赤泥沉降性能影響因素研究

王永昌,溫相琳,彭倩倩,楊慧

(1.龍口東海氧化鋁有限公司,山東 煙臺 265713;2.山東南山鋁業(yè)有限公司國家鋁合金壓力加工工程技術(shù)研究中心,山東 煙臺 265713;3.山東省鋁合金壓力加工技術(shù)創(chuàng)新中心,山東 煙臺 265713;4.山東南山科學(xué)技術(shù)研究院有限公司有色金屬產(chǎn)業(yè)研究院,山東 煙臺 265713)

在氧化鋁生產(chǎn)工藝中采用燒結(jié)法得到的溶出漿液是包括鋁酸鈉溶液和赤泥雜質(zhì)的混合物,想要獲得較為純凈的鋁酸鈉溶液以及固含相對較高的赤泥是極為重要的[1]。氧化鋁生產(chǎn)工藝中的赤泥沉降大多采用重力沉降,其具有如下優(yōu)異的特性:設(shè)備簡單、造價(jià)低、施工容易、安全系數(shù)高以及易于維護(hù)等特點(diǎn)。由于懸浮液中赤泥與溶液的密度相差較大,使其在重力場中發(fā)生相對運(yùn)動,最終實(shí)現(xiàn)溶液與赤泥的分離。但在沉降分離過程中,一方面赤泥本身存在相對較高的分散度,顆粒粒度分布不均,一部分微粒接近膠體。另一方面赤泥粒子有著較大的比表面積,在溶液中易產(chǎn)生溶劑化作用表面形成一層膜,妨礙微粒間相互聚集。固液分離不徹底將使生產(chǎn)不能正常進(jìn)行,直接影響固液分離效率和氧化鋁的產(chǎn)出率[2]。本實(shí)驗(yàn)通過調(diào)控絮凝劑添加種類、添加量、添加方式、熟料粒度、溶液固含等影響因素,對沉降分離效果進(jìn)行了研究,這將對實(shí)際生產(chǎn)具有重要的理論指導(dǎo)意義。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

某氧化鋁公司所用熟料經(jīng)過破碎、球磨后得到粒度分布不一的實(shí)驗(yàn)原料,其主要化學(xué)成分分析結(jié)果如表1所示。

表1 某氧化鋁公司熟料成分質(zhì)量含量 單位:%

從表1中可以看出,該實(shí)驗(yàn)選用的鋁土礦為高硅鐵型鋁土礦,其中Al2O3含量為36.87%,SiO2含量為9.36%,礦物A/S=3.94,其中各類含量較高的雜質(zhì)包括:Na2O、Fe2O3、K2O、CaO等。

1.2 實(shí)驗(yàn)主要設(shè)備

(1)低壓群釜實(shí)驗(yàn)裝置:本實(shí)驗(yàn)中的反應(yīng)裝置為低壓溶出器,內(nèi)含若干個(gè)鋼彈,選用甘油作為加熱介質(zhì)。攪拌方式為翻滾球磨式,采用WMZK--011溫度指示儀控制溫度(控溫精度為±1 ℃)。

(2)沉降設(shè)備如圖1所示,沉降管:沉降管內(nèi)徑33 mm,有效高度為300 mm,一次可裝入250 mL左右的溶出漿液。

圖1 沉降實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

(3)其他實(shí)驗(yàn)儀器見表2。

表2 實(shí)驗(yàn)儀器

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 絮凝劑的制備

在200 mL去離子水中加入預(yù)先稱量好的2 gNaOH,將其置于恒溫水浴中加熱至55 ℃。在攪拌速度為在300 r/min的條件下,邊攪拌邊加入0.50 g乳液狀絮凝劑,將溶解好的絮凝劑導(dǎo)入500 mL的容量瓶中定容,備用。

1.3.2 溶出沉降實(shí)驗(yàn)

