Viện KHCN Mỏ - Luyện kim Báo cáo tổng kết đề tài:
Nghiên cứu công nghệ sản xuất alumin từ
tinh quặng bauxit Táp Ná, Cao Bằng Cnđt: Đỗ Hồng Nga 8427Hà nội 2010
1.2.1. Tình hình khai thác bauxit và chế biến alumin ở ngoài nước 9
1.2.2. Tình hình khai thác bauxit và chế biến alumin ở trong nước 12
1.3. TỔNG QUAN CƠ SỞ LÝ THUYẾT 13
1.3.1. Một số ứng dụng của alumin 13
1.3.2. Bauxit – nguyên liệu chính để sản xuất alumin 14
1.3.3. Lý thuyết quá trình hòa tách bauxit 16
CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ CÔNG TÁC CHUẨN
BỊ 18
2.1. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 18
2.2. CHUẨN BỊ MẪU VÀ THÀNH PHẦN PHỐI LIỆU 18
2.2.1. Mẫu nghiên cứu 18
2.2.2. Chuẩn bị cấp hạt bauxit 19
2.2.3. Chuẩn bị dung dịch hòa tách 19
2.3. NGUYÊN VẬT LIỆU, HÓA CHẤT 19
2.4. THIẾT BỊ NGHIÊN CỨU 21
2.5. CÔNG TÁC PHÂN TÍCH 22
CHƯƠNG 3. NỘI DUNG VÀ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 23
3.1. SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ 23
3.2. NGHIÊN CỨU THÀNH PHẦN VẬT CHẤT 23
3.2.1. Thành phần hóa học 24
BCTKĐT: Nghiên cứu công nghệ sản xuất alumin từ tinh quặng bauxit Táp Ná,Cao Bằng.
Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim
3
3.2.2. Thành phần khoáng vật 24
3.3. NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH HÒA TÁCH 26
3.3.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất hòa tách 27
3.3.2. Ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất hòa tách 28
3.3.3. Ảnh hưởng của nồng độ dung dịch đến hiệu suất hòa tách 29
Bảng 5. Các công ty sản xuất alumin chủ yếu trên thế giới 10
Bảng 6. Những đặc trưng cơ bản của công nghệ Bayer châu Âu và châu Mỹ .11
Bảng 7. Thành phần hóa học của alumin, % 14
Bảng 8. Phân bố cấp hạt tinh quặng bauxit Táp Ná mẫu công nghệ 19
Bảng 9. Thành phần hóa học bauxit Táp Ná, % 24
Bảng 10. Thành phần khoáng vật bauxit Táp Ná, % 24
Bảng 11. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất hòa tách 27
Bảng 12. Ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất hòa tách 28
Bảng 13. Ảnh hưởng của nồng độ dung dịch đến hiệu suất hòa tách 30
Bảng 14. Ảnh hưởng của lượng nạp bauxit đến hiệu suất hòa tách 31
Bảng 15. Ảnh hưởng của tỷ lệ vôi đến hiệu suất hòa tách 32
Bảng 16. Lắng bùn đỏ bauxit Táp Ná 34
Bảng 17. Ảnh hưởng của thời gian khuấy đến hiệu suất phân hóa 37
Bảng 18. Ảnh hưởng của tỉ lệ mầm đến mức độ phân hóa 38
Bảng 19. Thành phần hóa học của sản phẩm alumin 39
Bảng 20. Tổng hợp một số chỉ tiêu công nghệ chính 40
Bảng 21. Thành phần hóa học của các loại bùn đỏ khác nhau, % 43
BCTKĐT: Nghiên cứu công nghệ sản xuất alumin từ tinh quặng bauxit Táp Ná,Cao Bằng.
Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim
5
DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ SƠ ĐỒ
Hình 1. Sơ đồ chuẩn bị cấp hạt bauxit 20
Hình 2. Quy trình chuẩn bị dung dịch luân lưu 21
Hình 3. Thiết bị hòa tách 21
Hình 4. Sơ đồ tóm tắt công nghệ sản xuất alumin theo phương pháp Bayer 23
Hình 5. Ảnh thạch học bauxit Táp Ná (phóng đại 100 lần) 25
Hình 6. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất hòa tách 27
Hình 7. Ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất hòa tách 29
Nhằm đánh giá khả năng và điều kiện xử lý bauxit từng vùng trên lãnh
thổ Việt Nam, Bộ Công Thương cho phép Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ-
Luyện kim triển khai đề tài “Nghiên cứu công nghệ
sản xuất alumin từ tinh
quặng Táp Ná, Cao Bằng” theo hợp đồng số 135.10 RD/HĐ-KHCN ký ngày
02 tháng 03 năm 2010. Kết quả nghiên cứu của đề tài có ý nghĩa quan trọng,
làm cơ sở cho việc định hướng công nghệ để xử lý hiệu quả nguồn tài nguyên
quý giá này với mục tiêu:
- Xây dựng quy trình công nghệ sản xuất alumin từ tinh quặng bauxit Táp
Ná, Cao Bằng
- Alumin nhận được đạt hàm lượng Al
2
O
3
98 – 99%, các tạp chất SiO
2
≤
0,1%, Fe
2
O
3
≤ 0,05%.
