楊亮華

(國(guó)家電投山西鋁業(yè)有限公司,山西 原平 034100)

中國(guó)鋁土礦年開采量已經(jīng)達(dá)到世界年開采總量的29%,開采水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于儲(chǔ)量保有水平,尤其是隨著近年來氧化鋁行業(yè)的高速發(fā)展,過度開采和生產(chǎn)加工致使中國(guó)鋁土礦資源日趨匱乏,資源保有儲(chǔ)量快速下降,按照目前氧化鋁產(chǎn)能推算,中國(guó)鋁土礦的靜態(tài)保障年限不足10年,高品質(zhì)鋁土礦供給矛盾更加突出。隨著國(guó)家對(duì)國(guó)內(nèi)鋁土礦開采政策的收緊,國(guó)內(nèi)鋁土礦供應(yīng)量持續(xù)下降,而氧化鋁新建產(chǎn)能不斷釋放,導(dǎo)致國(guó)內(nèi)鋁土礦供需矛盾愈發(fā)突出,對(duì)海外鋁土礦資源的依存度持續(xù)上升,進(jìn)口鋁土礦數(shù)量逐年增長(zhǎng)[1]。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示,2022年中國(guó)鋁土礦進(jìn)口數(shù)量上漲至12 547萬噸,同比上漲16.97%;同時(shí)鋁土礦進(jìn)口來源地主要集中在幾內(nèi)亞、澳大利亞和印尼三個(gè)國(guó)家,占總進(jìn)口量的94%以上,呈現(xiàn)三足鼎立的局面;其中幾內(nèi)亞是我國(guó)最大的鋁土礦單一來源國(guó),2022年由幾內(nèi)亞進(jìn)口鋁土礦7 035萬噸,占到我國(guó)進(jìn)口鋁土礦數(shù)量的56%,所以如何更好的使用幾內(nèi)亞鋁土礦是眾多使用進(jìn)口鋁土礦企業(yè)共同的課題[2]。

目前國(guó)內(nèi)使用低硅幾內(nèi)亞鋁土礦的氧化鋁企業(yè)所采用的工藝有低溫溶出和高溫溶出,以低溫為主,企業(yè)的最佳工藝還需要結(jié)合自身的工藝設(shè)計(jì)、地域原料價(jià)格以及用礦結(jié)構(gòu)綜合確定。本文主要是基于該企業(yè)同時(shí)采用低溫溶出和高溫溶出處理低硅幾內(nèi)亞鋁土礦的生產(chǎn)實(shí)踐所進(jìn)行的對(duì)比分析。

1 幾內(nèi)亞鋁土礦主要化學(xué)及物相組成

幾內(nèi)亞鋁土礦儲(chǔ)量達(dá)74億噸,占全球總儲(chǔ)量的26.4%,排名世界第一[3]。主要分布在福里亞(Fria)、金迪亞(Kindia)、博凱(Boké)、拉貝(Labé)、高瓦爾(Gaoual)以及圖蓋(Tougué)等地區(qū)[4],不同礦區(qū)的鋁土礦差異較大,其氧化鋁含量35%～52%、二氧化硅1.5%～9%之間不等,本文主要研究低硅幾內(nèi)亞鋁土礦的溶出性能[5],其化學(xué)和物相組成如表1和表2所示。

表1 低硅幾內(nèi)亞鋁土礦化學(xué)組成 %

表2 低硅幾內(nèi)亞鋁土礦物相組成 %

從表1化學(xué)成分分析可以看出,該幾內(nèi)亞礦屬于低鋁、低硅、高鐵型鋁土礦,從表2物相成分分析看,主要含三水鋁石和鋁針鐵礦,還含有部分一水軟鋁石和高嶺石。不同的礦物溶出性能各不相同,一般來說,三水鋁石在150℃以下的溶出溫度即可溶出,一水軟鋁石則需要加熱至235～250℃,而鋁針鐵礦更是需要采用260℃以上的反應(yīng)溫度,具體采用什么溶出條件,要結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際確認(rèn),選擇最佳的溶出溫度來達(dá)到最好經(jīng)濟(jì)性。

