氧化鋁生產(chǎn)晶種過(guò)濾過(guò)程中減少堿蒸汽含量的研究及應(yīng)用*

韋文濤，張?jiān)品澹驅(qū)W立

（云南文山鋁業(yè)有限公司，云南文山663000）

拜耳法氧化鋁生產(chǎn)中晶種過(guò)濾系統(tǒng)是給鋁酸鈉溶液（以下簡(jiǎn)稱(chēng)精液）中添加晶種的過(guò)程，通常采用的是立盤(pán)過(guò)濾機(jī)進(jìn)行液固分離，在真空力的作用下，把懸浮液中的濾液抽走，固體顆粒被截留在濾布表面形成濾餅（晶種），再通過(guò)反吹風(fēng)的作用力把濾餅卸到晶種槽[1]。

某公司的晶種過(guò)濾系統(tǒng)也是采用立盤(pán)過(guò)濾機(jī)進(jìn)行晶種過(guò)濾，在晶種過(guò)濾過(guò)程中產(chǎn)生了大量的堿蒸汽，污染了作業(yè)環(huán)境，容易造成現(xiàn)場(chǎng)操作人員手部、臉部堿燒傷；反吹風(fēng)中帶有大量的水，在晶種過(guò)濾過(guò)程中進(jìn)入生產(chǎn)系統(tǒng)，對(duì)工序造成了沖淡，增加了蒸發(fā)工序的蒸汽消耗，增加了生產(chǎn)成本。固減少晶種過(guò)濾系統(tǒng)的堿蒸汽對(duì)生產(chǎn)作業(yè)有著重要的意義。

1 立盤(pán)過(guò)濾機(jī)系統(tǒng)的工藝簡(jiǎn)介及堿蒸汽形成研究

1.1 工藝流程

圖1 立盤(pán)過(guò)濾系統(tǒng)工藝流程圖Fig.1 Process flow chart of vertical disc filtration system

1.2 流程運(yùn)行概述

分解末槽的氫氧化鋁料漿由自壓方式送至立盤(pán)過(guò)濾機(jī)料漿槽內(nèi)，經(jīng)過(guò)真空泵產(chǎn)生的負(fù)壓抽真空，把料漿內(nèi)液體吸入透過(guò)濾布，進(jìn)入真空受液槽流入母液槽；而固體被吸附在過(guò)濾機(jī)濾布上形成濾餅，通過(guò)空壓機(jī)產(chǎn)生的反吹風(fēng)壓力，濾餅被吹脫落[2]，掉進(jìn)晶種槽與降溫后的精液混合，形成料漿，由晶種泵送至分解首槽進(jìn)行分解作業(yè)[3]。

晶種槽內(nèi)經(jīng)過(guò)降溫后的鋁酸鈉溶液溫度仍有70℃左右，會(huì)產(chǎn)生大量蒸汽，往上飄至濾餅卸料區(qū)與反吹出來(lái)的母液相遇，蒸汽帶走部分堿液，形成堿蒸汽。堿蒸汽隨風(fēng)到處亂飄，會(huì)造成現(xiàn)場(chǎng)操作人員皮膚堿燒傷；堿蒸汽飄至設(shè)備管道上會(huì)對(duì)設(shè)備設(shè)施造成堿腐蝕，并在作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)和設(shè)備設(shè)施上產(chǎn)生大量積料。需要花大量的時(shí)間進(jìn)行清理，增加了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

1.3 晶種過(guò)濾時(shí)飄堿蒸汽的原因分析

由于礦石品位問(wèn)題及工藝設(shè)計(jì)，某公司分解首槽溫度高位控制，在64℃左右。因此進(jìn)入晶種槽的精液溫度較高。

表1 精液板式精液出口溫度Tab.1 Plate type and outlet temperature of sodium aluminate solution

通過(guò)母液板式降溫后的精液進(jìn)入晶種槽后溫度仍有70℃。會(huì)產(chǎn)生大量的蒸汽，此蒸汽本身不含堿，在往上飄與濾餅相遇，最后經(jīng)過(guò)立盤(pán)卸料區(qū)時(shí)，與反吹風(fēng)帶出來(lái)的堿液混合，才形成了堿蒸汽。

