一段法分解工藝生產砂狀氧化鋁的工業(yè)改進實踐

馬冬燦

(杭州錦江集團有限公司， 浙江 杭州 310005)

0 前言

隨著電解鋁工藝技術的發(fā)展和國家對環(huán)境保護的要求日趨嚴格，電解鋁企業(yè)對電解原料氧化鋁的物理指標要求也不斷提高。砂狀氧化鋁因具有比表面積大、流動性好、對煙氣吸附能力強、易溶解于電解質等特點，成為所有電解鋁企業(yè)的首選。

在拜耳法氧化鋁生產中,用高濃度鋁酸鈉溶液(鋁酸鈉精液，以下簡稱精液)生產砂狀氧化鋁，國內生產企業(yè)基本上采用兩種分解工藝：一種是采用高晶種系數和較低分解溫度結晶長大的一段法分解工藝；另一種是采用細晶種附聚和粗晶種長大的二段法分解工藝[1-3]。

山西孝義興安化工和山西復晟鋁業(yè)均采用拜耳法氧化鋁生產的一段法分解工藝，自投產以來，兩家企業(yè)針對高濃度鋁酸鈉溶液的特性，通過研究超細晶種平衡控制，分別改良了傳統(tǒng)拜耳法一段法分解工藝，實現了產品的砂狀化生產。

1 傳統(tǒng)一段法分解工藝的技術特點

傳統(tǒng)一段法工藝的技術特點是低溫(58～60 ℃)、高濃度(Al2O3為190 g/L)、高固含(850～900 g/L)。該技術的控制要點是以微調分解首槽溫度為主要手段，控制分解過程的成核頻率和晶種顆粒數量的基本平衡，以全體晶種的長大為主要機理，大部分中間產物循環(huán)作晶種，其余分級實現產品的砂狀化[4]。

該工藝的優(yōu)勢是流程簡單、精液產出率高。其缺點是產品的磨損指數較高(>30%)、分解條件調整要有超前性、產品粒度易呈周期性(3～6個月)變化[5]。其主要原因是由于采用高固含的分解條件，晶種長大極易呈現整體性(整體細化或粗化)。當產品粒度周期由粗化向細化轉化時，由于這種整體性，會導致分解槽粒度大量二次成核，出現細化時，整體粒度仍表現為粗化，而細化的影響會在2～3天后才表現出來。以往微調分解首槽溫度，都是在細化表現出來后才開始調整，這種調整的滯后，直接影響到產品粒度和磨損指數。

2 一段法生產砂狀氧化鋁的改進

2.1 附聚機理

生產實踐證明，一段法生產砂狀氧化鋁主要依據首槽溫度調節(jié)控制粒度，控制手段單一，并且固含對調控結果影響較大，使得控制準確度、時效性較差。要想獲得穩(wěn)定的產品粒度，就要獲得以附聚長大的多晶體顆粒而非晶體徑向長大的顆粒。

所謂附聚，指的是在范德華分子引力、自粘力、附著力以及毛細管力和物質之間緊密接觸而形成的表面張力等力的作用下，微粒物質自發(fā)和定向地聯(lián)結在一起的現象[6-7]。附聚過程分為絮凝和膠結兩個階段，即細顆粒(-20 μm)首先聚集在一起，形成疏松的集晶結合體，然后從溶液中新析出的氫氧化鋁將其牢固的粘結在一起。分解過程難以避免產生-20 μm的細粒氫氧化鋁，這些細粒氫氧化鋁只有通過附聚才能快速轉變成粗粒。

圖1 晶種粒度-45 μm含量變化趨勢

2.2 復晟鋁業(yè)一段法生產砂狀氧化鋁的改進

研究認為，較高的分解初溫、中等種子添加量、高過飽和度有利于附聚。初溫是決定附聚效率大小的首要條件，溶液過飽和度是決定附聚能否進行的先決條件。同時，相關資料顯示分解粒度的強度與精液Na2OK濃度有關。因此，先后從控制固含和精液Na2OK濃度兩個方面，改善產品粒度和磨損指數。

2.2.1 投產初期生產情況

山西復晟鋁業(yè)有限公司自2014年10月投產后，分解固含按以往工藝控制條件，一直維持在850～900 g/L。一段分解生產砂狀氧化鋁的主要機理為二次成核和晶體長大，因此分解初溫的調整按照超細顆粒數進行，雖然可以做到提前調整溫度，但是由于固含較高，造成分解粒度出現兩極分化，細顆粒和粗顆粒數目較多。

為了保證足夠的分解率，分解首槽初溫一直在58～60 ℃之間微調，末槽溫度基本穩(wěn)定在48 ℃，在分解固含850 g/L，分解時間50 h左右，得到分解率52.41%。過低的分解溫度對降溫設施的投入要求過于龐大，且不利于熱量的利用。產品粒度呈現周期性波動，-45 μm的細化峰值達到20.57%左右。2014年11月投產之后，在半年內就出現了晶種細化高峰。為此，復晟公司在2015年6月成立砂狀氧化鋁攻關小組，對一段法生產砂狀氧化鋁進行技術研究和改進。

2.2.2 產品粒度得到改善

從2015年6月開始，復晟鋁業(yè)開始有計劃地降低分解槽固含。分解初溫從58～63 ℃進行調整，并通過馬爾文粒度分析儀、顆粒計數器觀察晶種中細顆粒的含量變化。自投產以來晶種粒度-45 μm含量的變化趨勢如圖1所示。從圖1中可以看出，2015年6月以后，晶種粒度變化趨勢逐漸變緩，細化峰值控制在18%以下，極大地改善了產品粒度。

