高鋁粉煤灰堿脫硅的問題研究及對(duì)策

宋說講，孔德順

(六盤水師范學(xué)院 化學(xué)與材料工程學(xué)院，貴州 六盤水 553004)

高鋁粉煤灰生產(chǎn)氧化鋁過程中，由于粉煤灰中二氧化硅含量較高，需要將粉煤灰預(yù)脫硅[1-3]，以提高原料中的鋁硅比[4]，使后序氧化鋁的生產(chǎn)順利進(jìn)行，同時(shí)減少廢料硅鈣渣的生成。預(yù)脫硅也就是堿脫硅，生成的硅酸鈉溶液，可以作為化工原料使用，既增加了產(chǎn)品的附加值，提高了生產(chǎn)率和經(jīng)濟(jì)效益，也符合企業(yè)節(jié)能降耗的要求。因此，高鋁粉煤灰堿脫硅是生產(chǎn)工藝中非常重要的部分[5]。

那么，如何提高堿脫硅效率成為關(guān)鍵步驟。原料的成分及其活性、生產(chǎn)條件(配比、濃度、溫度等)的控制、設(shè)備的選擇以及生產(chǎn)操作控制等都會(huì)影響堿脫硅效率。在實(shí)際生產(chǎn)中，高鋁粉煤灰堿脫硅確實(shí)遇到了許多這樣難題，致使堿脫硅效率大大降低。找出這些問題所在，分析其中的原因，想出解決問題的對(duì)策和辦法，對(duì)于高鋁粉煤灰中提取氧化鋁具有重要的意義。

1 粉煤灰堿脫硅的工藝流程

1.1 堿脫硅原理

粉煤灰與循環(huán)母液調(diào)配成的漿液，加熱至130±5℃，保溫停留30±10min，使粉煤灰中的玻璃相SiO2與NaOH發(fā)生反應(yīng)，生成Na2SiO3進(jìn)入溶液中。

1.2 堿脫硅工藝流程

電廠送來的粉煤灰通過皮帶輸送機(jī)或斗式提升機(jī)輸送到粉煤灰儲(chǔ)倉；通過螺旋輸送機(jī)和大傾角皮帶送到預(yù)調(diào)配粉煤灰小倉，粉煤灰和循環(huán)母液按一定比例混合調(diào)配成合格的粉煤灰漿液；調(diào)配好的粉煤灰漿液通過合格泵送至5級(jí)加熱套管中用蒸汽加熱，在停留罐中停留，進(jìn)入緩沖槽；通過緩沖泵送到分離洗滌翻盤進(jìn)行過濾，脫硅粉煤灰漿液經(jīng)過翻盤過濾機(jī)，進(jìn)行液固分離及洗滌，脫硅粉煤灰與碳分母液按一定比例混合后，送到熟料燒成工段；脫硅混合液送到活性硅酸鈣制備工段。

2 粉煤灰堿脫硅的問題與原因

2.1 粉煤灰堿脫硅的問題

粉煤灰在一定條件下可以脫去大部分硅，而氧化鋁基本不溶出，溶液中SiO2濃度可達(dá)90g/L以上，這是值得肯定的成果。但是由于原料、工藝及設(shè)備等存在的問題使預(yù)脫硅流程不能穩(wěn)定運(yùn)行，建立不起來穩(wěn)定合理的指標(biāo)體系，需要進(jìn)一步改進(jìn)和調(diào)整。在脫硅反應(yīng)后由于SiO2濃度大，導(dǎo)致漿液粘度大，給后續(xù)的分離工作帶來不利影響，需要探索粉煤灰漿液中SiO2合適的濃度和合適的固含。當(dāng)然還有一些崗位員工操作不熟，配料不合格等人為因素，需要進(jìn)一步規(guī)范。其主要問題表現(xiàn)：原料粉煤灰因含水量大，致使下料不暢，脫硅反應(yīng)流程打循環(huán)時(shí)間較長(zhǎng)，副反應(yīng)發(fā)生；二氧化硅濃度較大時(shí)粘度大，液固分離系統(tǒng)運(yùn)行不暢，清理困難；脫硅粉煤灰鋁硅比(A/S)不穩(wěn)定，波動(dòng)較大，最高達(dá)到2.0，最低為1.2，甚至更低。