圖2 堿蒸汽流程示意圖Fig.2 Flow chart of alkali vapor

形成堿蒸汽的主要原因：①精液產(chǎn)生的蒸汽在上升過(guò)程中與濾餅相遇，帶走了濾餅表面的堿液；②蒸汽繼續(xù)往上升與立盤(pán)卸料區(qū)反吹出來(lái)的母液混合，使蒸汽中的堿含量大幅度升高。

1.4 治理堿蒸汽的研究

1） 從源頭治理，降低進(jìn)晶種槽的精液溫度，減少熱源，降低堿蒸汽含量。此方法會(huì)降低分解槽首槽溫度，對(duì)分解槽內(nèi)氫氧化鋁的粒度影響較大。

表2 降低精液溫度的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表Tab.2 Experimental data for reduction temperature of sodium aluminate solution

降低精液出口溫度，能降低晶種槽內(nèi)溫度，減少立盤(pán)的堿飄堿量，但降低精液出口溫度后，會(huì)大幅降低分解槽首槽溫度，影響分解槽內(nèi)氫氧化鋁的粒度控制，造成氫氧化鋁粒度變細(xì)，影響產(chǎn)品質(zhì)量；

2）加快空氣流動(dòng)，降低堿蒸汽含量。立盤(pán)堿蒸汽溫度高，空氣溫度低，利用低溫空氣與堿蒸汽接觸降溫，減少立盤(pán)飄堿現(xiàn)象[4]。為了加強(qiáng)空氣的流動(dòng)，把晶種過(guò)濾廠房立盤(pán)過(guò)濾機(jī)平面的南北兩面所有窗戶(hù)全部拆除，利用東南風(fēng)向西北流動(dòng)風(fēng)向，加強(qiáng)了廠房?jī)?nèi)的空氣流動(dòng)。冬天冷空氣進(jìn)入廠房?jī)?nèi)，把立盤(pán)過(guò)濾機(jī)上方飄的堿蒸汽快速冷凝成液體回落到晶種槽，起到減少堿蒸汽的作用，但由于云南的氣候較熱，寒冷季節(jié)較短，所以此方法達(dá)不到降低堿蒸汽的目標(biāo)；

3）降低反吹風(fēng)壓力，降低立盤(pán)轉(zhuǎn)速，提高濾餅厚度，減少卸料區(qū)的反吹母液量，以達(dá)到減少立盤(pán)過(guò)濾機(jī)飄堿量。

第一次實(shí)驗(yàn)，穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，降低反吹風(fēng)壓力，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3。

表3 降低立盤(pán)反吹風(fēng)壓實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表Tab.3 Experimental data for reduction reverse blowing pressure of vertical disc

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，穩(wěn)定立盤(pán)過(guò)濾機(jī)轉(zhuǎn)速，降低反吹風(fēng)壓力，能減少立盤(pán)過(guò)濾機(jī)卸料區(qū)域的反吹母液量，對(duì)治理立盤(pán)過(guò)濾機(jī)飄堿現(xiàn)象有明顯效果。但當(dāng)反吹風(fēng)壓力降低至0.1 MPa時(shí)，立盤(pán)過(guò)濾機(jī)濾餅卸料不完全，立盤(pán)過(guò)濾機(jī)濾餅吹脫率降低，影響過(guò)濾機(jī)產(chǎn)能。

第二次實(shí)驗(yàn)，穩(wěn)定反吹風(fēng)壓力，降低轉(zhuǎn)速，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4。

表4 降低立盤(pán)轉(zhuǎn)速實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表Tab.4 Experimental data for reduction rotating speed of vertical disc

根據(jù)立盤(pán)過(guò)濾機(jī)設(shè)計(jì)風(fēng)壓標(biāo)準(zhǔn)，把反吹壓力穩(wěn)定在0.4 MPa，降低立盤(pán)過(guò)濾機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)驗(yàn)，從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出降低立盤(pán)過(guò)濾機(jī)轉(zhuǎn)速，提高了濾餅厚度，能減少部分反吹母液量，但立盤(pán)飄堿現(xiàn)象還是很?chē)?yán)重，而且轉(zhuǎn)速降低至1r/min以下時(shí)，過(guò)濾機(jī)產(chǎn)量明顯降低，對(duì)分解系統(tǒng)液量平衡影響較大。

第三次實(shí)驗(yàn)，降低轉(zhuǎn)速，降低反吹風(fēng)壓力，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表5。

表5 降低轉(zhuǎn)速及反吹風(fēng)壓實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表Tab.5 Experimental data for reduction rotating speed and reverse blowing pressure of vertical disc