在鋼彈中加入100 mL預(yù)先配好的調(diào)整液以及漿料,攪拌速度保持為150 r/min,在75 ℃下預(yù)熱5 min后開始計(jì)時(shí)。實(shí)驗(yàn)進(jìn)行15 min,立即置于水中冷卻后將溶出漿液邊攪拌邊倒入沉降管中后,在90 ℃下保溫,進(jìn)行沉降實(shí)驗(yàn)。在沉降管中加入預(yù)先配置好的、具有一定比例的絮凝劑進(jìn)行攪拌,計(jì)時(shí)并記錄不同時(shí)刻的底流液面高度。沉降反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行60 min后取樣品檢測上清液濃度。主要實(shí)驗(yàn)儀器列于表2中。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 絮凝劑種類的影響

絮凝劑作用機(jī)理是凝聚和絮凝兩種作用過程。凝聚是膠體顆粒脫穩(wěn)并形成細(xì)小的凝聚體的過程:而絮凝則是所形成的細(xì)小的凝聚體在絮凝劑的橋連下生成大體積的絮凝物的過程[3]。對于同一種漿料而言,不同種類的絮凝劑效果也是不同的。

2.1.1 無機(jī)復(fù)合高分子絮凝劑的影響

無機(jī)復(fù)合高分子絮凝劑是指含有鋁鹽、鐵鹽和硅酸鹽等多種具有絮凝或助凝作用的物質(zhì),它們預(yù)先分別經(jīng)羥基化聚合后再加以混合,或先混合再加以羥基化聚合,形成羥基化的更高聚合度的無機(jī)高分子形態(tài)[4]。它的出現(xiàn)降低了成本且提高沉降效率。

本實(shí)驗(yàn)選取A1～A4無機(jī)高分子絮凝劑,T漿料=75 ℃,漿料添加量230 g/L,絮凝劑添加量為200 g/t-干赤泥。沉降情況如圖2所示。

圖2 不同絮凝劑對溶出漿液沉降性能的影響

從圖2中得出,在系統(tǒng)中分別添加A1～A4無機(jī)高分子絮凝劑,在反應(yīng)初期的10 min內(nèi),相較于A2、A3型號的絮凝劑,A1、A4絮凝劑使得系統(tǒng)中赤泥的沉降速度明顯加快,漿液壓縮高度比迅速達(dá)到60%以下;隨著時(shí)間的延長,A1、A4依然保持較高的沉降分離效果,相比于添加了A4種類的絮凝劑系統(tǒng),含有A1絮凝劑的沉降漿液高度比<50%,具有優(yōu)異的沉降效果,且得到的漿料中ρ(Al2O3)>180 g/L,符合生產(chǎn)要求。

2.1.2 有機(jī)高分子絮凝劑對溶出沉降性能的影響

有機(jī)高分子絮凝劑含有帶電的官能團(tuán)或中性的官能團(tuán),溶于水中而具有電解質(zhì)行為[5]。根據(jù)生產(chǎn)要求選取A5～A11型號的有機(jī)高分子絮凝劑作為本次的實(shí)驗(yàn)對象,T漿料=75 ℃、漿料添加量:230 g/L,絮凝劑添加量為200 g/t-干赤泥。

從圖3曲線明顯看出,在反應(yīng)初期,A5、A6、A8、A10絮凝劑的沉降效果大致在一個(gè)水平內(nèi),沉降速度很小,漿液壓縮高度比>90%;相比而言,A7、A9、A11絮凝劑的沉降效果顯著,且沉降速度依次增大,漿液壓縮高度比在40%～70%。值得注意的是,加入A11絮凝劑,沉降漿液高度比在10 min內(nèi)迅速達(dá)到40%以下,且沉降速度極快,顯示出一定的優(yōu)越性。隨著時(shí)間的推移,A5～A11絮凝劑使得漿料壓縮高度比整體趨勢是下降的,到60 min時(shí)A11絮凝劑料漿系統(tǒng)高度比例仍然最低,沉降效果較為理想。

圖3 不同絮凝劑對溶出漿液沉降性能的影響

沉降過程可用Stocks來描述:

式中:v—自由沉降速度,m/s;ρs,ρl—赤泥顆粒的密度與液相的密度,kg/m3;dp—赤泥顆粒的當(dāng)量直徑,m;μ—液相的動力黏度,Pa·s;g—重力加速度,m/s2。

綜上所述,有機(jī)高分子絮凝劑A11是效果最理想且制備較容易的一類絮凝劑,在整個(gè)實(shí)驗(yàn)中均采用該絮凝劑進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