- Sản phẩm alumin đáp ứng yêu cầu cho công nghệ điện phân nhôm.
BCTKĐT: Nghiên cứu công nghệ sản xuất alumin từ tinh quặng bauxit Táp Ná,Cao Bằng.
Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim
7
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
Nừng…., có thành phần khoáng vật chính là gipxit. Trữ lượng đã được thăm dò
và đánh giá là 5,432 tỷ tấn (tương ứng khoảng 2,3 tỷ tấn tinh quặng). Tinh
quặng bauxit đạt hàm lượng Al
2
O
3
45 - 50%, SiO
2
1,6 – 5%, Fe
2
O
3
17 - 22%,
TiO
2
2,6 - 3% [7].
Mỏ Táp Ná, Cao Bằng được phát hiện từ năm 1960. Công tác tìm kiếm,
thăm dò sơ bộ mỏ này được tiến hành trên cả hai loại quặng gốc và sa khoáng.
Trữ lượng bauxit Táp Ná được Hội đồng xét duyệt trữ lượng Khoáng sản phê
duyệt tại quyết định số 65/QĐHĐ ngày 5 tháng 12 năm 1979 được trình bày
trong bảng 1 và 2.
BCTKĐT: Nghiên cứu công nghệ sản xuất alumin từ tinh quặng bauxit Táp Ná,Cao Bằng.
Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim
8
Bảng 1. Tổng hợp tài nguyên trữ lượng bauxit sa khoáng mỏ Táp Ná
Đơn vị: 1000 tấn
TT Khu mỏ Cấp B Cấp C1 Cấp C2
1 Lũng Móc 280,00 927,08 880,27
2 Lũng Xỉa - 687,21 271,93
3 Ke Bao 364,83 538,31 368,75
2
trung bình 6,8 %
- M
Si
~ 7,5
BCTKĐT: Nghiên cứu công nghệ sản xuất alumin từ tinh quặng bauxit Táp Ná,Cao Bằng.
Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim
9
1.2. TÌNH HÌNH KHAI THÁC BAUXIT VÀ SẢN XUẤT ALUMIN
TRONG NƯỚC VÀ NGOÀI NƯỚC
1.2.1. Tình hình khai thác bauxit và chế biến alumin ở ngoài nước
Theo công bố của Cục khảo sát Địa chất Mỹ vào tháng 1/2009 thì tiềm
năng tài nguyên bauxit toàn thế giới khoảng 75 tỷ tấn, phân bố ở các Châu lục
như trong bảng 3.
Bảng 3. Phân bố trữ lượng bauxit ở các Châu lục
STT Châu lục Tỷ lệ phân bố, %
1 Châu Phi 33
2 Châu Đại dương 24
3 Châu Mỹ và Carribe 22
4 Châu Á 15
5 Các nơi khác 6
Trên thế giới có trên 40 nước có bauxit, trong đó những nước có tiềm
năng lớn hàng đầu được trình bày trong bảng 4.
