氧化鋁生產(chǎn)中石灰消化殘渣高效回收利用技術(shù)研究與實踐

張?zhí)煨?曾憲飛

(貴州華錦鋁業(yè)有限公司, 貴州 貴陽 551405)

0 前言

在拜耳法生產(chǎn)氧化鋁過程中,鋁土礦所含的碳酸鹽(如方解石、白云石、菱鐵礦等)會發(fā)生反苛化反應(yīng),生成碳酸鈉。根據(jù)測定,在拜耳法每一循環(huán)中,因為碳酸鹽發(fā)生反苛化反應(yīng),系統(tǒng)的碳酸鈉含量增加2%以上［1］。碳酸鈉在生產(chǎn)系統(tǒng)中的累積對拜耳法生產(chǎn)危害極大,既影響生產(chǎn)作業(yè)效率,又影響產(chǎn)品質(zhì)量,嚴重時甚至會導致生產(chǎn)難以運行,因此需要將碳酸鈉排出生產(chǎn)系統(tǒng)?，F(xiàn)有排鹽技術(shù)是利用石灰乳經(jīng)苛化反應(yīng),將碳酸鈉轉(zhuǎn)化成碳酸鈣沉淀予以排除,苛化過程需要消耗大量石灰乳,石灰乳制備過程會產(chǎn)生部分殘渣,且石灰質(zhì)量越差,殘渣量就越大。因此,生產(chǎn)流程中通常配置石灰消化工序來制備石灰乳,主要用于排鹽苛化,也有少量用于葉濾機助濾劑。對于石灰乳制備過程中產(chǎn)生的石灰消化殘渣,傳統(tǒng)處理工藝通常簡單地將消化殘渣轉(zhuǎn)移進入生產(chǎn)流程,這種方法會帶來二次危害,例如反苛化反應(yīng)、環(huán)境污染等,而直接丟棄則會造成浪費。因此,探索石灰消化殘渣的高效回收利用對遏制危害生產(chǎn)、降低成本、環(huán)境保護有著重要意義。

1 石灰消化殘渣產(chǎn)生機理

氧化鋁生產(chǎn)用石灰主要成分見表1。由表1可知,石灰以氧化鈣為主,同時含有雜質(zhì)碳酸鈣以及少量的硅、鎂、鋁、鐵等。在使用熱水消化石灰的過程中,有效成分氧化鈣與水發(fā)生溶解反應(yīng)生成熟石灰,其他雜質(zhì)基本不溶解,形成殘渣。殘渣主要成分為氫氧化鈣和碳酸鈣(表2),同時夾雜部分氧化鈣。石灰品質(zhì)越好,在消化過程中產(chǎn)生的殘渣越少。通常情況下,石灰經(jīng)消化過程產(chǎn)生的殘渣量為5%～7%,主要發(fā)生的化學反應(yīng)見式(1)。

表1 石灰主要成分 %

表2 石灰消化殘渣主要成分 %

(1)

傳統(tǒng)石灰消化工藝流程如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)石灰消化工藝流程

2 石灰消化殘渣傳統(tǒng)處置方法存在的問題

對于石灰消化工藝產(chǎn)生的殘渣,傳統(tǒng)處置方法是轉(zhuǎn)運到礦石堆場回收利用,或者直接轉(zhuǎn)運至赤泥堆場丟棄,另外還可以用作石灰石原料產(chǎn)品低價銷售。這種方法主要存在以下問題。

1)揚塵污染周邊環(huán)境。消化殘渣在渣池臨時堆存一天以上的時間就會出現(xiàn)部分粉化現(xiàn)象,致使轉(zhuǎn)運裝卸時極易出現(xiàn)揚塵,對周邊環(huán)境造成不同程度的污染,同時存在一定安全隱患。另外,轉(zhuǎn)運消化殘渣,會產(chǎn)生人工費、車輛費用及運輸燃油費等費用,無疑增加投資及環(huán)保設(shè)施運行相關(guān)費用。

