水分對氟化鋁生產(chǎn)的影響探析

韓世軍

(多氟多化工股份有限公司，河南 焦作 454006)

?生產(chǎn)與實(shí)踐?

水分對氟化鋁生產(chǎn)的影響探析

韓世軍

(多氟多化工股份有限公司，河南 焦作 454006)

通過氫氧化鋁水分的變化，以及在無水氟化鋁生產(chǎn)過程中的反應(yīng)特性進(jìn)行分析對比，結(jié)合氫氧化鋁水分平衡計(jì)算，根據(jù)無水氟化鋁生產(chǎn)過程中造成的控制影響分析，提出了氫氧化鋁的指標(biāo)及管理要求，以確保生產(chǎn)的連續(xù)穩(wěn)定。

氫氧化鋁 ; 水分 ; 氟化鋁 ; 生產(chǎn)影響

氟化鋁作為鋁電解時(shí)電解質(zhì)的重要組成部分，是調(diào)整電解質(zhì)分子比、控制電解過程熱平衡的重要手段，是電解鋁工業(yè)必不可少的原料。隨著鋁電解技術(shù)的發(fā)展，加之全民環(huán)保意識的增強(qiáng)和國家對有害氣體排放標(biāo)準(zhǔn)的提高，電解鋁工業(yè)對氟化鋁產(chǎn)品的理化性能提出了新的要求：制造成本低，水分和雜質(zhì)含量低、容重大、流動(dòng)性能好的氟化鋁產(chǎn)品備受市場的青睞。其原料氫氧化鋁為白色粉末狀或砂狀晶體?；瘜W(xué)式Al(OH)3，密度2.42 kg/L，在300 ℃時(shí)失水生成氧化鋁。氫氧化鋁難溶于水，是典型的兩性氫氧化物，溶于酸生成鋁鹽，溶于強(qiáng)堿生成偏鋁酸鹽。經(jīng)過適當(dāng)處理的氫氧化鋁的表面有許多毛細(xì)孔，具有強(qiáng)吸附性。氫氧化鋁水分主要由生產(chǎn)及保管過程中的附著水以及分子間的結(jié)晶水組成。

1 流化床工藝簡述

無水氟化鋁主要是原料濕氫氧化鋁在高溫狀態(tài)下與濃度99%的氟化氫氣體在高膨脹流化床內(nèi)發(fā)生氣固反應(yīng)，反應(yīng)式表示如下：

AlF3(s)+3H2O(g)

高膨脹流化床反應(yīng)器，氣固分布均勻，混合效果好，反應(yīng)轉(zhuǎn)化率高，床內(nèi)氣體流速快，固體物料易被氣流帶出，氫氧化鋁物料在流化床內(nèi)主要依靠羅茨風(fēng)機(jī)正壓鼓風(fēng)充分流化，高溫?zé)釟饬髟谝患墯饬鞣磻?yīng)器內(nèi)利用反應(yīng)熱將濕氫氧化鋁的水分除掉，從氟化鋁反應(yīng)器頂部床層帶出的固體粉塵再經(jīng)過二級和三級氣流反應(yīng)器充分反應(yīng)后返回流化床內(nèi)，充分提高原料的利用率，氟化鋁產(chǎn)品從流化床的底部床層排出。

2 氫氧化鋁脫水過程

氫氧化鋁的脫水和相變是非常復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)，盡管有許多研究，至今仍存在不少分歧。主要原因在于原始?xì)溲趸X的制取方法、粒度大小、雜質(zhì)種類及其含量以及焙燒條件不同，使脫水和相變的具體進(jìn)程也隨之而異。 總體來講可分為以下幾個(gè)變化過程。

2.1附著水的脫除

工業(yè)生產(chǎn)氫氧化鋁含有8%～12%的附著水，該水分在100～110 ℃時(shí)，就可全部蒸發(fā)掉，成為不帶附著水的干氫氧化鋁。

2.2結(jié)晶水的脫除

研究資料表明，氫氧化鋁開始脫水溫度在130～190 ℃。氫氧化鋁的脫水過程有3個(gè)吸熱反應(yīng)，依次脫出 0.5、1.5、1個(gè)水分子，生成的一水軟鋁石為中間產(chǎn)物。阿爾廖克利用多種方法研究工業(yè)氫氧化鋁的脫水過程后指出：在脫水第一階段(180～220 ℃)脫出約0.5個(gè)水分子，在第二階段(220～420 ℃)脫出約2個(gè)分子水，第三階段脫出約 0.4個(gè)分子水。種分產(chǎn)品在一、三階段脫出的水分稍多于碳分產(chǎn)品，而在第二階段則相反。在動(dòng)態(tài)條件下，從600 ℃加熱到1 050 ℃的脫水產(chǎn)物中仍殘留有0.05～0.1個(gè)水分子。

3 氫氧化鋁水分的影響

氫氧化鋁所含水分偏高時(shí)，一方面使得物料的流動(dòng)性較差易出現(xiàn)黏、堵現(xiàn)象。主要體現(xiàn)在對大傾角皮帶、料倉、申克稱的黏堵，使其庫容減少下料不暢，在斜螺旋輸送過程中造成物料斷料及輸送困難，從而直接影響到配料及喂料的準(zhǔn)確性。另一方面是含水量偏高極易造成微細(xì)粉結(jié)團(tuán)現(xiàn)象，不能發(fā)揮出應(yīng)有的性能特點(diǎn)，在其進(jìn)入一級氣流反應(yīng)器時(shí)，不能及時(shí)打散，直接掉入流化床頂床，從而堵塞頂床篩板，降低流化床反應(yīng)效率，從而影響產(chǎn)量及質(zhì)量。