通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出，當(dāng)反吹風(fēng)壓力低于0.2 MPa時(shí)，反吹母液量大幅減少，再同時(shí)降低立盤(pán)過(guò)濾機(jī)轉(zhuǎn)速，對(duì)治理立盤(pán)過(guò)濾機(jī)飄堿現(xiàn)象有顯著效果；

4）及時(shí)更換破布，減少因?yàn)V布破損造成的噴濺母液量。當(dāng)立盤(pán)過(guò)濾機(jī)濾布出現(xiàn)大破布時(shí)[5]，立盤(pán)轉(zhuǎn)至卸料區(qū)時(shí)，反吹風(fēng)會(huì)把濾板內(nèi)殘留的母液反吹出來(lái)，對(duì)操作環(huán)境污染較為嚴(yán)重。但此現(xiàn)象發(fā)生頻次為3次/月，較少，只要定期更換濾布就能避免。

2 采取的措施

1）操作優(yōu)化：①適當(dāng)降低反吹風(fēng)量。立盤(pán)過(guò)濾機(jī)是通過(guò)反吹風(fēng)把濾布上的濾餅吹脫，使濾布再生，重復(fù)循環(huán)作業(yè)[8]。但如若反吹風(fēng)量太大時(shí)，會(huì)把反吹風(fēng)中攜帶的水及殘留在濾板內(nèi)的母液反吹出來(lái)，并會(huì)造成濾布破損率升高。反吹風(fēng)壓力由原來(lái)的0.4 MPa降至0.2 MPa，適當(dāng)降低反吹風(fēng)量至濾餅剛好能卸下，既能減少反吹母液量，又能降低空壓機(jī)負(fù)荷；②降低立盤(pán)過(guò)濾機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速，增加濾餅厚度，增加卸料區(qū)的密封性及阻力，減小反吹母液量；③減小過(guò)濾機(jī)頻繁開(kāi)停車(chē)，避免過(guò)濾機(jī)無(wú)負(fù)荷情況下抽真空及反吹濾布，既能降低濾布破損率，也可以減少反吹母液量；

2）利用軸流風(fēng)機(jī)代替空壓機(jī)生產(chǎn)反吹風(fēng)，消除反吹風(fēng)攜帶水的問(wèn)題。利用空壓機(jī)給過(guò)濾機(jī)供反吹風(fēng)，需要循環(huán)水作為空壓機(jī)的輔助介質(zhì)。流程圖如圖3。

圖3 過(guò)濾機(jī)舊反吹風(fēng)流程圖Fig.3 Old flow chart of reverse blowing of filter

空壓機(jī)產(chǎn)生的反吹風(fēng)中含水量較大，大部分可以通過(guò)空氣儲(chǔ)罐排水閥排走到回水管，但部分水會(huì)被攜帶到過(guò)濾機(jī)，經(jīng)測(cè)算進(jìn)入單臺(tái)立盤(pán)過(guò)濾機(jī)的水約0.5 m3/h，8臺(tái)立盤(pán)過(guò)濾機(jī)運(yùn)行，每小時(shí)進(jìn)入生產(chǎn)系統(tǒng)水量為4 m3/h，造成晶種過(guò)濾系統(tǒng)沖淡嚴(yán)重，增加生產(chǎn)成本[6]。

利用新型軸流離心風(fēng)機(jī)代替舊的水環(huán)式空壓機(jī)生產(chǎn)反吹風(fēng)，示意圖如圖4。

圖4 過(guò)濾機(jī)新反吹風(fēng)流程圖Fig.4 New flow chart of reverse blowing of filter

離心風(fēng)機(jī)不需要用水來(lái)做動(dòng)力介質(zhì)。在晶種過(guò)濾四樓安裝3臺(tái)離心通風(fēng)機(jī)，給8臺(tái)立盤(pán)過(guò)濾機(jī)供應(yīng)反吹風(fēng)，運(yùn)行電流為78A，比空壓機(jī)運(yùn)行電流（180A）大幅度降低，既降低了過(guò)濾機(jī)系統(tǒng)的電耗，又徹底消除了反吹風(fēng)帶水現(xiàn)象；

3）晶種槽頂加乏汽管，把蒸汽引流外排。在晶種槽頂加根DN800的乏汽管至晶種過(guò)濾機(jī)廠房外。晶種槽內(nèi)大量蒸汽通過(guò)乏汽管引流至廠房外，遇空氣冷凝變成水。使得往上走的蒸汽量大幅度減少，這部分蒸汽再經(jīng)過(guò)濾餅降溫后，再往上飄的堿蒸汽已經(jīng)很少。如圖5所示。