2.2 絮凝劑加入量的影響

沉降過程中,在其他條件保持不變的情況下,根據(jù)生產(chǎn)需求,設(shè)置絮凝劑添加量為50 g/t-干赤泥、100 g/t-干赤泥、200 g/t-干赤泥、400 g/t-干赤泥進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)表明:盡管絮凝劑添加量略有不同,但是沉降系統(tǒng)中的沉降速度均很大,在沉降反應(yīng)僅僅持續(xù)了10 min就進(jìn)入了赤泥壓縮階段,且隨著反應(yīng)的進(jìn)行,漿液壓縮高度比在30%～50%。如圖4,絮凝劑添加量越來越多,沉降速度隨之提升。當(dāng)添加量為100 g/t-干赤泥和200 g/t-干赤泥時(shí),沉降的絮團(tuán)更大,上清液更加清亮,經(jīng)過測試發(fā)現(xiàn)浮游物濃度更低。由圖4也可以清晰地看出,在溶出漿料其他條件不變的情況下,絮凝劑的量不宜過多,絮凝劑本身屬于黏性高分子[6],加入量過多造成漿料發(fā)稠發(fā)黏,同樣不利于沉降性能的提升。實(shí)驗(yàn)表明,將絮凝劑添加量標(biāo)準(zhǔn)控制在200 g/t-干赤泥時(shí),沉降速度最大且上清液最清亮,此時(shí)浮游物濃度保持在最低狀態(tài)。在燒結(jié)法生產(chǎn)氧化鋁工藝中展現(xiàn)出極大的優(yōu)越性,這對于實(shí)際生產(chǎn)具有一定的指導(dǎo)意義。

圖4 不同絮凝劑添加量對沉降性能的影響

2.3 絮凝劑的添加方式的影響

在實(shí)際的生產(chǎn)操作工藝中,對于相同用量的絮凝劑,其在沉降系統(tǒng)中的添加方式也是至關(guān)重要的。在上述實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),將絮凝劑添加量標(biāo)準(zhǔn)控制在100～200 g/t-干赤泥的范圍時(shí),會展現(xiàn)出良好的沉降效果。因此,選取了如下實(shí)驗(yàn)策略:取適宜量的溶出漿液置于沉降管中,先加入100 g/t-干赤泥的絮凝劑添加量并且采用邊攪拌邊加入的策略,使其充分與漿液混合均勻、相互接觸。當(dāng)觀察到含有細(xì)小的絮團(tuán)生成時(shí),再向系統(tǒng)中加入相同的100 g/t-干赤泥的絮凝劑,依舊采用邊攪拌邊緩慢加入的方式進(jìn)行,混合均勻后進(jìn)行計(jì)時(shí)。與此同時(shí),向另一組相同條件下的沉降系統(tǒng)中一次性加入200 g/t-干赤泥的絮凝劑量作為對照實(shí)驗(yàn)。

如圖5得到的曲線趨勢可以看出,在沉降漿液中加入絮凝劑可以有效提升沉降效果,在短時(shí)間內(nèi)可以進(jìn)入壓縮階段并完成沉降過程。當(dāng)設(shè)置絮凝劑總加入量相同時(shí),將等量的絮凝劑一次性加入,沉降漿液中粒子與絮凝劑結(jié)合的過程中,絮凝劑分子之間也存在著相互作用,擾亂粒子與絮凝劑的結(jié)合。相比于一次加入,絮凝劑分兩次加入可以明顯提高赤泥的沉降速度,并能獲得更好的底流壓縮效果。主要原因在于,先加入一部分絮凝劑,使得漿料粒子與部分絮凝劑首先相互接觸凝聚,絮凝劑含量相對較低,可以有效避免絮凝劑分子之間的相互作用;而當(dāng)?shù)诙渭尤胄跄齽┯挚梢允钩嗄喽涡鯃F(tuán)[7],增大絮團(tuán)直徑,提升沉降速度,從而獲得優(yōu)異的沉降效果。

圖5 絮凝劑添加方式對沉降性能的影響

2.4 熟料粒度的影響

本實(shí)驗(yàn)選取了在不同碾磨時(shí)間下磨制的熟料,研磨時(shí)間不同,粒度組成分布也是不同的。具有代表性的是以下4種系列:未研磨的熟料為1#;磨制時(shí)間為1,2,3 min后的熟料為2#～4#,隨后開展沉降實(shí)驗(yàn)。

