孫 津

(沈陽鋁鎂設(shè)計(jì)研究院有限公司,遼寧 沈陽 110001)

鋁土礦在經(jīng)過溶出之后,形成鋁酸鈉溶液與赤泥的混合料漿。料漿經(jīng)稀釋后進(jìn)入赤泥沉降分離洗滌工序,在分離槽中,鋁酸鈉溶液與赤泥進(jìn)行分離,鋁酸鈉溶液進(jìn)入下一步生產(chǎn)工序用于生產(chǎn)氧化鋁。在洗滌槽中,赤泥經(jīng)過數(shù)次逆流洗滌,降低赤泥附液中Al2O3與Na2O的濃度,從而降低由于赤泥外排而損失的附液中的Al2O3與Na2O,從而提高氧化鋁回收率,降低堿耗,減少對(duì)環(huán)境的影響。

傳統(tǒng)的赤泥分離洗滌工藝,稀釋料漿在分離槽中會(huì)發(fā)生一定程度的水解,隨著赤泥排出生產(chǎn)系統(tǒng),造成一定量的氧化鋁損失。本文提出一種新的工藝流程,以期減少這方面的損失。

1 工藝流程介紹

1.1 傳統(tǒng)赤泥分離洗滌工藝

鋁土礦在經(jīng)過原料磨制,溶出工序之后,形成鋁酸鈉溶液與赤泥的混合料漿?；旌狭蠞{在礦漿稀釋槽中與赤泥沉降分離洗滌工序來的一次洗液混合,之后經(jīng)由泵將稀釋料漿打入赤泥沉降分離洗滌工序的分離槽。在分離槽中,鋁酸鈉溶液與赤泥進(jìn)行固液分離,溢流進(jìn)入鋁酸鈉溶液精濾工序精制,得到的精液用于分解生產(chǎn)氧化鋁;底流與二洗沉降槽的溢流混合進(jìn)入一洗沉降槽進(jìn)行固液分離。一洗沉降槽的溢流即一次洗液,送到礦漿稀釋槽稀釋溶出后料漿;底流與三洗沉降槽的溢流混合進(jìn)入二洗沉降槽進(jìn)行固液分離,以此類推,最終次末洗沉降槽的底流與熱水站來的赤泥洗水混合進(jìn)入末洗沉降槽進(jìn)行固液分離,溢流進(jìn)入次末洗沉降槽,底流經(jīng)由赤泥外排泵房打到赤泥堆場(chǎng),經(jīng)壓濾后進(jìn)入堆場(chǎng)堆存,工藝流程見圖1。

圖1 傳統(tǒng)赤泥分離洗滌工藝流程圖

1.2 新型赤泥分離洗滌工藝

鋁土礦在經(jīng)過溶出之后,形成鋁酸鈉溶液與赤泥的混合料漿。與傳統(tǒng)赤泥分離洗滌工藝不同的是,溶出后料漿不經(jīng)過稀釋,直接進(jìn)入赤泥沉降分離洗滌工序。在分離槽中,鋁酸鈉溶液與赤泥進(jìn)行固液分離,溢流進(jìn)入葉濾機(jī)精制,精液用于生產(chǎn)氧化鋁。一洗沉降槽中的溢流部分即一次洗液,與分離溢流分別單獨(dú)進(jìn)入鋁酸鈉溶液精濾工序,精制后同樣用于生產(chǎn)氧化鋁,底流處理方式與傳統(tǒng)赤泥分離洗滌工藝相同,工藝流程見圖2。

圖2 新型赤泥分離洗滌工藝流程圖

2 不同的工藝流程對(duì)沉降工序的影響

礦漿稀釋后,隨著溶液濃度的降低,鋁酸鈉溶液在分離槽停留的過程中會(huì)發(fā)生水解反應(yīng)(式中n=1或3):

2NaAl(OH)4+aqAl2O3·nH2O+2NaOH+aq

(1)

在處理三水鋁石型鋁土礦時(shí),由于未溶出的三水鋁石和殘留纖鐵礦起到了晶種的作用,故水解可以進(jìn)行到相當(dāng)嚴(yán)重的程度[1]。由于鋁酸鈉溶液在分離槽中的水解率目前沒有精確的公式進(jìn)行計(jì)算,根據(jù)多個(gè)工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn),水解率可達(dá)2%。但是相對(duì)的,未稀釋的礦漿中,溶出礦漿中的Na2O質(zhì)量濃度約230～250 g/L,MR為1.4～1.6,Al2O3和Na2O的質(zhì)量濃度都較高,該濃度的鋁酸鈉溶液非常穩(wěn)定,無法直接分解[2]。這就避免了鋁酸鈉溶液在分離槽中發(fā)生較大程度的水解析出氫氧化鋁,減少了Al2O3的損失。本文將進(jìn)行對(duì)比計(jì)算,從技術(shù)經(jīng)濟(jì)的角度來對(duì)兩種工藝流程進(jìn)行比較。由于目前尚未對(duì)未稀釋礦漿的水解率進(jìn)行試驗(yàn)取樣分析,所以尚不能精確提供其水解率,但可以根據(jù)化學(xué)反應(yīng)的趨勢(shì),將傳統(tǒng)工藝流程和新型工藝流程放在一起,以相同的工藝條件進(jìn)行堿損失和鋁損失的計(jì)算,進(jìn)而折算出新型工藝流程所能產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益趨勢(shì)。

