利用高硅含铝资源生产金属铝和多晶硅的方法技术

本发明专利技术属于铝冶金技术领域，具体涉及利用高硅含铝资源生产金属铝和多晶硅的方法。首先利用高硅含铝资源原料通过预处理工艺得到铝硅氧化料，然后在双室电解槽中通过熔盐电解法生产金属铝产物和富集了硅的铜铝硅合金，铜铝硅合金在单室电解槽中通过熔盐电解法生产铝硅合金或/和多晶硅，铝硅合金进一步通过物理法分离得到多晶硅。本发明专利技术具有生产成本低、电解操作连续、产物品质高、清洁环保等特点。清洁环保等特点。清洁环保等特点。

【技术实现步骤摘要】
利用高硅含铝资源生产金属铝和多晶硅的方法


[0001]本专利技术属于铝冶金
，具体涉及利用高硅含铝资源生产金属铝和多晶硅的方法。

技术介绍

[0002]铝作为一种重要的轻金属，广泛用于运输、器械、包装、建材、电线等领域。2020年中国原铝(电解铝)产量为3708万吨，居所有有色金属之首。
[0003]现有技术生产金属铝的方法为传统的霍尔
‑
埃鲁特(Hall
‑
Heroult)熔盐电解工艺，电解设备主要是由碳素阳极、冰晶石熔盐电解质、碳素阴极构成的预焙阳极电解槽，以冶金级氧化铝为原料，在900～960℃下电解得到原铝，同时碳素阳极不断消耗并产生以CO2为主的气体。该方法虽然得到广泛的应用，但是存在诸多问题：
①
电解能耗大，吨铝电耗在13000kW
·
h左右，电能效率仅在50％左右；
②
碳素阳极的消耗量大，换极操作影响生产效率，产生的含CO2及CO、SO2、碳氟化合物的混合气体污染环境；
③
不具有除杂或精炼的功能，在电解过程中,原料中比铝更正电性的元素的氧化物(如Fe2O3、SiO2、TiO2等)将与Al同时在阴极析出，造成原铝产品质量不纯，品级下降。为了保证原铝产品质量，行业标准YS/T 803
‑
2012要求冶金级氧化铝的化学成分为：Al2O3≥98.4wt％，SiO2≤0.06wt％，Fe2O3≤0.03wt％，此外，还对比表面积、粒度分布等物理性质作有要求。
[0004]为了满足冶金级氧化铝的产品要求和生产利润的最大化，目前氧化铝工业常常利用以氧化铝水合物(Al2O3·
nH2O，n＝1或3)为主要矿物成分的铝土矿作为生产原料，采用拜耳法、烧结法或联合法等碱法工艺分解铝土矿，而且粗铝酸钠浸出液还要进行深度脱硅工序,以防止氧化铝产品中SiO2杂质含量超标。
[0005]此外，国内煤炭开采和燃煤发电行业产生了大量煤矸石和粉煤灰固废，粉煤灰仅2019年的产量就高达7.48亿吨，而堆积的煤矸石达80亿t以上，而高铝粉煤灰和高铝煤矸石中Al2O3含量可高达40～55％，若能提取其中的Al2O3将具有资源利用和环境保护双重效益，但限于原料中铝硅比低和产品氧化铝的质量要求高的双重压力，目前从粉煤灰或煤矸石中提取Al2O3的技术仍然面临着生产成本高的挑战。
[0006]而且，从含铝资源中提取氧化铝的工艺中，伴生的SiO2多以赤泥形式作为固态废弃物堆存在渣场，存在污染环境风险和资源浪费的问题，特别是高硅铝土矿、粉煤灰、煤矸石等含铝资源中SiO2含量较高，若能成分利用其中的Al2O3或SiO2来制取金属铝和多晶硅，则具有多重意义。
[0007]总之，就氧化铝行业而言，优质铝矿资源日益枯竭，脱硅除铁压力大，伴生SiO2无法有效利用；就电解铝行业而言，目前所用电解方法一般严格要求氧化铝完全溶解于电解质之中，而且这些方法还具有氧化铝原料品质要求较高、金属铝产品纯度难以保证、电解质选择受限、生产流程长、电解操作复杂且适应性差等缺点。