2 現(xiàn)場(chǎng)工藝設(shè)備流程

鋁土礦經(jīng)汽車運(yùn)輸入廠,或通過火車翻車機(jī)翻卸后經(jīng)皮帶輸送至原料堆場(chǎng)或直接進(jìn)入生產(chǎn)流程;鋁土礦、循環(huán)母液按比例進(jìn)入由棒磨、球磨和水力旋流器組成的兩段閉路磨礦分級(jí)系統(tǒng);合格礦漿經(jīng)單套管預(yù)熱器加熱后送入預(yù)脫硅槽停留8小時(shí),出料配入適量循環(huán)堿液由高壓隔膜泵送入溶出系統(tǒng),經(jīng)套管預(yù)熱器、壓煮器加熱至溶出溫度,停留溶出60分鐘后,高溫料漿經(jīng)多級(jí)自蒸發(fā)器閃蒸降溫降壓、稀釋后在Φ42 m大型平底分離沉降槽內(nèi)進(jìn)行液固分離,底流進(jìn)入由Φ42 m大型平底沉降槽和Φ20 m高效深錐沉降槽組成的四次赤泥逆流洗滌系統(tǒng),末次洗滌槽底流用隔膜泵送往赤泥堆場(chǎng)壓濾,濾餅送至堆場(chǎng)進(jìn)行干法堆存,分離沉降槽溢流送控制過濾;合格精液經(jīng)精母換熱降溫、添加晶種分解及水力旋流器分級(jí),粗顆粒氫氧化鋁料漿送成品過濾,洗滌后氫氧化鋁經(jīng)氣態(tài)懸浮焙燒爐脫水得到氧化鋁產(chǎn)品,通過汽車和鐵路發(fā)往下游用戶。

3 高溫溶出與低溫溶出工藝對(duì)比

3.1 礦石特性差異

生產(chǎn)中通常首先是根據(jù)鋁土礦中主要氧化鋁物相的類型來選擇合適的溶出工藝制度以達(dá)到最佳的溶出效果,對(duì)于以三水鋁石、一水軟鋁石和一水硬鋁石為主要氧化鋁物相構(gòu)成的鋁土礦,三水鋁石型一般采取低溫溶出,一水硬鋁石型采用高溫溶出,而一水軟鋁石混合型溶出溫度介于二者之間,其常見的溶出工藝條件如表3所示。

表3 三種類型鋁土礦溶出工藝條件對(duì)比

3.2 生產(chǎn)運(yùn)行差異

3.2.1 工藝條件

氧化鋁的溶出率是氧化鋁生產(chǎn)中非常重要的工藝指標(biāo),而溶出率與溶出溫度、溶出時(shí)間、苛性堿濃度、礦石粒度以及攪拌強(qiáng)度等因素密切相關(guān),對(duì)于企業(yè)所采用的低硅幾內(nèi)亞鋁土礦,低溫溶出工藝和高溫溶出工藝的工藝條件對(duì)比如表4所示。

表4 工藝條件對(duì)比

由表4可知,采用高溫溶出工藝時(shí),不僅可以得到更高的溶出率,而且還可縮短溶出時(shí)間,提高溶出液Rp值,生產(chǎn)效率更高。

3.2.2 消耗指標(biāo)

兩種不同的溶出溫度在處理目標(biāo)鋁土礦時(shí),采用高溫溶出工藝礦耗略低;堿耗、汽耗、工藝電耗、工藝水耗均略高;焙燒燃料耗、循環(huán)水耗、壓縮空氣耗相差不大[6]。

3.2.3 裝備差異

低溫溶出采用離心泵喂料,而高溫溶出需要設(shè)置高壓隔膜泵,溶出喂料部分的電耗略高一些。

高溫溶出預(yù)熱和加熱套管面積大,自蒸發(fā)器數(shù)量多;高溫溶出閃蒸量大,可以加入更多的赤泥洗水提高洗滌效果,或降低系統(tǒng)蒸發(fā)量。

綜上所述,采用高溫溶出工藝可以縮短溶出時(shí)間,提高溶出液Rp值,改善赤泥沉降性能,減少氧化鋁水解損失;但堿耗、汽耗、工藝電耗、工藝水耗等方面略高于低溫溶出工藝,溶出部分的設(shè)備投入相對(duì)也較多。

4 關(guān)鍵生產(chǎn)指標(biāo)對(duì)比

該企業(yè)在使用進(jìn)口礦過程中一直在不斷探索最佳工藝,針對(duì)低硅幾內(nèi)亞鋁土礦不配石灰的條件下,分別按照140～145℃低溫溶出和260～265℃高溫溶出組織生產(chǎn),并對(duì)關(guān)鍵生產(chǎn)指標(biāo)進(jìn)行了對(duì)比分析。