2.1 計(jì)算條件

以某年產(chǎn)1000 kt氧化鋁工程為例,其主要工藝計(jì)算條件見表1。

表1 主要工藝計(jì)算條件

本文以新型工藝流程相比傳統(tǒng)工藝流程增加堿損失和降低鋁損失帶來的生產(chǎn)成本不變?yōu)榇_定計(jì)算條件的基準(zhǔn)。

2.2 赤泥分離目標(biāo)條件

稀釋礦漿在分離槽中進(jìn)行分離,鋁酸鈉溶液進(jìn)入下一工序,底流進(jìn)入洗滌槽繼續(xù)洗滌。其中赤泥分離的目標(biāo)工藝條件見表2。

表2 赤泥分離目標(biāo)條件

2.3 沉降槽設(shè)備選型

按照表1中溶出后礦漿固相流量為181 t/h,根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),分離槽的處理能力為0.3 t/(m2·h)干赤泥,洗滌槽的處理能力為0.6 t/(m2·h)干赤泥。所需分離槽面積為181/0.3=603.3 m2;所需洗滌槽面積為181/0.6=301.2 m2。根據(jù)傳統(tǒng)赤泥沉降分離洗滌流程設(shè)計(jì),按照兩臺(tái)分離槽,五級(jí)洗滌槽進(jìn)行配置,即雙分離同時(shí)進(jìn)料,五次反向洗滌的工藝流程。根據(jù)該流程計(jì)算,直徑20 m的深錐沉降槽可以滿足工藝要求,故選擇該型號(hào)的沉降槽設(shè)備。

2.4 流量計(jì)算

在確定了赤泥沉降分離洗滌的工藝流程后,根據(jù)表1和表2的計(jì)算條件,用計(jì)算軟件進(jìn)行平衡計(jì)算,可以得出各個(gè)物料的流量數(shù)據(jù)。相對(duì)稀釋后的礦漿,未稀釋的礦漿的固含、氧化鋁濃度和全堿濃度均要高一些,用等量的洗水洗滌之后,外排赤泥的附堿損失也要比稀釋后要高,兩種礦漿的具體參數(shù)見表3。

2.5 堿損失計(jì)算

赤泥沉降分離洗滌工序的損失主要為赤泥外排附堿損失和鋁酸鈉溶液水解損失。由于損失方式不同,需要分別進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算。赤泥外排附堿損失主要是隨著赤泥外排的附液中所含的堿。分離底流進(jìn)入洗滌槽,經(jīng)過數(shù)次逆向洗滌后,底流的附堿含量逐級(jí)降低,最終附堿含量主要受分離底流含堿量、赤泥洗水量、洗滌槽的底流液固比以及洗滌次數(shù)影響。本文計(jì)算采用相同的沉降槽配置,和等量的洗水,故最終末洗底流附堿的主要變量為分離底流含堿量。根據(jù)表3和表4的計(jì)算條件進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算結(jié)果見表5。

表3 兩種礦漿具體參數(shù)

表4 沉降工藝計(jì)算條件

表5 末洗底流附堿含量(以苛性鈉計(jì))

由表5可以看出,傳統(tǒng)工藝流程的稀釋礦漿由于進(jìn)入分離槽時(shí)堿濃度較低,所以末洗底流的附堿含量也較低;新型工藝流程的未稀釋礦漿由于進(jìn)入分離槽時(shí)堿濃度較高,所以末洗底流的附堿含量也較高。我國氧化鋁廠通常會(huì)使用壓濾機(jī)將末洗底流壓濾,濾液返回氧化鋁廠進(jìn)入生產(chǎn)流程,僅有濾餅排入赤泥堆場(chǎng)。國內(nèi)一般用含堿量kg/t干赤泥的標(biāo)準(zhǔn)來衡量經(jīng)由赤泥外排產(chǎn)生的堿損失。根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),壓濾濾餅的含水率約為32%,即每t干赤泥帶有320 kg的附液,故以此數(shù)據(jù)來計(jì)算各礦漿最終的外排赤泥堿損失,計(jì)算結(jié)果見表6。

表6 外排赤泥堿損失(以苛性鈉計(jì))