2.2 粉煤灰堿脫硅的原因分析

2.2.1 粉煤灰成分波動(dòng)大

選取電廠供粉煤灰原料批次檢測(cè)數(shù)據(jù)，如表1所示。從表1中可以看出，粉煤灰中Al2O3含量在37.03%～51.131%之間波動(dòng)，SiO2含量在35.37%～49.03%之間波動(dòng)，F(xiàn)e2O3與CaO含量基本在5%以下。附水率在1.51%～16.34%之間波動(dòng)，附水率較大，容易引起下料倉堵塞，是造成下料不暢的原因。原料粉煤灰的A/S在在0.76～1.45之間波動(dòng)，導(dǎo)致堿脫硅后A/S的綜合提升不大，獲得的硅酸鈉溶液濃度也有很大變化，在固液分離時(shí)也可能造成分離效果不好。

圖1 堿脫硅工藝流程圖

表1 粉煤灰成分表

表1(續(xù))

2.2.2 生產(chǎn)指標(biāo)波動(dòng)大

2.2.2.1 循環(huán)堿液

選取相應(yīng)時(shí)間段內(nèi)循環(huán)堿液檢測(cè)數(shù)據(jù)，如表2所示。從表2中可以看出，總堿(NaOH和Na2CO3以NT計(jì))的濃度范圍為163.8～247.9g/L，苛堿(NaOH以NK計(jì))的濃度范圍為161～232g/L，碳?jí)A(Na2CO3以NC計(jì))的濃度范圍則為1～26.3g/L，間或含有少量SiO2。生產(chǎn)指標(biāo)的要求為NK濃度172±5g/L ，NC含量小于10g/L。由此可見，蒸發(fā)送來的堿液波動(dòng)較大，達(dá)不到指標(biāo)要求的范圍。

connecting rod→conrod連桿；variable resistor→varistor可變電阻。

表2 循環(huán)堿液成分表

堿的濃度波動(dòng)大，對(duì)堿脫硅效率有較大影響；碳?jí)A含量超標(biāo)，給后面的活性硅酸鈣制備帶來困難。近期指標(biāo)作了改動(dòng)，將堿液濃度提高到200g/L以上，固含不低于550 g/L，造成設(shè)備堵塞，分離困難，實(shí)踐證明是不合適的。

2.2.2.2 固含

料漿固含與堿溶出硅濃度的關(guān)系如表3所示。由表3可以看出，堿溶后NK的濃度降至120g/L左右，固含基本在350～450g/L范圍之內(nèi)，溶出SiO2濃度約在40～75 g/L之間，粉煤灰的粒度在25～40μm。粉煤灰漿液的固含和溶出SiO2濃度波動(dòng)較大，固含大，SiO2濃度有增大的趨勢(shì)，而與粒徑大小關(guān)系不大。但是固含大帶來的問題是料漿容易沉降，管道容易堵塞；SiO2濃度大的結(jié)果是分離困難。

表3 料漿固含與SiO2的關(guān)系表

2.2.2.3 套管溫度

生產(chǎn)中粉煤灰堿脫硅溫度的技術(shù)指標(biāo)是125～135℃。由于減溫減壓站壓力控制系統(tǒng)不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，電廠過來的一根低壓總管分出五根支管，給各用汽點(diǎn)輸送蒸汽的壓力完全靠手工調(diào)節(jié)，且各用汽點(diǎn)相互影響，預(yù)脫硅蒸汽壓力波動(dòng)大，脫硅溫度較難穩(wěn)定在125～135℃范圍之內(nèi)，大大影響了脫硅效果。