圖5 晶種槽乏汽流程圖Fig.5 Flow chart of waste steam of seed crystal tank

3 應(yīng)用效果

3.1 技術(shù)效果

1）通過(guò)此次研究及應(yīng)用，大大減少了立盤(pán)過(guò)濾機(jī)的堿蒸汽，解決了現(xiàn)場(chǎng)飄堿的安全隱患，截止2019年5月全部措施實(shí)施完后，晶種過(guò)濾再?zèng)]出現(xiàn)作業(yè)人員皮膚堿燒傷現(xiàn)象，并且現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)環(huán)境得到了大幅度的改善，現(xiàn)場(chǎng)積料很少，環(huán)境衛(wèi)生由每天打掃2次降為一周打掃1次，降低了員工的勞動(dòng)強(qiáng)度；

2）降低立盤(pán)過(guò)濾機(jī)的反吹母液量，減少了種分母液回頭，降低了分解首槽苛性比值，加快了分解速度，有利于提高氧化鋁生產(chǎn)的分解率[7]，提高氧化鋁產(chǎn)量；

3）減少了設(shè)備事故。由于飄堿嚴(yán)重，過(guò)濾機(jī)及附屬設(shè)備的各潤(rùn)滑點(diǎn)的加油嘴幾乎全部被堿結(jié)疤堵塞，造成加油困難，或者加不進(jìn)去潤(rùn)滑油，造成缺油的設(shè)備事故頻發(fā)。通過(guò)減少立盤(pán)過(guò)濾機(jī)的堿蒸汽研究后，設(shè)備潤(rùn)滑油嘴堵塞現(xiàn)象大幅度減少。

3.2 經(jīng)濟(jì)效益

1）改用離心通風(fēng)機(jī)后減少了大量的水進(jìn)入流程，降低了晶種過(guò)濾系統(tǒng)沖淡，間接降低了蒸發(fā)器的負(fù)荷及減少了新蒸汽消耗[8]。過(guò)濾機(jī)反吹風(fēng)帶人系統(tǒng)的水為4 m3/h，蒸發(fā)器平均氣水比為0.195。生產(chǎn)1 t蒸汽需要160元的成本。

每小時(shí)少使用蒸汽量=0.195×4=0.78 t；

每天節(jié)省蒸汽費(fèi)用=0.78×160×24=2 995.2元；

全年節(jié)省蒸汽費(fèi)用=2 995.2×365

=1 093 248元。

2）降低了過(guò)濾機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行電耗。利用離心通風(fēng)機(jī)代替空壓機(jī)，離心通風(fēng)機(jī)運(yùn)行電流78A，只開(kāi)3臺(tái)；而用空壓機(jī)帶，運(yùn)行電流180A，需要開(kāi)6臺(tái)。電單價(jià)為0.3元/度。

全年節(jié)約電費(fèi)：（180A×6×380÷1000×24×365）×0.3-（78A×3×380÷1000×24×365）×0.3=844 849.4元。

全年共計(jì)節(jié)約費(fèi)用約193.8萬(wàn)元。

4 結(jié)語(yǔ)

1）晶種過(guò)濾中堿蒸汽主要是由精液蒸汽與立盤(pán)過(guò)濾機(jī)的反吹母液、濾餅堿液混合形成，采用降低過(guò)濾機(jī)反吹風(fēng)壓力、轉(zhuǎn)速及乏汽引流等措施能大幅降低堿蒸汽的含量，同時(shí)消除安全隱患，減少設(shè)備事故；

2）引用離心通風(fēng)機(jī)代替老式水環(huán)式空壓機(jī)，既能降低晶種過(guò)濾系統(tǒng)的電耗，又能減少水進(jìn)入生產(chǎn)系統(tǒng)，減少系統(tǒng)沖淡，降低氧化鋁生產(chǎn)蒸發(fā)工序的新蒸汽消耗。全年共計(jì)節(jié)約成本193.8萬(wàn)元；

3）通過(guò)對(duì)晶種過(guò)濾系統(tǒng)堿蒸汽的研究及上述技術(shù)應(yīng)用，有效降低了員工勞動(dòng)強(qiáng)度，改善了作業(yè)環(huán)境。