氧化鋁清潔生產(chǎn)工藝流程中的質(zhì)量控制研究

王大兵，李雪偉，王 虎，齊 昆

（山東龍口東海氧化鋁有限公司，山東 煙臺(tái) 264000）

清潔生產(chǎn)是指通過(guò)對(duì)于設(shè)計(jì)、工藝、技術(shù)的改進(jìn)，使清潔的能源以及原料，采取較為先進(jìn)的高級(jí)工藝技術(shù)以及先進(jìn)設(shè)備，并且對(duì)于管理、利用率進(jìn)行改進(jìn)，在源頭上削減生產(chǎn)帶來(lái)的污染，并且使資源得以更好的運(yùn)用，減輕人類對(duì)于健康和環(huán)境的危害[1]。氧化鋁的焙燒過(guò)程因?yàn)榘殡S著較為復(fù)雜的物理化學(xué)變化，并且該變化處于檢測(cè)時(shí)間滯后、多變量等特點(diǎn)，目前在對(duì)于氧化鋁生產(chǎn)的質(zhì)量控制較為困難，傳統(tǒng)的堿石灰燒結(jié)法，方法過(guò)于落后，且難以保證氧化鋁生產(chǎn)的質(zhì)量。在氧化鋁生產(chǎn)中，最直接控制的目標(biāo)就是氧化鋁生產(chǎn)后的各項(xiàng)質(zhì)量指標(biāo)，根據(jù)歷史經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行分析，不同的工藝溫度也會(huì)對(duì)氧化鋁的生產(chǎn)質(zhì)量帶來(lái)影響，溫度過(guò)高會(huì)使灼減過(guò)低、系統(tǒng)散熱損失大，能耗增加，出料溫度高影響產(chǎn)品質(zhì)量。而溫度過(guò)低則會(huì)出現(xiàn)生產(chǎn)用料增加，焙燒不充分，同樣會(huì)影響產(chǎn)品的質(zhì)量。而合適的干燥器出口會(huì)避免物料的粉化，從而得到粒度指標(biāo)合格的氧化鋁。氧化鋁的質(zhì)量將會(huì)影響后期工序的電解鋁的生產(chǎn)，所以氧化鋁的質(zhì)量控制具有很高的研究?jī)r(jià)值[2]。

1 氧化鋁清潔生產(chǎn)流程質(zhì)量控制

1.1 保證硫酸鋁銨晶體的高純度

影響氧化鋁的清洗生產(chǎn)質(zhì)量，其中一個(gè)因素就是能否有效地獲得高純硫酸鋁銨晶體。在工業(yè)硫酸鋁的生產(chǎn)過(guò)程中需要經(jīng)過(guò)凈化來(lái)去除K、Na、Ca、Mg、Fe、Si等雜質(zhì)。通過(guò)對(duì)于物料配比的控制以及pH值和反應(yīng)溫度的不同條件下，進(jìn)行合成反應(yīng)，將硫酸鋁銨進(jìn)行重新結(jié)晶，并且要將母洗也進(jìn)行循環(huán)利用，化學(xué)反應(yīng)如下：

（1）反應(yīng)式表示了硫酸鋁銨熱分解生成氧化鋁，而氧化鋁的生成一般采用分段煅燒的工藝手段。將硫酸鋁銨加熱至523K，生成結(jié)晶水，然后緩慢加熱至1173K，恒溫1.5h～2h，升溫的過(guò)程也是分解的過(guò)程，硫酸銨與硫酸鋁在此過(guò)程中被分解，生成了氧化鋁，但該反應(yīng)不僅僅生成了氧化鋁，同樣也生成了SO3和NH3。而在硫酸鋁銨的分解時(shí)，發(fā)生的反應(yīng)式如下：

在（2）反應(yīng)式中可見，在硫酸鋁銨的分解時(shí)，105kg的氧化鋁就需要906kg的硫酸鋁銨。對(duì)于生產(chǎn)后的廢渣，PAC廢渣使用催化劑與NaOH反應(yīng)，并且經(jīng)過(guò)過(guò)濾后得到濾液以及濾渣，首先對(duì)于濾渣的處理，可以在濾渣中加入添加劑，并且將其活化，可以作為廢水處理的粉劑。而剩下的濾液則直接用來(lái)生產(chǎn)聚硅硫酸鋁鉀。以實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)。