由圖6可知,在沉降反應(yīng)初期,1#～4#之間的沉降性能存在著顯著的變化:隨著研磨時(shí)間逐漸延長,熟料粒度隨之逐漸減小。在10 min內(nèi)迅速達(dá)到赤泥壓縮狀態(tài),漿液壓縮高度比在20%～40%。通過曲線趨勢還發(fā)現(xiàn),粒度越小,在一定程度上可以有效提升沉降效果,但粒度過小,使得沉降性能相對較差。這主要是因?yàn)?一方面,粒度小、比表面積大,可以大大提升粒子與絮凝劑的接觸位點(diǎn),有利于沉降反應(yīng)的持續(xù)進(jìn)行[8];另一方面,粒度過細(xì),由于溶劑化效應(yīng)的存在,它使粒子表面形成一層液膜,這層液膜阻礙粒子互相靠近凝聚成大的顆粒,使?jié){液難以沉降和壓縮[9]。此外,實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),熟料粒子越細(xì),上清液越渾濁,即溢流的浮游物濃度越高,因此,熟料粒度不宜太小[10]。

圖6 不同粒度對溶出漿液沉降性能的影響

2.5 固含的影晌

將溶出后的漿料加入沉降管中并進(jìn)行抽濾,預(yù)先配置不同固含的漿液進(jìn)行沉降性能實(shí)驗(yàn)。

從圖7可以看出,一定的固含有利于沉降反應(yīng)的發(fā)生,10 min內(nèi)沉降速度很快,進(jìn)而達(dá)到赤泥壓縮階段。在沉降時(shí)間相同的條件下,隨著溶出漿液的固含從50 g/L依次提高至80 g/L,漿液壓縮高度比依次上升。這表明在其他條件保持不變的情況下,漿液固含越高,沉降性能越差。主要原因在于:沉降系統(tǒng)內(nèi)熟料粒度相同,隨著漿液的固含逐步緩慢升高,單位體積內(nèi)顆粒數(shù)逐漸增多,從而絮團(tuán)間距越小,相互之間的排斥作用或空間位阻越大,嚴(yán)重干擾顆?；蛐鯃F(tuán)的沉降性能,故赤泥沉降速度降低[11]。在實(shí)際生產(chǎn)中,控制溶出漿液的固含在50 g/L～60 g/L之間,沉降效果可以達(dá)到最佳狀態(tài)。

圖7 不同固含對溶出漿液沉降性能的影響

3 結(jié)論

本文重點(diǎn)對拜耳法高濃度溶出漿液的沉降分離進(jìn)行了系統(tǒng)的研究,得到如下主要結(jié)論:

(1)在拜爾法熟料高濃度溶出漿液分離中,對于Al2O3濃度為180 g/L的溶出漿液,相比于無機(jī)復(fù)合高分子絮凝劑,有機(jī)高分子絮凝劑具有較好的沉降效果,且有機(jī)高分子絮凝劑A11可以實(shí)現(xiàn)固液快速分離,經(jīng)過60 min壓縮,漿液壓縮高度比保持在30%～40%之間,能夠滿足生產(chǎn)的需要。

(2)絮凝劑的添加量對赤泥沉降性能的影響較大。在Al2O3濃度為180 g/L,固含為80 g/L左右的溶出漿液中,在一定的范圍內(nèi),絮凝劑添加量增大可達(dá)到較好的沉降效果,1 min內(nèi)就能進(jìn)入赤泥壓縮階段,且60 min內(nèi)沉降高度比保持在較低的范圍。

(3)在絮凝劑相同使用量的條件下,相比于一次加入,絮凝劑多次加入可以得到更好的沉降效果。

(4)熟料粒度越細(xì),沉降效果越差,實(shí)驗(yàn)證明,粒度越細(xì),沉降效果越好。鑒于熟料顆粒越細(xì)會加速溶出過程中的二次反應(yīng),同時(shí)對沉降性能也有不利影響,所以在濕磨過程中控制赤泥粒度,不宜過細(xì)。

(5)溶出漿液的固含越高,赤泥沉降速度越慢。