Bảng 4. Các nước có tiềm năng lớn hàng đầu về bauxit
STT Tên nước
Trữ lượng bauxit,
(10
9
tấn)
6
7
8
9
10
11
Alcoa
Chalco
Alcan
BHP Billiton
Glencore
Comalco
Rusal
Sual
Nalco
Hydro
Khác
13.497.000
6.915.000
6.183.000
4.289.000
4.005.000
3.381.000
3.359.000
2.071.000
1.580.000
1.389.000
17.673.000
13.409.000
6.915.000
ưng Bayer Châu Âu Bayer Châu Mỹ
Nhiệt độ cuối quá trình hòa
tách,
0
C
200 – 235 (250) 140 - 145
Nhiệt độ sau giảm áp,
0
C 135 - 185 110
Áp lực của thiết bị hòa tách,
kg/cm
2
12 – 30 (50) 4 - 5
Nhiệt độ khuấy phân huỷ,
0
C
Bắt đầu
Kết thúc
50-55
40-45
68-76
58-65
Thời gian khuấy phân huỷ, h 50-70 35-45
Tỷ lệ mồi 2-3 0,5-1,5
Nhiệt độ nung,
0
C 1100-1200 1000-1050
sau đó lắng, rửa, tách bùn đỏ, rẻ hơn nhiều lần so với thiêu kết cộng với hòa
tan, lắng, rửa và khử silic. Chi phí cho công đoạn thiêu kết chiếm gần 40% tổng
chi phí cho tất cả các công đoạn của phương pháp thiêu kế
t và chiếm gần 80%
chi phí cho tất cả các công đoạn của phương pháp Bayer [3].
Ngành công nghiệp alumin là một trong những ngành yêu cầu đầu tư lớn.
Trên thế giới đã và đang xây dựng các nhà máy alumin hiện đại. Hiện nay, các
nước phát triển đang có xu hướng tập trung ưu tiên vào một số vấn đề sau:
- Chuyển cơ sở sản xuất alumin đến các vùng có mỏ bauxit nhằm giảm chi phí
vận tải.
- Các nhà máy mới xây dựng thườ
ng có công suất lớn. Toàn thế giới có 15 nhà
máy công suất từ 2 triệu tấn alumin/năm, ví dụ nhà máy Pinjarna (Tây Úc) có
công suất 4,2 triệu tấn alumin/năm. Ngoài ra, còn sử dụng thiết bị hiện đại, tự
động hoá cao.
- Đối với các nhà máy đang vận hành thực hiện tối ưu hoá quá trình công nghệ,
hiện đại hoá thiết bị để giảm chi phí nguyên, nhiên liệu và năng lượng đến mức
thấp nhất, như: bổ sung hệ thố
ng bốc hơi nhiều giai đoạn, dùng lò lớp sôi để
nung Al(OH)
3
thay thế lò ống quay, kết tủa 2 giai đoạn để tạo ra alumin ở dạng
cát, sử dụng chất kết bông tổng hợp trong khâu lắng, lọc bùn đỏ….
1.2.2. Tình hình khai thác bauxit và chế biến alumin ở trong nước
Các công trình nghiên cứu xử lý bauxit chủ yếu tập trung vào đối tượng
phía Nam, việc nghiên cứu xử lý bauxit miền Bắc chưa nhiều. Một số nghiên
cứu về bauxit Lạng Sơn mới chỉ dừng lại ở
mức độ thăm dò xử lý hòa tách
bằng phương pháp Bayer, chưa đưa ra được các chỉ tiêu tiêu hao cơ bản như
BCTKĐT: Nghiên cứu công nghệ sản xuất alumin từ tinh quặng bauxit Táp Ná,Cao Bằng.
1.3. TỔNG QUAN CƠ SỞ LÝ THUYẾT
1.3.1. Một số ứng dụng của alumin
Alumin được ứng d
ụng rất nhiều trong các ngành công nghiệp khác nhau
như: sơn, gốm, sứ, hóa chất Tuy nhiên, phần lớn alumin sản xuất ra được
dùng để điện phân thành nhôm kim loại. Một số thông số chính của alumin
(tiêu chuẩn Nga) được chỉ ra trong bảng 7 [3].
BCTKĐT: Nghiên cứu công nghệ sản xuất alumin từ tinh quặng bauxit Táp Ná,Cao Bằng.
Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim
14
Bảng 7. Thành phần hóa học của alumin, %
Tạp chất, %, không lớn
hơn
Ký
hiệu
Mất khi
nung, %,
không lớn
hơn
SiO
2
Fe
2
O
3
Oxit kim
loại kiềm
Hàm lượng
α-Al
2
định
Sản xuất gạch
chịu lửa alumin
cao
ГК 0,3 0,50 0,07 0,3 85-95 Sản xuất vật phẩm
cách điện
ГЭВ 0,4 0,06 0,035 0,1 Không dưới
95
Công nghiệp điện
chân không
1.3.2. Bauxit – nguyên liệu chính để sản xuất alumin
Bauxit là loại quặng nhôm có thành phần rất khác biệt. Ngoài thành phần
chính là Al
2
O
3
thì chúng còn chứa các khoáng vật của sắt, titan, silic và các oxit
có hàm lượng nhỏ như V
2
O
5
, Ga
2
O
3
…
Hàm lượng nước kết tinh với nhôm oxit quyết định cấu trúc tinh thể
khoáng vật chứa nhôm và khả năng hòa tan của chúng trong dung dịch kiềm.