技术实现思路

[0008]本专利技术的目的在于提供一种利用高硅含铝资源生产金属铝和多晶硅方法，打破氧化铝行业和电解铝行业之间的壁垒，在利用高硅含铝资源中的铝元素生产金属铝的同时，利用其中硅元素生产多晶硅。
[0009]根据本专利技术具体实施方式的利用高硅含铝资源生产金属铝的和多晶硅方法，所述方法包括以下步骤：
[0010]步骤(1)：高硅含铝资源通过预处理工艺得到铝硅氧化料；
[0011]步骤(2)：以所述铝硅氧化料为电解原料，在双室电解槽中通过熔盐电解法制备金属铝和铜铝硅合金；
[0012]步骤(3)：取出所述铜铝硅合金并置于单室电解槽内，通过熔盐电解法制备铝硅合金或/和多晶硅。
[0013]根据本专利技术具体实施方式的利用高硅含铝资源生产金属铝和多晶硅的方法，步骤(1)中，所述高硅含铝资源中Al2O3/SiO2的质量比为1：(0.5～7)，所述高硅含铝资源包括高硅铝土矿、粉煤灰、煤矸石、高岭土、明矾石中一种或多种；所述铝硅氧化料中Al2O3与SiO2的含量之和≥90.0wt％，且Al2O3的含量≥40.0wt％，SiO2的含量≥0.1wt％。
[0014]根据本专利技术具体实施方式的利用高硅含铝资源生产金属铝和多晶硅的方法，步骤(1)中，所述预处理工艺的目的在于提高硅含铝资源中的Al2O3+SiO2的含量，减少伴生的Fe、Ti、Na等杂质含量，按处理试剂性质可分为碱法预处理工艺、酸法预处理工艺或酸碱联合法预处理工艺，具体方式多种多样，难以一一例举，以下仅简单说明：
[0015]所述碱法预处理工艺包括：高硅含铝资源(特别是铝土矿等天然矿物)通过石灰石烧结法、碱石灰烧结法、预脱硅
‑
碱石灰烧结法、预脱硅
‑
苛性钠浸出法等方法得到的铝酸钠碱性浸出液，然后通过晶种分解、煅烧分解等工序得到铝硅氧化料。碱法预处理工艺的特点为无需对碱性浸出液进行石灰深度脱硅处理，可减少石灰的使用和脱硅渣的产生，同时保留部分SiO2在铝硅氧化料中。
[0016]所述酸法工艺预处理包括：高硅含铝资源与无机强酸(盐酸、硫酸或硝酸)通过常压浸出、加压浸出或焙烧
‑
浸出等途径得到含铝酸性浸出液，从浸出液中浓缩结晶析出铝盐(氯化铝、硫酸铝或硝酸铝)，再通过煅烧得到氧化铝物料，氧化铝物料再配入一些酸浸渣(主要为SiO2)得到铝硅氧化料。酸法工艺的特点在于无需对酸性浸出液进行深度除铁/除钙处理，可避免生产效率较低的离子交换树脂的使用；
[0017]对于Al2O3+SiO2本身含量较高的高硅含铝资源，例如粉煤灰，可省去预处理步骤，或者经过简单碱洗/酸洗除杂即可作为铝硅氧化料送入双室电解槽。
[0018]根据本专利技术具体实施方式的利用高硅含铝资源生产金属铝和多晶硅的方法，步骤(2)中，所述双室电解槽分为阳极室和阴极室，用以将阳极电解质与阴极电解质进行物理分隔，所述阳极室设有阳极，所述阴极室设有阴极，所述双室电解槽的底部还盛有铜铝合金，且铜铝合金分别与阳极电解质、阴极电解质接触；在通电运行条件下，向所述阳极室投入铝硅氧化料，在所述阴极室得到金属铝，所述双室电解槽底部的铜铝合金转变为铜铝硅合金；
[0019]双室电解槽中反应原理可概括为：在阳极室，向阳极电解质中加入铝硅氧化料，阳极上发生氧化反应并析出气体，阳极室的铝离子(溶解态和/或非溶解态)和硅离子(溶解态和/或非溶解态)在阳极电解质和铜铝合金界面分别被还原为铝原子和硅原子并进入液态