4.1 有機(jī)物

4.1.1 轉(zhuǎn)化率

礦石中有機(jī)碳TOC在不同溶出條件下的轉(zhuǎn)化情況見表5。

表5 不同溶出溫度下的有機(jī)物轉(zhuǎn)化率

從表5數(shù)據(jù)可以看出,礦石中的總有機(jī)碳TOC含量為0.2%,在低溫溶出下TOC的轉(zhuǎn)化率為40%、草酸鹽的轉(zhuǎn)化率為20%;高溫溶出下TOC的換化率為50%、草酸鹽的轉(zhuǎn)化率為50%,轉(zhuǎn)化率的差異主要是由于系統(tǒng)中的有機(jī)物多次經(jīng)過高壓溶出時(shí),高分子化合物降解成低分子化合物,最后形成草酸鈉、碳酸鈉或其他低分子鈉鹽所致。

4.1.2 精液草酸根濃度

某氧化鋁企業(yè)一期工程使用國(guó)內(nèi)鋁土礦高溫溶出工藝,二期工程使用低硅幾內(nèi)亞鋁土礦兩條生產(chǎn)線采用高溫溶出工藝、兩條生產(chǎn)線采用低溫溶出工藝,分別統(tǒng)計(jì)了二期工程高溫溶出生產(chǎn)系統(tǒng)和低溫溶出生產(chǎn)系統(tǒng)的精液中草酸根的濃度變化情況,如圖1所示。

圖1 精液草酸根變化趨勢(shì)

由圖1可知,低溫溶出由于溶液中的草酸鹽轉(zhuǎn)化率低,在同等排出能力條件下,系統(tǒng)中的草酸根濃度上漲緩慢,從月初的1.26上漲至月底1.49 g/L,全月上漲0.23 g/L;同期高溫溶出生產(chǎn)系統(tǒng)中草酸鹽上漲幅度較大,由1.20上漲至1.81 g/L,全月上漲0.61 g/L,濃度增加值是低溫溶出的2.65倍。

4.1.3 AH表面析出草酸根

分別統(tǒng)計(jì)了二期工程高溫溶出生產(chǎn)系統(tǒng)和低溫溶出生產(chǎn)系統(tǒng)的立盤氫氧化鋁表現(xiàn)草酸鹽的析出量變化情況,如圖2所示。

圖2 立盤濾餅表面草酸鹽變化趨勢(shì)

由圖2可知,低溫溶出由于TOC向溶液中草酸鹽的轉(zhuǎn)化率低,在同等排出能力條件下,系統(tǒng)中的草酸鹽濃度上漲速度低于高溫溶出,而溶液中的草酸鹽濃度越高析出量越大,低溫溶出氫氧化鋁表面草酸鹽析出量從月初的194上漲至月底226 g/t-AH,全月上漲32 g/t-AH;高溫溶出氫氧化鋁表面草酸鹽析出量從月初170上漲至350 g/t-AH,全月上漲180 g/t-AH,漲幅是低溫溶出的5.6倍。氫氧化鋁表面草酸鹽析出量越大,越容易造成分解槽泡沫厚度增加,同時(shí)也會(huì)造成產(chǎn)品粒度控制難度加大。

4.2 關(guān)鍵指標(biāo)

4.2.1 溶出率與赤泥N/S

不同溶出條件下,實(shí)際溶出率、凈溶出率以及赤泥N/S數(shù)據(jù)如表6所示。

表6 不同溶出條件下的溶出率與赤泥N/S

由表6可知,由于一水軟鋁石、鋁針鐵礦在低溫條件下不與堿反應(yīng),在高溫條件下才與堿發(fā)生溶出反應(yīng);高溫溶出相比于低溫溶出提高氧化鋁實(shí)際溶出率約6%,折算凈溶出率高約7.5%,折算為礦耗低約0.26 t/t-Al2O3,同時(shí)改善了赤泥沉降性能,減少了氧化鋁的水解損失;以石英相存在的硅在低溫溶出條件下呈惰性,不與堿發(fā)生反應(yīng),在高溫條件下與堿反應(yīng)生成鈉硅渣,造成高溫溶出赤泥較低溫赤泥赤泥N/S高0.3,折百堿耗約高18 kg/t-Al2O3。

