真空碳热还原氯化法炼铝的研究

论文摘要

本文综合评述了金属铝的各种生产方法及用途,并对全世界的铝土矿资源及我国铝工业的发展概况进行了综合评述。通过论证,从铝土矿到氧化铝的生产方法中无论是拜耳法还是烧结法或联合法都会面临铝土矿资源日渐缺乏的难题,而且这些方法都会产生大量的废水、废渣,污染环境;而从氧化铝到金属铝的冰晶石熔盐电解过程又是一个能耗高、基建投资大、污染也大的过程。针对现行炼铝方法存在的问题,本论文对真空碳热还原氯化法炼铝过程进行了研究,以期寻找一种新的炼铝方法。 铝土矿中的铝是以氧化铝的形式存在的,但因直接还原得到的金属铝与其它杂质无法分离而不能用还原剂将其直接还原出来。作者研究在真空条件下用碳热还原低价氯化物分解法（简称真空碳热还原氯化法）从铝土矿直接炼铝,主要基于以下原理:借助于铝的低价化合物高温稳定,低温分解得到金属铝和铝的三价化合物的特性,在铝土矿与焦炭的反应系统中通入三氯化铝的气体,此时铝土矿、焦炭、与三氯化铝反应,得到一氯化铝（AlCl）,得到的一氯化铝在反应系统中温度较低的部分分解得到金属铝和三氯化铝,三氯化铝经过收集可以循环使用,即在整个反应系统中三氯化铝仅仅起到了将铝土矿中三氧化铝直接碳还原的媒介作用,但由于它的存在使还原反应温度大大下降,而且可以得到比较纯的金属铝,从而使从铝土矿直接碳还原生产金属铝的过程成为可能。由于本原理中高温下形成低价氯化铝的反应是一个气体体积增大的反应,因此作者选择在真空下进行,这样可使该步反应容易进行。 通过设备研究,作者设计出了适合于本反应系统的真空炉,该反应设备—真空炉,用电加热,真空炉内的温度分布主要有四个区域:高温区、中温区、低温区、原料三氯化铝的升华区,在同一个设备里实现了铝土矿与焦碳、三氯化铝的反应,一氯化铝的分解反应,三氯化铝的冷凝回收以及原料三氯化铝的单独加热。 本实验研究主要分为两步,第一步以工业氧化铝为原料,以煤为还原剂,以三氯化铝为氯化剂,进行条件实验,得出反应温度、还原剂煤的种类、还原剂与氧化铝的配比、反应时间等因素对从工业氧化铝炼铝的影响规律。实验得到纯度为84%～88%的金属铝。通过此阶段的实验分析,找出了每次实验所得金属的量不规律、AlCl3回收量小以及金属铝纯度只能达到88%的原因。为实现从铝土矿炼铝打下基础。第二步进行以铝土矿为原料的条件实验研究,考察了反应温度、还原剂煤的种类、还原剂与氧化铝的配比、反应时间等影响因素。从实验结果得知:①焦碳、木炭、煤三种还原剂中,用焦碳做还原剂较木炭和煤合适;②较合适的反应温度为1370