Khả năng hòa tan xếp theo thứ tự dưới đây (từ cao xuống thấp).
Al
,
Fe
2
O
3
…Thực tế, chất lượng của bauxit được đánh giá bằng môđun silic M
Si
.
BCTKĐT: Nghiên cứu công nghệ sản xuất alumin từ tinh quặng bauxit Táp Ná,Cao Bằng.
Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim
15
2
32
SiO
OAl
M
Si
=
(tỷ số % trọng lượng)
- M
Si
> 7: bauxit loại tốt, thích hợp với phương pháp Bayer
- M
Si
= 4 - 7: bauxit loại trung bình, thích hợp cho phương pháp thiêu kết
và phương pháp kết hợp
- M
Si
< 4: không phù hợp để sản xuất alumin
tt
bx
a
Q
η
=
Trong đó: Q
bx
– tiêu hao bauxit cho một tấn alumin (t/t)
99 – tính theo độ sạch của alumin
a – hàm lượng Al
2
O
3
trong bauxit, (%)
η
tt
– hiệu suất hòa tách thực tế, (%)
%100 1
32
32
32
32
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
bx
OFe
32
- hàm lượng Fe
2
O
3
trong bauxit
BCTKĐT: Nghiên cứu công nghệ sản xuất alumin từ tinh quặng bauxit Táp Ná,Cao Bằng.
Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim
16
bd
OFe
32
- hàm lượng Fe
2
O
3
trong bùn đỏ
- Tiêu hao kiềm:
100.
.
.990
ttSi
k
M
h
Q
η
O
c
. Vì vậy, đối với những trường hợp các chỉ tiêu đó không
xấu hơn các chỉ tiêu đã nêu thì bauxit được xử lý hoàn toàn thích hợp cho
phương pháp Bayer [9].
Tikhonop N.N và Lapin A.A chia bauxit xử lý được bằng phương pháp
Bayer thành 3 loại [19]:
Loại Chất lượng Tiêu hao bauxit t/t
Al
2
O
3
Tiêu hao kiềm kg Na
2
O/t
Al
2
O
3
I Tốt < 2,2 < 40
II Trung bình 2,2 – 2,9 40 – 80
III Xấu > 2,9 >80
1.3.3. Lý thuyết quá trình hòa tách bauxit
Al
2
O
3
là hợp chất lưỡng tính nên có thể sản xuất từ quặng bằng cả hai
O + Na
2
CO
3
= Na
2
SiO
3
+ H
2
O + CO
2
(3)
Sau đó, chúng kết hợp với dung dịch natri aluminat tạo thành hợp chất
không hòa tan natri alumosilicat (hay còn gọi là Bayer sodalit) theo phản ứng:
2Na
2
SiO
3
+ 2NaAlO
2
+ 4H
2
O =
Na
2
O.Al
2
O
OAl
SiOOAl
lt
−
=
η
Trong đó: η
lt
- hiệu suất hoà tách lý thuyết
Al
2
O
3
- hàm lượng nhôm ôxit trong tinh quặng bauxit
SiO
2
- hàm lượng silic ôxit trong tinh quặng bauxit BCTKĐT: Nghiên cứu công nghệ sản xuất alumin từ tinh quặng bauxit Táp Ná,Cao Bằng.
Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim
18
CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ CÔNG TÁC
CHUẨN BỊ
2.1. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Việc lựa chọn đúng phương pháp nghiên cứu là điều rất quan trọng. Đề
tài chọn phương pháp nghiên cứu là:
- Nghiên cứu lý thuyết, tổng quan các vấn đề liên quan;
- Đánh giá chọn lựa phương pháp tiếp cận;
Si
> 7 nên có thể áp
dụng phương pháp Bayer để sản xuất alumin. Đây cũng là phương pháp chủ
đạo được các nhà máy sản xuất alumin từ bauxit trên thế giới áp dụng vì tính
hiệu quả kinh tế cũng như quy mô áp dụng.
2.2. CHUẨN BỊ MẪU VÀ THÀNH PHẦN PHỐI LIỆU
2.2.1. Mẫu nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu là 100 kg tinh quặng bauxit Táp Ná, tỉnh Cao
Bằng được cung cấp bởi Phòng Công nghệ Tuyển khoáng.