2)消化殘渣進入礦石堆場回收利用造成反苛化危害。消化殘渣混入礦石堆場或石灰系統(tǒng)后,作為石灰摻配料回收利用,由于含有大量石灰石(碳酸鈣),在礦石濕磨到溶出階段,碳酸鈣會不同程度發(fā)生反苛化反應(yīng)［1-2］,生成碳酸鈉。隨著碳酸鈉在生產(chǎn)系統(tǒng)的累積,拜耳法生產(chǎn)的作業(yè)效率和產(chǎn)品質(zhì)量受到較大的影響［3］。主要發(fā)生的反苛化反應(yīng)如式(2)～(4)所示。

(2)

(3)

(4)

3)消化殘渣丟棄造成資源浪費或低價銷售經(jīng)濟性差。消化殘渣含有效成分氧化鈣,若直接丟棄會造成氧化鈣流失而浪費資源,同時占用赤泥堆場儲存空間,既增加工程機械轉(zhuǎn)運費用,又增加赤泥堆場負擔。另外,消化殘渣可以當作石灰石原料產(chǎn)品低價銷售,與石灰石摻配經(jīng)干法磨制成石灰石粉,應(yīng)用于熱力鍋爐煙氣脫硫,但經(jīng)濟性較差,不利于企業(yè)降本增效。

3 石灰消化殘渣回收新工藝

3.1 石灰消化殘渣回收利用原理

石灰消化殘渣主要成分為氫氧化鈣和碳酸鈣,可經(jīng)過破碎和細磨與石灰乳混合用于排鹽苛化和葉濾助濾劑。在排鹽苛化過程,殘渣中的氫氧化鈣將與碳酸鈉發(fā)生苛化反應(yīng)生成碳酸鈣(式(5)),從而對殘渣中有效成分進行回收利用。葉濾過程通常需要添加石灰乳作為助濾劑,其實質(zhì)是石灰乳中氫氧化鈣與鋁酸鈉反應(yīng)生成疏松多孔的鋁酸鈣物質(zhì),從而起到助濾的作用,而石灰消化殘渣中含有氫氧化鈣,能與鋁酸鈉反應(yīng)生成疏松多孔的鋁酸鈣物質(zhì)(式(3)),因此,消化殘渣也能起到助濾的作用。

(5)

3.2 消化殘渣回收利用試驗

石灰消化過程中產(chǎn)生的細殘渣和粗殘渣的細度指標見表3。由表3可知,消化殘渣的粒度較大,如果直接利用于葉濾和苛化工序,既影響葉濾助濾劑制備和苛化反應(yīng),又可能會導致輸送管道堵塞,同時粗顆粒殘渣進入槽罐后會在底部沉積,增加攪拌阻力,甚至使攪拌無法運轉(zhuǎn),因此需要對殘渣進行磨細或者破細。

為回收利用石灰消化殘渣,進行破碎試驗,破碎后的細度見表4。

表4 石灰消化殘渣破碎后粒度指標 %

然后采用破碎后的殘渣進行葉濾助濾劑制備試驗和苛化試驗,葉濾助濾劑制備試驗結(jié)果見表5,排鹽苛化試驗結(jié)果如圖2所示,其試驗條件為精液100 mL、溫度105 ℃,苛化原液100 mL、苛化溫度95 ℃、苛化時間4 h。

圖2 石灰消化殘渣對碳酸鈉苛化效率的影響

表5 石灰消化殘渣與石灰乳制備的助濾劑濾餅成分對比 %

由表5可知,利用石灰消化殘渣和石灰乳制備助濾劑產(chǎn)生的濾餅成分基本一致。試驗過程采用的是純消化殘渣,實際應(yīng)用中將消化殘渣摻配石灰乳,殘渣占比較小,不會對精液精制過程產(chǎn)生影響。

圖2為石灰消化殘渣對碳酸鈉苛化效率的影響。從圖2可知,隨著石灰消化殘渣添加量的增加,苛化效率逐漸增大。當石灰消化殘渣添加量從5 g增加至25 g,苛化效率由8.73%增加到了43.69%。說明石灰消化殘渣有效成分CaO能夠進行苛化反應(yīng),可以取代部分石灰,減少石灰消耗。