1.2 鋁粉煤灰分解的改良

利用純堿燒結(jié)—堿溶的聯(lián)用法來(lái)對(duì)存在鋁粉的煤灰進(jìn)行脫硅以及硅鋁的分解，分解后可獲得質(zhì)量更好的鋁酸鈉溶液，再通過(guò)多工序的處理，得到具有高附加值的超細(xì)氫氧化鋁以及氧化鋁的粉體。

該工藝的工藝過(guò)程，首先將粉煤灰的原料AI2O3以及SiO2進(jìn)行配比，兩者的質(zhì)量配比為0.77，并且將處理后的脫硅濾餅以及純堿進(jìn)行燒結(jié)，將燒結(jié)后的熟料浸入清水中并且溶出Na2SiO3，并且將燒結(jié)后的濾餅與適量的NaOH溶液以及CaO融合，并且將其在280℃下進(jìn)行溶出，可溶出氧化鋁。將所得的鋁酸鈉溶液經(jīng)過(guò)除雜、碳粉，可以配制出氫氧化鋁以及氧化鋁的粉體。經(jīng)由此產(chǎn)出的超細(xì)氫氧化鋁的產(chǎn)品，符合國(guó)標(biāo)GB/T 4294—84的標(biāo)準(zhǔn)，并且用該方法產(chǎn)出的超細(xì)氫氧化鋁的粒徑大多80nm～150nm。同傳統(tǒng)的堿石燒結(jié)法來(lái)對(duì)比，此方法降低了燒結(jié)時(shí)的溫度，通過(guò)先水浸脫硅再堿溶二次水熱處理工藝，實(shí)現(xiàn)了粉煤灰中硅鋁組分的高效分離，制得高附加值鋁產(chǎn)品及無(wú)機(jī)硅化合物。產(chǎn)出物質(zhì)量?jī)?yōu)質(zhì)。工藝與裝備是工業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)，也是企業(yè)清潔生產(chǎn)水平的基本條件。目前粉狀物料(氧化鋁、氟化鹽)已普遍采用封閉儲(chǔ)存、濃相或超濃相輸送；電解槽普遍采用預(yù)焙工藝，通過(guò)各項(xiàng)技術(shù)的幫助，保證氧化鋁的生產(chǎn)質(zhì)量，以便于在后續(xù)工藝中電解鋁的生產(chǎn)[5]。

1.3 對(duì)于酸法工序的改善

酸法是應(yīng)用了無(wú)機(jī)酸來(lái)處理超細(xì)氫氧化鋁，生產(chǎn)相應(yīng)的鋁鹽如AICI3、AI2(SO4)3等，而在原料中會(huì)出現(xiàn)氧化硅生成偏硅酸膠體的殘?jiān)羰卿X鹽凈化后是分解制得氧化鋁。將高鋁粉煤灰以及純堿按比例進(jìn)行混合后，進(jìn)行中溫?zé)Y(jié)，并且將燒結(jié)后的熟料與稀鹽酸和硫酸進(jìn)行轉(zhuǎn)化，并且形成硅膠沉淀以及含鋁溶液，過(guò)濾后的硅膠沉淀生產(chǎn)出白炭黑、氧化硅氣凝膠。反應(yīng)式如下：

經(jīng)由該法后的濾液，經(jīng)過(guò)苛化、除雜、碳化并將其制成氫氧化鋁，再經(jīng)由煅燒可配制成氧化鋁。也可經(jīng)由低鈣燒結(jié)法，將具有高鋁粉煤灰再進(jìn)行堿溶預(yù)脫硅處理，并且要將NaOH的堿溶液在玻璃體中將其定性，而后生成無(wú)定形的SiO2，這一步驟也提高了原料的鋁硅比。反應(yīng)式如下：