BCTKĐT: Nghiên cứu công nghệ sản xuất alumin từ tinh quặng bauxit Táp Ná,Cao Bằng.
Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim
19
Mẫu nghiên cứu tuyển được Đoàn địa chất 116 thi công lấy theo
“phương án lấy mẫu công nghệ đại diện tại mỏ bauxit Táp Ná thuộc vùng
quặng bauxit tỉnh Cao Bằng” do Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - luyện kim
lập. Toàn bộ khối lượng mẫu công nghệ tuyển là 11,67 tấn kèm theo bảng
thống kê các mẫu đơn của đề án.
Để có mẫu tinh quặng phù hợp với công nghệ luyện kim, toàn bộ khố
i
lượng mẫu được giản lược theo phương pháp hình nón chia tư, sau đó tiến hành
chuẩn bị cỡ hạt mẫu công nghệ.
2.2.2. Chuẩn bị cấp hạt bauxit
Theo kết quả nghiên cứu tuyển, quặng bauxit Táp Ná có độ xâm nhiễm
mịn [7]. Vì vậy, để có thể tách trần các hạt khoáng vật có ích, mẫu cần được
nghiền đến cỡ hạt -0,074 mm để nghiên cứu công nghệ. Sơ đồ chuẩn bị c
ấp hạt
bauxit và sự phân bố cấp hạt được trình bày trong hình 1 và bảng 8.
Bảng 8. Phân bố cấp hạt tinh quặng bauxit Táp Ná mẫu công nghệ
Cấp hạt, mm %
- 0,1 + 0,074
Hình 1. Sơ đồ chuẩn bị cấp hạt bauxit
Quặng tinh cấp hạt trung bình +10mm
Đập lần 1
Phân cấp hạt
Hình 2. Quy trình chuẩn bị dung dịch luân lưu
2.4. THIẾT BỊ NGHIÊN CỨU
Quá trình nghiên cứu được thực hiện trong bể hòa tách (hình 3) gồm 6
otocla dung tích mỗi chiếc 200 ml, ổn nhiệt bằng không khí nóng.
- U = 220V
- P = 4,5 kW
- Dung tích: 6 x 200 ml
- Tốc độ quay 35 v/phút
Hình 3. Thiết bị hòa tách
Ngoài ra, đề tài còn sử dụng máy li tâm có tốc độ quay 3000-4000 v/phút
để tách dung dịch ra khỏi bùn đỏ. Hệ thống lắng bùn đỏ (gồm 6 ống bằng thủy
Hòa tan
Kiềm NaOH 99% Al(OH)
3
Ly tâm
N
ước cất
Dung dịch
Phân tích
Điều chỉnh nồng độ
Na
2
O
c
NaOH và nước cất
Dung dịch luân lưu
BCTKĐT: Nghiên cứu công nghệ sản xuất alumin từ tinh quặng bauxit Táp Ná,Cao Bằng.
Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim
Tinh quặng
bauxit
NaOH
Hòa tách
Lắng tách
Dung dịch natri aluminat
Phân hóa
Al(OH)
3
Nung
Dung dịch cái
Cô đặc
Bùn đỏ
Al
2
O
3
BCTKĐT: Nghiên cứu công nghệ sản xuất alumin từ tinh quặng bauxit Táp Ná,Cao Bằng.
Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim
24
thành phần vật chất của bauxit khi muốn đưa vào sử dụng là điều không thể
thiếu vì biết thành phần vật chất sẽ cho phép định hướng trong nghiên cứu công
nghệ, giải thích các hiện tượng và có thể rút ngắn quá trình nghiên cứu này.
3.2.1. Thành phần hóa học
Các mẫu nghiên cứu được xác định 5 cấu tử chính là: Al
2
O
vật có ích và có hại để có hướng công nghệ xử lý phù hợp.
Bảng 10. Thành phần khoáng vật bauxit Táp Ná, %
Phương pháp phân tích
Tên khoáng vật
Rơnghen Nhiệt
Diaspor 38 - 40 39
Gipxit 2 - 4 3
Kaolinit 11 - 13 12
Hêmatit 9 - 11
Clorit 7 - 9 8
Mica giòn (Cloritoid) 6 - 8
Gơtit 5 - 7 6
Monmorillonit 3 - 5 < 5
(Xem giản đồ nhiễu xạ Rơnghen và nhiệt phần Phụ lục)
Copyright: Tài liệu đại học ©