3.3 石灰消化及殘渣回收利用流程優(yōu)化

經(jīng)過試驗研究分析,石灰消化殘渣經(jīng)破碎后可以摻配石灰乳進入生產(chǎn)流程,綜合回收利用于葉濾和苛化工序。為此,對化灰機出渣方式進行技術(shù)創(chuàng)新,實現(xiàn)殘渣在線連續(xù)封閉加工處理,直接回收利用進入后端葉濾和苛化,充分利用殘渣中的有效成分氧化鈣。優(yōu)化后的生產(chǎn)流程如圖3所示。

對比圖1和圖3可知,石灰消化殘渣回收處理新工藝取消了傳統(tǒng)化灰機的螺旋提渣和皮帶出渣工藝,增設(shè)殘渣處理工藝,使得殘渣由完全開放堆存轉(zhuǎn)運處理方式轉(zhuǎn)變?yōu)檫B續(xù)封閉再處理方式,既解決了殘渣堆存轉(zhuǎn)運的安全環(huán)保問題,又能實現(xiàn)殘渣粒度調(diào)控,使其粒度滿足生產(chǎn)使用要求,再混入石灰乳流程進入葉濾和排鹽苛化系統(tǒng),實現(xiàn)殘渣的回收利用,同時避免大量雜質(zhì)碳酸鈣返回生產(chǎn)流程前端造成反苛化帶來的危害。

4 實施效果

某氧化鋁企業(yè)利用新工藝對石灰消化殘渣進行回收利用,取得較好的應(yīng)用效果。

1)回收殘渣中有效成分氧化鈣,減少葉濾和排鹽苛化過程石灰消耗。采用該工藝,化灰機產(chǎn)渣率按6%測算,每天石灰進料約360 t,則每天可回收利用的殘渣折算為12.41 t石灰,石灰單耗降低2.82 kg/t-AO。每年可節(jié)約石灰消耗4 531 t,節(jié)約費用149.52萬元,折算成氧化鋁成本,可降低0.93元/t-AO。

2)殘渣直接投入生產(chǎn)使用,不再需要堆存和轉(zhuǎn)運,減少堆存和轉(zhuǎn)運過程的人工費、燃料消耗費、損耗費等,每年節(jié)約11萬元,折算成氧化鋁成本,可降低0.07元/t-AO。

3)該項目一次性投資7.5萬元,每年運行費用約為12.8萬元,運行成本為0.08元/t-AO,每年可產(chǎn)生經(jīng)濟效益334萬元。該項目投資少,效益高,可降低氧化鋁成本2.09元/t-AO。

4)避免殘渣返回生產(chǎn)系統(tǒng)前端發(fā)生反苛化,減少碳酸鈉進入系統(tǒng),降低排鹽消耗。某氧化鋁企業(yè)每年可減少2 152 t碳酸鈉進入生產(chǎn)系統(tǒng),節(jié)約蒸汽消耗10 286 t,節(jié)約石灰消耗約1 593 t,減少費用186萬元,折算成氧化鋁成本,可降低1.17元/t-AO。

5)解決石灰消化殘渣現(xiàn)場臨時堆存及轉(zhuǎn)運堆存在的安全風險及粉化揚塵導致的環(huán)境污染問題,改善現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境,同時避免殘渣直接堆存丟棄造成的氧化鈣流失,減少資源浪費。

5 結(jié)束語

本文提出了石灰消化殘渣回收處理新工藝,并以國內(nèi)某氧化鋁企業(yè)為例,進行消化殘渣回收實踐,取得了較好的效果。對于配置有排鹽苛化工序的氧化鋁企業(yè),制備石灰乳產(chǎn)生的消化殘渣量相對較大,如果不進行資源化回收利用,對周邊環(huán)境有影響,本新工藝可為消化殘渣處置提供參考借鑒。該新工藝沒有產(chǎn)生新固廢,實現(xiàn)殘渣資源化循環(huán)回收利用,具有流程簡單、投資少、效益高等優(yōu)勢,在國內(nèi)氧化鋁企業(yè)具有一定的推廣應(yīng)用價值。