2.2.2.4 脫硅時(shí)間

粉煤灰漿液用泵送入脫硅套管，漿液的流速一般約1.5m/s，低于1.0m/s料漿較易沉降到管壁上，時(shí)間過長(zhǎng)會(huì)在管壁上結(jié)疤，堵塞管道，較難清理。料漿速度太快，換熱效果不好，溫度提升較慢。盡管脫硅時(shí)間技術(shù)指標(biāo)為1～1.5h，但在實(shí)際操作過程中反應(yīng)時(shí)間在粉煤灰與堿液混合時(shí)已經(jīng)開始，在脫硅套管中升溫也需要一定的時(shí)間。因此，一般在套管內(nèi)循環(huán)0.5h以上再出料，在保溫停留罐中停留0.5h即可以出料。

2.2.3.1 設(shè)備問題

粉煤灰輸送皮帶與電廠輸送皮帶不匹配(電廠皮帶輸送量大)，導(dǎo)致皮帶經(jīng)常性壓死、跑偏或粉煤灰灑落遍地都是。粉煤灰大倉因粉煤灰含水率不同會(huì)造成堵塞，不下料。7#皮帶做工不細(xì)，經(jīng)常跑偏、漏料、滾筒卡死等。粉煤灰螺旋定量給料機(jī)定量不準(zhǔn)確，下料量不好調(diào)節(jié)。粉煤灰合格漿液槽攪拌在料位達(dá)到7.0m以上電流超過額定電流，串聯(lián)泵已改成單泵運(yùn)行，機(jī)封漏料也成為問題。套管中三根內(nèi)管已有一根堵塞未處理，現(xiàn)單根管運(yùn)行。另外許多溫度計(jì)、料位計(jì)、電動(dòng)閥、氣動(dòng)閥等沒有校對(duì)，給生產(chǎn)指標(biāo)控制帶來困難。

2.2.3.2 操作人員問題

現(xiàn)場(chǎng)操作人員基本都是新手，沒有一點(diǎn)工作經(jīng)驗(yàn)，全憑摸索干工作，極容易發(fā)生誤操作。現(xiàn)場(chǎng)沒有形成一個(gè)工作核心，新人沒有師傅帶，長(zhǎng)期未有多大進(jìn)步，對(duì)未來看不見希望，工作積極性提不起來。這是工作人員現(xiàn)場(chǎng)的情況。

3 問題解決方法

3.1 原料粉煤灰處理

3.1.1 水分烘干

針對(duì)粉煤灰含水量波動(dòng)較大問題，在粉煤灰進(jìn)入灰倉前必須烘干，使粉煤灰的含水量在1%以下。事實(shí)證明，粉煤灰較干燥的情況下，流動(dòng)性較好，便于下料和計(jì)量控制。避免膨料，堵料以及下料不暢等問題，還省去了灰倉下部的振打裝置。在原料入倉之前安裝粉煤灰烘干系統(tǒng)是十分必要的。

3.1.2 粉煤灰批次檢測(cè)

同一批次的粉煤灰進(jìn)行檢測(cè)時(shí)應(yīng)按照標(biāo)準(zhǔn)取樣方法進(jìn)行合理取樣，保證檢測(cè)后粉煤灰各成分含量相差不是太大。如果相差較大，應(yīng)作為不同批次樣品對(duì)待處理。

3.1.3 均化

針對(duì)粉煤灰各成分含量和A/S波動(dòng)大給配料帶來很大問題，需要建立一個(gè)均化庫，使不同批次的粉煤灰在均化庫內(nèi)均化，保證均化后粉煤灰各成分波動(dòng)在較小的范圍之內(nèi)，A/S在1.0～1.2之間波動(dòng)。建立一個(gè)穩(wěn)定的預(yù)脫硅指標(biāo)體系，脫硅之后脫硅粉煤灰的A/S穩(wěn)定在2.0及以上，脫硅液中硅酸鈉的濃度穩(wěn)定在一定的范圍之內(nèi)。