4.2.2 生產(chǎn)效率與產(chǎn)品質(zhì)量

由于礦石化學(xué)組成中全硅含量只有3%,物相組成中高嶺石只有2.8%,在實(shí)際生產(chǎn)過程中精液硅量指數(shù)的控制是生產(chǎn)主要難點(diǎn)之一,較低的硅量指數(shù)既容易造成氧化鋁產(chǎn)品二氧化硅含量超標(biāo),又會(huì)使換熱設(shè)備表面的結(jié)疤速度加快、能耗升高、生產(chǎn)穩(wěn)定性差。比較了不同溶出條件下生產(chǎn)效率與產(chǎn)品中硅含量的差異如表7所示。

表7 不同溶出條件下的生產(chǎn)效率與產(chǎn)品質(zhì)量

精液硅量指數(shù)的高低與循環(huán)母液Nk、預(yù)脫硅和溶出條件、稀釋脫硅時(shí)間、精液濃度等因素直接相關(guān)。較低的循環(huán)母液Nk雖然可以得到較高的硅量指數(shù),但也會(huì)降低系統(tǒng)的生產(chǎn)效率;石英硅在260℃溶出條件下與堿發(fā)生反應(yīng)生成鈉硅渣,與高嶺石的反應(yīng)產(chǎn)物相同,均可以作為種子促進(jìn)溶液脫硅,提高了精液的硅量指數(shù),進(jìn)而為提高循環(huán)母液濃度創(chuàng)造了條件,得到了更高的生產(chǎn)效率,高溫溶出較低溫溶出循環(huán)效率提高25 kg/m3,同時(shí)產(chǎn)品中的二氧化硅含量也下降了0.013%。

4.3 赤泥沉降性能

不同溶出條件下,赤泥沉降性能數(shù)據(jù)如表8所示。

表8 不同溶出條件下的赤泥沉降性能

一水軟鋁石和鋁針鐵礦無法在低溫溶出條件下反應(yīng),造成赤泥量增加,再加上鋁針鐵礦分散很高,比表面積很大,在沉降過程溶液被強(qiáng)烈地吸附在鋁針鐵礦細(xì)分散粒子表面,使得赤泥的沉降和壓縮性能變差,進(jìn)而造成運(yùn)行過程中沉降槽的泥層和扭拒控制難度增大,赤泥附液相關(guān)的堿和氧化鋁損失增大,沉降槽容易發(fā)生事故中斷生產(chǎn)。高溫溶出創(chuàng)造了一水軟鋁石和鋁針鐵礦的反應(yīng)條件,使針鐵礦轉(zhuǎn)化為性能更好的赤鐵礦,很好的解決了低溫溶出沉降槽不穩(wěn)定的問題,扭拒波動(dòng)值下降50%、附液損失下降60%。

4.4 主要消耗成本對(duì)比

企業(yè)各項(xiàng)原料及中間產(chǎn)品價(jià)格如表9所示。

兩種溶出條件下消耗指標(biāo)與運(yùn)行成本對(duì)比如表10所示。

從表10數(shù)據(jù)可知,高溫溶出相比低溫溶出,礦耗和赤泥產(chǎn)出率降低,堿耗、電耗、汽耗和產(chǎn)能增加,由于高溫溶出條件下現(xiàn)有系統(tǒng)生產(chǎn)能力增加,固定成本下降,在企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)狀價(jià)格體系下,高溫溶出工藝較低溫溶出工藝可實(shí)現(xiàn)降本約53元/t-Al2O3,經(jīng)濟(jì)效益顯著。

5 結(jié) 論

根據(jù)對(duì)低硅幾內(nèi)亞鋁土礦采取高溫溶出和低溫溶出的生產(chǎn)實(shí)踐表明,兩種工藝各有優(yōu)劣,礦石特性是確定溶出工藝的基礎(chǔ)條件,低硅幾內(nèi)亞鋁土礦,按照高溫溶出條件處理有如下優(yōu)勢(shì):

(1) 高溫溶出較低溫溶出可降低生產(chǎn)成本約53元/t-Al2O3;

(2) 高溫溶出較低溫溶出可以促進(jìn)鋁針鐵礦向赤鐵礦轉(zhuǎn)化,改善了赤泥沉降性能,沉降槽穩(wěn)定性更好,沉降槽扭拒波動(dòng)值下降50%、附液損失下降60%;

(3) 高溫溶出較低溫溶出,生產(chǎn)效率更高,循環(huán)效率可提高25 kg/m3,氧化鋁產(chǎn)品雜質(zhì)更低,二氧化硅含量下降0.013%。