的铜铝合金之中；在阴极室，铜铝合金的铝原子在阴极电解质和铜铝合金界面放电形成铝离子并进入阴极电解质之中，阴极电解质中的铝离子被还原为铝原子，形成金属铝液，并浮于阴极电解质之上。随着电解过程的持续进行，铜铝合金中不断富集了硅，逐渐转变为铜铝硅合金。
[0020]根据本专利技术具体实施方式的利用高硅含铝资源生产金属铝和多晶硅的方法，步骤(2本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.利用高硅含铝资源生产金属铝和多晶硅的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：步骤(1)：高硅含铝资源通过预处理工艺得到铝硅氧化料；步骤(2)：以所述铝硅氧化料为电解原料，在双室电解槽中通过熔盐电解法制备金属铝和铜铝硅合金；所述双室电解槽分为阳极室和阴极室，用以将阳极电解质与阴极电解质进行物理分隔，所述阳极室设有阳极，所述阴极室设有阴极，所述双室电解槽的底部还盛有铜铝合金，且铜铝合金分别与阳极电解质、阴极电解质接触；在通电运行条件下，向所述阳极室投入铝硅氧化料，在所述阴极室得到金属铝，所述双室电解槽底部的铜铝合金转变为铜铝硅合金；步骤(3)：取出所述铜铝硅合金并置于单室电解槽内，通过熔盐电解法制备铝硅合金或/和多晶硅；所述单室电解槽中，底层熔体为铜铝硅合金阳极，中层熔体为精炼电解质，上层熔体为铝液阴极；在通电运行条件下，铜铝硅合金中的Al和Si被氧化并进入到精炼电解质中，在铝液阴极处还原得到铝硅合金或/和多晶硅。2.根据权利要求1所述的利用高硅含铝资源生产金属铝和多晶硅的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述高硅含铝资源中Al2O3/SiO2的质量比为1：0.5～7，所述高硅含铝资源包括高硅铝土矿、粉煤灰、煤矸石、高岭土、明矾石中一种或多种；所述铝硅氧化料中Al2O3与SiO2的含量之和≥90.0％，且Al2O3的含量≥40.0％，SiO2的含量≥0.1％。3.根据权利要求1所述的利用高硅含铝资源生产金属铝和多晶硅的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述阳极为碳素阳极或惰性阳极，所述阴极为石墨、铝、TiB2/C中的一种或多种复合。4.根据权利要求1所述的利用高硅含铝资源生产金属铝和多晶硅的方法法，其特征在于，步骤(2)中，所述阳极电解质为氟化物体系或氯化物体系；所述氟化物体系包括60～90wt％冰晶石、5～25wt％AlF3、1～5wt％Al2O3和0～15wt％的添加剂；所述冰晶石为Na3AlF6、Li3AlF6、K3AlF6中的一种或多种，所述添加剂为LiF、NaF、KF、CaF2、MgF2、BaF2中的一种或多种；所述阳极电解质为氯化物体系，所述氯化物体系为CaCl2，或者所述氯化物体系由CaCl2与NaCl、KCl、BaCl2、CaF2、LiCl、CaO中的一种或多种组成。5.根据权利要求1所述的利用高硅含铝资源生产金属铝和多晶硅的方法...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵中伟，
申请(专利权)人：郑州大学，
类型：发明
国别省市：