2.2.3 晶種粒度的磨損指數下降

相關資料[8]提出，精液Na2OK濃度在150～164 g/L內，隨著精液Na2OK濃度升高，產品氧化鋁的強度變差，分解系統(tǒng)出料氫氧化鋁及產品氫氧化鋁中細粒子含量升高。精液Na2OK濃度低有利于細顆粒的附聚，其試驗產品顆粒中晶粒相對較小，產品氧化鋁強度較好。同時，精液Na2OK濃度的降低，勢必會造成蒸發(fā)負荷的升高，所以降低幅度很大程度是由蒸發(fā)工序蒸水量決定的。按照蒸發(fā)工序的最大蒸水量，將精液Na2OK濃度控制在155～160 g/L。改進后的晶種粒度磨損指數變化趨勢如圖2所示。從圖2中可以看出，自2015年6月后，通過降低固含和降低精液Na2OK濃度，晶種粒度磨損指數明顯下降。

圖2 晶種粒度磨損指數的變化趨勢

2.3 興安化工一段法生產砂狀氧化鋁的改進

2.3.1 Syscad流程建模軟件的應用

山西孝義興安化工從2016年8月份起，開始氧化鋁質量提升技術的攻關，2017年7月結束。技術攻關項目依托Syscad流程建模軟件的應用，包含Syscad全廠工藝流程模型和Syscad版PSD模型。采用Syscad全廠工藝流程模型進行全廠系統(tǒng)的指標以及產量、液量模擬，結合Syscad版PSD模型進行分解工序單一指標的控制方向等的確定。在生產過程中結合起來，確保系統(tǒng)精液分解率的同時控制晶種的粒度分布。主要控制參數包括精液指標、分解固含、首末槽溫度、中間降溫的開停模式、小型技改實施、分級機運行模式、粗化排砂及打循環(huán)等流程的應用。

孝義興安化工在結晶理論以及Syscad數學模型基礎上，不斷根據控制效果進行調整優(yōu)化，同時隨著生產企業(yè)的生產組織等因素進行變化的動態(tài)模式，不用結晶助劑、降低分解槽固含到700～800 g/L，穩(wěn)定首末槽溫度、根據粒度分布的變化以及系統(tǒng)指標的波動進行調控。

2.3.2 改進效果

結合超細顆粒中3.55 μm、5.34 μm、9.87 μm、29.4 μm、D(0.1)的變化，根據粒度分布的粗細化程度以及趨勢進行調整，在細化時通過分級機高效分級、低固含等措施抑制細化程度；在粗化時通過打循環(huán)(或排砂)、高固含等措施增加細顆粒以延緩粗化趨勢。同時，結合粒度分布的控制進行實施現場的分級機出料管下移和分級機短路等技術改進。

結合興安化工生產系統(tǒng)產量等要求，調整分解系統(tǒng)粒度分布，具體控制情況如下：

1)控制晶種29.4 μm的含量?？刂凭ХN-45 μm含量的前提是控制好晶種29.4 μm含量起伏較為平穩(wěn)。晶種29.4 μm含量的變化趨勢如圖3所示。

2)控制 D(0.1)。晶種D(0.1)含量的變化趨勢如圖4所示，其變化趨勢趨于平緩的同時，粗細化趨勢減緩、波動較小。

圖3 晶種29.4 μm含量的變化趨勢

圖4 晶種D(0.1)含量的變化趨勢

3)精液分解率。精液分解率因分解粒度分布比較穩(wěn)定，從精液到分解末槽分解率波動較小，控制產品-45 μm含量較好的同時，分解率(圖5)維持較高水平，達到53.13%。

圖5 精液分解率的變化趨勢

現有的調控模式及結果改變了所謂生產砂狀氧化鋁是以犧牲分解率和產量為代價的傳統(tǒng)觀念。興安化工產品質量提升項目真正實現了結晶理論與Syscad數學模型結合在氧化鋁產品質量控制方面應用。目前已完全達到砂狀氧化鋁物理標準(-45 μm含量≤16%，磨損指數≤20%，合格率≥95%)，分解率(精液到末槽周期均值)均一直保持在53%以上。

2.3.3 同行業(yè)對比

據了解國內生產砂狀氧化鋁的公司，如某鋁業(yè)公司，粒度-45 μm含量達到8%左右，但分解率只有49%；中鋁的生產企業(yè)基本上均使用結晶助劑進行調控，最好的某廠最高分解率不到52%，生產砂狀氧化鋁需要低分解率是大家的共識，而興安化工分解率均(精液到末槽)一直保持在53%以上，整個分解系統(tǒng)保持高效運行，因此現有的調控模式是行業(yè)最高水平的砂狀技術。

3 結論

1) 一段法分解粒度調控手段單一，并且受分解系統(tǒng)固含影響較大。

2) 通過附聚機理分析，采用降低分解系統(tǒng)固含和降低精液Na2OK濃度的方法能有效地控制晶種粒度和強度，降低磨損指數。

3) 運用PSD粒度控制模型，進行超細顆粒提前控制手段，通過分級機和排砂控制，可以實現一段種分系統(tǒng)生產合格氧化鋁，同時分解率維持較高水平。