經(jīng)由燒結(jié)熟料溶出的AI2O3，溶出率可以達(dá)到90%，若將所得的鋁酸鈉粗液分別經(jīng)由兩段脫硅以及碳分，最終得到氫氧化鋁制品，并且該氫氧化鋁制品質(zhì)量?jī)?yōu)秀，可以符合國(guó)標(biāo)GB/T 4294—1997中規(guī)定的一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，保證了產(chǎn)品的質(zhì)量。在研究其晶體結(jié)構(gòu)時(shí)發(fā)現(xiàn)，晶體排列不同，它是層狀結(jié)構(gòu)。還可以看出γ-AlOOH中根據(jù)氧原子連接的鋁原子的個(gè)數(shù)，可以分為兩類，一是O原子與四個(gè)A1原子相聯(lián)接，無(wú)氫鍵形成；二是O原子與兩個(gè)A1原子相聯(lián)，并形成兩個(gè)氫鍵。基于O原子作緊密堆積，A1原子處于該緊密堆積形成的八面體空隙或四面體空隙中，根據(jù)堆積方式，氧化鋁晶型有十幾種，主要表現(xiàn)在原子的位置變化，它們之間相互轉(zhuǎn)化，并不破壞化學(xué)鍵，屬于位移型相變。為保證清潔生產(chǎn)，要對(duì)于此方法生產(chǎn)的氧化鋁進(jìn)行廢氣回水，廢氣經(jīng)過(guò)熱交換器降溫后進(jìn)入吸收塔，被其中的NH3以及SO3吸收（此步驟的吸收率應(yīng)達(dá)到96%以上）吸收也進(jìn)入PH中和槽，并將槽內(nèi)溶液的PH值調(diào)至4～5，然后進(jìn)入濃縮槽進(jìn)行濃縮，此步驟在于將廢氣再次處理并且濃縮后的溶液可以作為生成硫酸鋁銨的硫酸銨精溶液來(lái)進(jìn)行循環(huán)使用，而且當(dāng)硫酸銨溶液過(guò)量時(shí)，只需要進(jìn)行進(jìn)一步的濃縮，即可支撐固體硫酸銨產(chǎn)品進(jìn)行出售。

2 實(shí)驗(yàn)論證分析

為驗(yàn)證研究對(duì)于氧化鋁的清潔方法的質(zhì)量控制以及傳統(tǒng)工藝流程的質(zhì)量?jī)?yōu)劣性，展開實(shí)驗(yàn)論證分析，采取相同材料的含鋁粉的煤灰進(jìn)行生產(chǎn)，傳統(tǒng)的堿石灰燒結(jié)法與研究得出的方法，對(duì)產(chǎn)出的氧化鋁的雜質(zhì)率進(jìn)行對(duì)比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1 氧化鋁生產(chǎn)后雜質(zhì)率

由圖1可得知，本文使用的氧化鋁生產(chǎn)方法的雜質(zhì)率更低，對(duì)于質(zhì)量得到了更好的保證，而且經(jīng)過(guò)本文控制質(zhì)量后得出的氧化鋁質(zhì)量較為均衡，而傳統(tǒng)方法因影響質(zhì)量的因素過(guò)多，使清潔后的氧化鋁質(zhì)量差距較大，此實(shí)驗(yàn)證明本研究在氧化鋁的生產(chǎn)工藝的質(zhì)量控制具有可行性，但本實(shí)驗(yàn)并未對(duì)控制后的工藝流程的成本進(jìn)行對(duì)比。本文方法與傳統(tǒng)方法的工藝成本差距不明。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)氧化鋁清潔生產(chǎn)的工藝流程中的質(zhì)量控制進(jìn)行了研究，通過(guò)獲得高純度的硫酸鋁銨晶體，改良含鋁粉的煤灰分解過(guò)程，使用更優(yōu)質(zhì)的堿溶—燒結(jié)聯(lián)用法，然后使用酸法對(duì)于產(chǎn)品進(jìn)行再處理以提高質(zhì)量，設(shè)置廢氣回收來(lái)保證清潔生產(chǎn)，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)論證分析，通過(guò)對(duì)比傳統(tǒng)的工藝流程與經(jīng)過(guò)質(zhì)量控制的工藝流程產(chǎn)出的氧化鋁，經(jīng)過(guò)質(zhì)量控制后產(chǎn)出的氧化鋁雜質(zhì)率更低，但此方法并未對(duì)生產(chǎn)工藝的成本進(jìn)行研究，雖具有可行性，但仍需進(jìn)一步研究。