3.2 穩(wěn)定的熱工制度

首先是配料問題。穩(wěn)定連續(xù)下料是準(zhǔn)確配料的基礎(chǔ)。粉煤灰烘干后堵料和粘料的問題基本得到解決，能夠保證穩(wěn)定連續(xù)供料。下料稱需要定期進(jìn)行校對(duì)，確保稱量準(zhǔn)確。蒸發(fā)工序必須送來合格的堿液，在配料槽中控制好堿液和粉煤灰的液固比，攪拌均勻后打入漿液槽中，確保漿液槽中漿液的固含穩(wěn)定，波動(dòng)較小。

其次是溫度控制。減溫減壓站供脫硅套管的蒸汽裝有自動(dòng)控制閥，保持蒸汽壓力穩(wěn)定，確保供汽溫度波動(dòng)小。保持漿液的固含在450g/L以下，在流速不變的情況下，漿液中固體顆粒不會(huì)沉淀堵塞。建立兩套脫硅套管系統(tǒng)，定期倒換運(yùn)行，定期清理內(nèi)管內(nèi)壁結(jié)疤，確保生產(chǎn)運(yùn)行的穩(wěn)定性和連續(xù)性。

粉煤灰脫硅建立一個(gè)穩(wěn)定的熱工制度和連續(xù)的工藝流程?？上葘/S穩(wěn)定在1.5以上，再找最優(yōu)條件，使脫硅粉煤灰的A/S逐步達(dá)到2.0以上。

3.3 設(shè)備選型

首先粉煤灰運(yùn)輸皮帶要改造好，使其運(yùn)行正常。

其次粉煤灰的脫硅率問題，主要是解決脫硅粉煤灰盡快分離問題。因?yàn)槊摮鰜淼墓璨环€(wěn)定，容易繼續(xù)發(fā)生反應(yīng)，時(shí)間過長(zhǎng)漿液中的硅又會(huì)沉淀出來，進(jìn)入固相，導(dǎo)致脫硅粉煤灰的A/S降低。硅酸鈉溶液濃度高，粘度大，不易分離?？焖俜蛛x設(shè)備顯得很重要。目前生產(chǎn)上使用平盤過濾機(jī)的過濾效果容易受到硅酸鈉粘度的影響。后來使用的真空帶式過濾機(jī)的過濾分離效果得到明顯改善。

3.4 人員培訓(xùn)

崗位配備一位熟悉流程和操作的技術(shù)人員。新進(jìn)人員在技術(shù)人員的指導(dǎo)下進(jìn)行相關(guān)知識(shí)和流程的培訓(xùn)，必須盡快熟悉現(xiàn)場(chǎng)流程和相關(guān)設(shè)備的操作。在控制室的操作人員熟悉工藝技術(shù)參數(shù)數(shù)值和控制范圍，一般設(shè)備出現(xiàn)異常的處理方式和方法。

4 結(jié)論

生產(chǎn)中，高鋁粉煤灰堿脫硅遇到原料含量不穩(wěn)定，設(shè)備原因?qū)е律a(chǎn)流程不暢，技術(shù)參數(shù)控制不好，硅酸鈉發(fā)生二次反應(yīng)，以及液固分離效果不佳等問題及原因分析，提出了相應(yīng)的解決辦法。首先原料粉煤灰經(jīng)干燥處理，分批次檢測(cè)并進(jìn)行均化，控制粉煤灰各成分波動(dòng)小；其次建立穩(wěn)定連續(xù)的熱工制度，以保證在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成脫硅反應(yīng)；選擇合適的分離設(shè)備，在脫硅完成后盡快實(shí)現(xiàn)液固分離；對(duì)新的生產(chǎn)人員要進(jìn)行崗位培訓(xùn)，盡快熟悉生產(chǎn)流程和技術(shù)參數(shù)，以適應(yīng)生產(chǎn)的需要。