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 概论
• 1.1 氯化法炼铝的原理
• 1.2 目前铝冶炼方法的现状
• 1.2.1 铝土矿资源及我国铝土矿资源所面临的困境
• 1.2.1.1 世界铝土矿资源的现状
• 1.2.1.2 我国的铝土矿资源
• 1.2.1.3 我国铝土矿资源所面临的问题
• 1.2.2 氧化铝的生产及我国氧化铝生产的工业状况
• 1.2.2.1 氧化铝的生产方法
• 1.2.2.1.1 拜尔法
• 1.2.2.1.2 碱石灰烧结法
• 1.2.2.1.3 联合法
• 1.2.2.1.4 其它方法
• 1.2.2.2 我国氧化铝生产的工业状况
• 1.2.3 铝的现有生产方法及其存在的缺点
• 1.2.3.1 电解法生产铝的原理、流程
• 1.2.3.2 我国电解法生产铝的工业现状及面临的困境
• 1.2.3.3 电解法炼铝存在的缺点
• 1.2.4 炼铝新方法的研究
• 1.2.4.1 电热法炼铝
• 1.2.4.2 高炉炼铝
• 1.2.4.3 低价卤化物分解法
• 1.2.5 低价卤化物分解法炼铝的优点
• 1.3 氯化法炼铝的国内外研究现状
• 1.4 本研究的目的和意义
• 1.5 本研究的主要内容
• 第二章 真空碳热还原氯化法炼铝的热力学分析
• 2.1 常压下单纯用碳热还原氧化铝的热力学研究
• 2.2 常压下低价铝化合物法炼铝的热力学分析
• 2.3 低价铝化合物分解碳热还原法直接从氧化铝提炼铝的热力学分析
• f298^?和标准摩尔熵(S₂₉₈^?)的计算及其计算途径'>2.3.1 液态金属铝298K时的标准摩尔生成焓(-ΔH_f298^?和标准摩尔熵(S₂₉₈^?)的计算及其计算途径
• 3298K时的标准摩尔生成焓(-ΔH_f298^?和标准摩尔熵(S₂₉₈^?)的计算'>2.3.2 气态AlCl₃298K时的标准摩尔生成焓(-ΔH_f298^?和标准摩尔熵(S₂₉₈^?)的计算
• 2.3.3 常压下氧化铝、碳与三氯化铝反应生成低价氯化铝的热力学分析
• 2.3.4 真空下氧化铝、碳与三氯化铝反应生成低价氯化铝的热力学分析
• 2.3.4.1 真空下主反应的热力学分析
• 2.3.4.2 真空下平行副反应的热力学分析
• 2.3.4.3 真空下铝土矿中其它杂质发生的反应的热力学分析
• 2.4 低价氯化铝（AlCl）分解的热力学分析
• 2.4.1 常压下低价氯化铝（AlCl）分解的热力学分析
• 2.4.2 真空下低价氯化铝（AlCl）分解的热力学分析
• 2.5 真空炉中液态的金属铝被一氧化碳和二氧化碳再氧化的可能性
• 2.6 氧化铝碳热还原氯化法炼铝过程的理论热效应
• 2.7 本章小结
• 第三章 实验设备的设计
• 3.1 历史上出现过的反应设备
• 3.2 历史上出现过的反应设备所存在的问题
• 3.3 作者自行设计的反应设备——真空炉
• 3.3.1 真空炉的设计及工作原理
• 3.3.2 控温测温系统
• 3.3.3 真空炉内的温度分布
• 第四章 真空碳热还原氯化法从氧化铝炼铝的实验研究
• 4.1 实验路线选择
• 4.2 真空碳热还原氯化法从氧化铝炼铝的实验部分
• 4.2.1 实验机理
• 4.2.2 实验原料
• 4.2.3 实验设备
• 4.2.4 实验操作
• 4.2.5 条件实验
• 4.2.5.1 反应温度对反应的影响
• 4.2.5.2 氧化铝与煤的配比对反应的影响
• 4.2.5.3 反应时间对反应的影响
• 4.2.5.4 煤的种类对反应的影响
• 2O₃、SiO₂、TiO₂等成分对反应的影响'>4.2.5.5 考察Fe₂O₃、SiO₂、TiO₂等成分对反应的影响
• 4.3 对实验产物的化验分析
• 4.3.1 对所得到金属进行的扫描电镜、能谱及XRD分析
• 4.3.2 对反应炉渣进行的XRD分析
• 4.4 本阶段实验存在的问题
• 4.5 本章小结与建议
• 第五章 真空碳热还原氮化法从铝土矿炼铝的实验研究
• 5.1 实验机理
• 5.2 实验设备
• 5.3 实验原料
• 5.4 实验操作
• 5.5 条件实验
• 5.5.1 还原剂对反应的影响
• 5.5.2 反应温度对反应的影响
• 5.5.3 反应时间对反应的影响
• 5.5.4 反应物料配比对反应的影响
• 5.6 对实验所得产物的化验分析
• 5.6.1 金属化学分析及XRD定量分析
• 5.6.2 至下而上数第1蒸发冷凝盘所得到金属的电镜及能谱分析
• 5.6.3 残渣的XRD分析及化学分析
• 3粉末的XRD分析'>5.6.4 顶蒸发盘中所收集到的AlCl₃粉末的XRD分析
• 5.6.5 反应系统中元素铝的收入与支出
• 5.7 本章的结论与建议
• 第六章 总结论
• 参考文献
• 附录