循環(huán)用于燒堿堿熔和燒堿溶出兩道工序作原料。
將稀Na2CO3溶液適當(dāng)濃縮后，再與高硅鋁礦粉混合、干燥除去水分得到混合干粉，混合千粉循環(huán)用于純堿堿融工序作原料。
Al2O3與SiO2提取率和堿損失率
影響Al2O3提取率的主要因素包括堿融轉(zhuǎn)化的溫度和時(shí)間以及干粉溶解后的濾餅用燒堿溶出時(shí)的濃度和溫度。堿融溫度過(guò)高或時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，生成的沸石型Na2O·Al2O3·2SiO2的松散結(jié)構(gòu)將發(fā)生轉(zhuǎn)化，變得更加致密，會(huì)增加后續(xù)燒堿處理的難度，進(jìn)而降低Al2O3的提取率；濾餅用燒堿溶出時(shí)的濃度和溫度增加，Al2O3的提取率增大。
影響SiO2提取率的主要因素包括原料中的CaO和MgO含量以及堿融反應(yīng)的溫度和時(shí)間。原料中的CaO和MgO含量增大，堿融時(shí)消耗的SiO2量增加，使SiO2的提取率降低；堿融溫度過(guò)高或時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，SiO2的提取率也降低。
處理過(guò)程的堿損失主要取決于堿融反應(yīng)的溫度和時(shí)間。溫度過(guò)高或時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，由于Na2CO3的蒸發(fā)和生成的Na2O·Al2O3·2SiO2結(jié)構(gòu)趨向致密增加后續(xù)處理難度，將使部分Na2O不能被釋放，都會(huì)使Na2CO3的損失率增大。
在年處理3000噸高硅鋁礦原料的工業(yè)生產(chǎn)裝置上的試驗(yàn)結(jié)果證明，對(duì)表1所列原料，取高硅鋁礦粉：純堿粉＝1:1.2～1.3配料、堿融溫度1150～1350℃、反應(yīng)時(shí)間40～25分鐘，出料溫度1050～1150℃，燒堿濃度50%左右、燒堿溶出溫度70～80℃時(shí)，A12O3和SiO2的提取率分別可以達(dá)到95%與90%以上，純堿Na2CO3的循環(huán)比例可達(dá)98%以上。
廢氣、廢液循環(huán)和廢熱利用
高硅鋁礦粉在純堿堿融過(guò)程中，因燃料的燃燒和Na2CO3的分解，將放出大量的CO2氣體，工藝中的碳化處理則需引入CO2將純堿堿融過(guò)程中產(chǎn)生的CO2循環(huán)至碳化工序中，不僅CO2濃度能滿(mǎn)足要求，而且CO2總量還有富余。
碳化形成的Na2CO3稀溶液與AI（OH）3沉淀以及H2SiO3沉淀分離后，經(jīng)過(guò)適當(dāng)濃縮，循環(huán)用于配料，與高硅鋁礦粉混合得到漿料，再用工藝中的廢熱對(duì)所配得的漿料進(jìn)行烘干，得到“高硅鋁礦粉－Na2CO3”混合干粉，循環(huán)至純堿堿融工段重新配料，實(shí)現(xiàn)了純堿的循環(huán)應(yīng)用。
生產(chǎn)中消耗的燒堿，用碳化所形成的Na2CO3稀溶液與生石灰進(jìn)行苛化處理，回收得到燒堿，經(jīng)過(guò)濃縮后循環(huán)至燒堿堿熔和燒堿溶出工段使用，實(shí)現(xiàn)了燒堿的循環(huán)應(yīng)用。
各個(gè)工藝段的洗滌液集中收集，用作水淬液和相應(yīng)工段的溶解用水。
生產(chǎn)過(guò)程的堿損失，通過(guò)洗滌液的循環(huán)利用和高硅鋁礦原料中含有的K2O與Na2O的補(bǔ)充，可以基本實(shí)現(xiàn)平衡。
純堿堿融時(shí)產(chǎn)生的高溫?zé)煹罋馐紫确謩e用潔凈的常溫空氣和水進(jìn)行換熱處理，得到550℃左右與350℃左右兩種溫度的潔凈熱空氣和熱水以及500～600℃的中溫?zé)煹罋猓?00～600℃的中溫?zé)煹罋庵苯佑糜趯?duì)第二碳化后分離得到的、經(jīng)過(guò)蒸發(fā)濃縮的濃Na2CO3溶液與高硅鋁礦粉混合后的混合漿料進(jìn)行干燥，得到混合干粉與200℃左右的低溫?zé)煹罋猓?00℃左右的低溫?zé)煹罋庠俳?jīng)水洗、凈化處理，得到含CO3的常溫潔凈煙道氣，加壓后作為CO2原料氣體用于第一碳化和二碳化工藝，分別得到Al（OH）3和H2SiO3沉淀；550℃左右的潔凈熱空氣用于燒堿堿熔工段的供熱；350℃左右的潔凈熱空氣用于產(chǎn)品干燥；熱水用于各個(gè)相應(yīng)工段的濾餅洗滌。
燒堿溶出后得到的濾渣，與苛化的廢渣合并，用于對(duì)洗滌煙道氣后的污水進(jìn)行絮凝凈化處理。凈化處理后的清水循環(huán)用于煙道氣洗滌。
結(jié)束語(yǔ)
用“C－J STK”技術(shù)從高硅鋁礦原料中提取Al2O3和SiO2，同時(shí)作廢氣、廢液循環(huán)利用和廢熱分級(jí)利用的新工藝，是高硅鋁礦資源化、高附加值綜合利用的有效途徑。應(yīng)用該技術(shù)工藝，只要原料中的Al2O3含量達(dá)到20%或Al2O3與SiO2含量合計(jì)達(dá)到70%，經(jīng)濟(jì)上就有開(kāi)發(fā)利用價(jià)值。經(jīng)過(guò)對(duì)表1所列原料的工業(yè)生產(chǎn)試驗(yàn)，每處理1噸該高硅鋁礦原料，可以獲得約360千克Al（OH）3和約820千克H2SiO3同時(shí)副產(chǎn)出CaCO3約500千克，產(chǎn)值超過(guò)5500元，利稅達(dá)2500元以上。
通過(guò)對(duì)得到的Al（OH）3與H2SiO3進(jìn)行進(jìn)一步深加工，還可以生產(chǎn)出種類(lèi)齊全、規(guī)格繁多的高附加值的各種鋁鹽與硅酸鹽以及氧化鋁、鋁酸鹽、沉淀白炭黑、硅膠等數(shù)十種化工產(chǎn)品。這些產(chǎn)品可以用于造紙、油墨、印染、紡織、醫(yī)藥、油脂、催化劑、塑料、橡膠、日化、石油、環(huán)保、無(wú)機(jī)鹽等10多個(gè)工業(yè)行業(yè)作為原料使用，國(guó)內(nèi)的年需求總量達(dá)到幾千萬(wàn)噸。
本工藝不僅實(shí)現(xiàn)了高硅鋁礦中鋁資源與硅資源的全面回收和熱能資源的合理轉(zhuǎn)化利用，實(shí)現(xiàn)了高硅鋁礦資源的合理利用，大幅度提高了高硅鋁礦資源利用的經(jīng)濟(jì)效益，避免了資源浪費(fèi)，減輕了環(huán)境污染，并且降低了生產(chǎn)成本，消除了生產(chǎn)中的二次污染，達(dá)到了清潔生產(chǎn)的目的，尤其針對(duì)中國(guó)這種軟鋁石型鋁礦與高品位鋁礦資源緊缺的實(shí)際狀況，具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和環(huán)境效益。