由表6可以看出,此時(shí)新型工藝流程的堿損失比傳統(tǒng)工藝流程略大一點(diǎn),約1269 t/a。

2.6 鋁損失計(jì)算

鋁酸鈉溶液水解損失的鋁直接影響到最終氧化鋁的產(chǎn)量。根據(jù)鋁酸鈉溶液水解公式(1)。

在分離槽發(fā)生水解產(chǎn)生的氫氧化鋁為固體,與赤泥一起從分離槽底流排出,未能進(jìn)入接下來的氧化鋁生產(chǎn)流程,這部分發(fā)生反應(yīng)的氧化鋁的量就是鋁損失量。按照上述公式進(jìn)行粗液中鋁損失量的計(jì)算,計(jì)算結(jié)果見表7。

表7 鋁損失量(以Al2O3計(jì))

從表7可以看出,此時(shí)新型工藝流程的鋁損失比傳統(tǒng)工藝流程略小,約1184 t/a。

2.7 經(jīng)濟(jì)效益計(jì)算

由于鋁酸鈉溶液水解而產(chǎn)生的鋁損失相當(dāng)可觀,如果能減少一定的鋁損失,提高氧化鋁廠的產(chǎn)能效率,進(jìn)而直接提升氧化鋁廠的投資收益。根據(jù)上文計(jì)算出的兩種工藝流程每年的堿損失和鋁損失量,結(jié)合固堿和氧化鋁的價(jià)格,計(jì)算出該新型工藝降低水解可以提高的年經(jīng)濟(jì)效益,即,將傳統(tǒng)赤泥分離洗滌工藝產(chǎn)生的堿損失和鋁損失的總值作為計(jì)算基準(zhǔn),新型赤泥分離洗滌工藝產(chǎn)生的堿損失和鋁損失的總值與傳統(tǒng)赤泥分離洗滌工藝堿損失和鋁損失的總值的差值即為新型赤泥分離洗滌工藝所提高的年經(jīng)濟(jì)效益。由于固堿的價(jià)格地域性較強(qiáng),價(jià)格波動(dòng)較大,為了方便計(jì)算比較,本文選取一個(gè)較高的價(jià)格,將固堿價(jià)格選為2800元/噸,氧化鋁價(jià)格選為3000元/噸,經(jīng)過計(jì)算可以得出當(dāng)新型工藝流程水解率達(dá)到1.9%時(shí),新工藝流程的經(jīng)濟(jì)效益就可以與傳統(tǒng)工藝持平,隨著水解率的降低,新工藝流程還可以提高更加可觀的經(jīng)濟(jì)收益。由此進(jìn)行對(duì)新型工藝流程下不同水解率和經(jīng)濟(jì)效益的期望值計(jì)算,以水解率1.9%時(shí)的收益記為0,分別計(jì)算各個(gè)水解率下的經(jīng)濟(jì)效益,計(jì)算結(jié)果見表8。

表8 新型工藝流程的經(jīng)濟(jì)效益期望

從表8可以看出新型工藝流程通過降低水解率的方式可以顯著提高經(jīng)濟(jì)效益,而且水解率降低越大,經(jīng)濟(jì)效益越高。

3 結(jié) 語

通過分析相同進(jìn)料條件下兩種赤泥分離洗滌工藝流程對(duì)堿損失、鋁損失以及經(jīng)濟(jì)效益的影響,可以得出以下結(jié)論:

(1)新型赤泥分離洗滌工藝流程的堿損失稍高于傳統(tǒng)赤泥分離洗滌流程的堿損失。

(2)新型赤泥分離洗滌工藝流程的鋁損失遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)赤泥分離洗滌流程的鋁損失。

(3)從計(jì)算結(jié)果來看,本文提出的新型赤泥沉降的工藝流程的堿損失是可以計(jì)算的,在給定的水解率差異下,鋁損失也是可以計(jì)算的。但需要對(duì)未稀釋礦漿做擴(kuò)大化試驗(yàn),驗(yàn)證未稀釋礦漿的分離效果以及在分離槽中的具體水解率。同時(shí),如果礦漿未稀釋可能對(duì)葉濾機(jī)的過濾性能有影響,可能加劇精濾流程的結(jié)疤;一次洗液需要單獨(dú)過濾,需要更多的設(shè)備,后續(xù)的工藝流程也更復(fù)雜,同時(shí)也會(huì)增加相應(yīng)投資?？梢娫谛滦凸に囅?水解率保持在一定數(shù)值時(shí),兩種工藝流程的成本持平,若水解率低于該數(shù)值,則新型工藝就能夠產(chǎn)生收益。本文只是給出了方向,具體工廠可以根據(jù)具體的實(shí)驗(yàn)結(jié)果來確定哪種流程更加經(jīng)濟(jì)。