3.1對生產(chǎn)配比的影響

無水氟化鋁生產(chǎn)用氫氧化鋁配比計(jì)算時(shí)，氫氧化鋁按折干進(jìn)行推算氫氟酸的含量。從生產(chǎn)實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)來看，氫氧化鋁水分每增加1%的量，氫氟酸消耗就相應(yīng)增加10%左右。這主要是由于生產(chǎn)系統(tǒng)的連續(xù)性較強(qiáng)，水分的影響容易造成配比的失調(diào)，從而導(dǎo)致制備產(chǎn)品的過程中副反應(yīng)的發(fā)生，以致后續(xù)氟化鋁中的氟含量偏低。

3.2水解反應(yīng)對設(shè)備的腐蝕

由于氟化鋁本身的晶體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，非常容易與水結(jié)合成難以分離的結(jié)晶水合物。通過AlF3晶體結(jié)構(gòu)分析，氟化鋁結(jié)晶水合物在流化床反應(yīng)系統(tǒng)中會(huì)發(fā)生兩步脫水反應(yīng)及脫水產(chǎn)物的水解反應(yīng)三個(gè)反應(yīng)過程：

第一階段脫去2.5個(gè)結(jié)晶水 (106～223 ℃)

第二階段脫除0.5個(gè)結(jié)晶水(223～548 ℃)

第三階段脫水的同時(shí)會(huì)發(fā)生脫水產(chǎn)物的水解 (300 ℃以后 )

這是由于在不同的配位狀態(tài)下，氟離子與氧離子的半徑十分接近，氟氧相互取代導(dǎo)致了水解反應(yīng)的發(fā)生。氟化鋁的水解反應(yīng)不僅增加了生產(chǎn)過程中無水氟化氫的消耗量，進(jìn)入生產(chǎn)系統(tǒng)的水分越高，發(fā)生水解反應(yīng)的幾率越大，而且在反應(yīng)后續(xù)系統(tǒng)中釋放出的氟化氫還會(huì)對設(shè)備造成強(qiáng)腐蝕，大大縮短設(shè)備的使用壽命，同時(shí)造成洗水系統(tǒng)負(fù)荷增大，在洗滌回收不徹底的情況下污染環(huán)境。

3.3生產(chǎn)熱能的損耗

對于生產(chǎn)熱能的損耗，現(xiàn)按照5.6 t/h氫氧化鋁的下料量進(jìn)行推算得出，氫氧化鋁含水每增加1%，則系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生的水分總含量增加17%～18%，折合需要的熱量相應(yīng)也增加17%～18%，天燃?xì)庀脑黾?3%～15%。這系統(tǒng)內(nèi)多余增加的水分容易造成系統(tǒng)物料在高溫情況下水解，并稀釋氫氟酸濃度造成反應(yīng)不充分，更會(huì)對設(shè)備造成一定的損害。

3.4季節(jié)性差距較大

北方冬季氣溫較低，氫氧化鋁水分含量超過4%以后，容易出現(xiàn)上凍結(jié)塊現(xiàn)象，造成大傾角皮帶上料難度增大，同時(shí)在斜螺旋輸送過程中造成物料斷料及輸送困難，從而直接影響到配料及喂料的準(zhǔn)確性。另一方面是含水量偏高凍塊，在其進(jìn)入一級氣流反應(yīng)器時(shí)，不能及時(shí)打散，不能發(fā)揮出應(yīng)有的性能特點(diǎn)，直接掉入流化床頂床，從而堵塞頂床篩板，造成流化床壓力波動(dòng)大，降低流化床反應(yīng)效率，從而影響產(chǎn)量及質(zhì)量。因此，對于水分的影響要引起足夠的重視。

3.5產(chǎn)品質(zhì)量

下游電解鋁行業(yè)生產(chǎn)對氟化鋁要求，高主含量、低雜質(zhì)、低水分、低灼減量，以便減少電解過程中電解質(zhì)的水解反應(yīng)，提高電解鋁的質(zhì)量；同時(shí)還要求氟化鋁具有較好的流動(dòng)性，以滿足自動(dòng)卸料輸送的需要，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，對比國家氟化鋁的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4292-2007(見表1)，電解鋁行業(yè)傾向使用AF-O產(chǎn)品。如果氫氧化鋁水分過高的話，所得氟化鋁產(chǎn)品中松裝密度會(huì)偏低，產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域會(huì)受限。

表1 氟化鋁的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)GB/T4292-2007

4 結(jié)論

以低碳經(jīng)濟(jì)為代表的全球新一輪的工業(yè)革命，將迫使氟化鋁技術(shù)必然向以下方向發(fā)展：資源利用率高、生產(chǎn)過程污染物的產(chǎn)生量和排放量少，產(chǎn)品質(zhì)量能夠促進(jìn)下游行業(yè)的節(jié)能減排；作為氟化鋁專用的氫氧化鋁,附著水指標(biāo)必須達(dá)到附著水lt;4，并在堆放過程中加強(qiáng)管理，防止外部水分影響，降低氫氧化鋁附著水分，可以進(jìn)一步增強(qiáng)系統(tǒng)生產(chǎn)配比的可控性，防止氟化鋁產(chǎn)品的水解，降低員工的操作難度，保障生產(chǎn)系統(tǒng)穩(wěn)定連續(xù)的運(yùn)行，從而創(chuàng)造出更多的價(jià)值。

TQ124.3

B

1003-3467(2017)10-0031-02

2017-07-08

韓世軍(1967-)，男，高級技師，從事氟化工研究工作，電話：0391-2803009，E-mail: hsj6662@126.com。