拜耳法赤泥石灰脫堿降本的生產(chǎn)實(shí)踐

楊亮華

(國(guó)家電投山西鋁業(yè)有限公司,山西 原平 034100)

中國(guó)氧化鋁工業(yè)近幾年發(fā)展迅速,據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)顯示,2022年我國(guó)氧化鋁產(chǎn)量達(dá)到7 821.5萬(wàn)噸,連續(xù)多年排名世界第一。與產(chǎn)量端風(fēng)光無(wú)限相對(duì)應(yīng)的是我國(guó)的鋁土礦源相對(duì)貧乏,資源儲(chǔ)量占比還不到世界總量的3%,且礦石品位逐年變差,造成氧化鋁生產(chǎn)消耗指標(biāo)逐年攀升。其中堿耗作為氧化鋁生產(chǎn)的主要原料消耗之一,約占氧化鋁生產(chǎn)成本的20%,堿耗主要包括赤泥化學(xué)堿損失、赤泥附堿損失、氧化鋁帶走的堿損失等[1],而赤泥化學(xué)堿損失約占?jí)A耗的85%,如何降低這部分堿耗以及與之對(duì)應(yīng)的氧化鋁生產(chǎn)成本成為當(dāng)今氧化鋁行業(yè)生產(chǎn)技術(shù)人員面臨的主要課題[2-3]。大多數(shù)拜耳法氧化鋁廠通過赤泥加石灰脫堿降低堿耗,傳統(tǒng)的赤泥脫堿工藝一般采取洗滌沉降槽底流赤泥直接與石灰乳反應(yīng),脫堿過程中赤泥附液率高,導(dǎo)致脫堿石灰消耗、氧化鋁損失高等問題[4]。

因此,本文對(duì)傳統(tǒng)拜耳法石灰脫堿流程進(jìn)行了優(yōu)化,通過降低脫堿赤泥附液率來(lái)減少脫堿過程中的氧化鋁損失,同時(shí)降低隨赤泥損失的堿耗,并采用電石渣代替石灰進(jìn)行脫堿作業(yè),比較了改造前后脫堿赤泥試驗(yàn)數(shù)據(jù)和生產(chǎn)成本。

1 堿性赤泥石灰脫堿

1.1 堿性赤泥的形成

拜耳法工藝流程中通常采取添加氧化鈣進(jìn)行預(yù)脫硅處理,預(yù)脫硅產(chǎn)物中的堿主要為鈣霞石、水化石榴石等形式存在的化合堿[5-6];鋁土礦中的氧化鋁水合物在高溫、高壓、強(qiáng)堿條件下溶出,會(huì)生成方鈉石等形式的化合堿,同時(shí)部分氫氧化鈉、鋁酸鈉、碳酸鈉、硅酸鈉等可溶性堿吸附在赤泥表面;赤泥中也有部分堿性物質(zhì)來(lái)源于赤泥沉降分離工序,通過添加絮凝劑、助濾劑與鈣離子、碳酸根等反應(yīng)生成方解石、鋁酸三鈣、磷灰石等固體形式[7]。

拜耳法赤泥主要以鈉硅渣(Na2O·Al2O3·nSiO2·mH2O)的形式存在,主要化學(xué)成分包括Na2O、Al2O3和SiO2等,Na2O含量在2.93%～12.9%之間。根據(jù)存在形態(tài),可將赤泥中各類堿性物質(zhì)劃分為化合堿和可溶性堿,其中化合堿以方鈉石和鈣霞石等形式存在,可溶性堿以NaOH、NaAlO2、Na2CO3、Na2SiO3等形式存在。

1.2 石灰脫堿原理

石灰脫堿主要是指在水熱條件下,通過向赤泥中添加石灰,以鈣鈉置換的方式將鈉硅渣(Na2O·Al2O3·nSiO2·mH2O)變成鈣硅渣,從而將鈉硅渣中的Na2O回收進(jìn)入溶液中,以達(dá)到赤泥脫堿的目的[8]。

由文獻(xiàn)[9]可知,加入石灰的多少對(duì)脫堿反應(yīng)的進(jìn)程有顯著影響,石灰加入量不足時(shí),脫堿反應(yīng)主要以式(1)為主,石灰加入量充足時(shí),按照式(2)進(jìn)行。

3Ca(OH)2+2NaAl(OH)4=

3CaO·Al2O3·6H2O+2NaOH

(1)

3Ca(OH)2+Na2O·Al2O3·1.7SiO2·nH2O

+(2-2x)NaAl(OH)4=3CaO·Al2O3·

ySiO2·6H2O+2NaOH+mH2O

(2)

由式(1)可知,氫氧化鈣與赤泥中的鋁酸鈉反應(yīng)生成鋁酸三鈣,造成氧化鋁的損失。而式(2)中氫氧化鈣與鈉硅渣反應(yīng),生成水化石榴石,置換出赤泥中的Na2O,達(dá)到回收堿的目的。

2 雙過濾赤泥石灰脫堿實(shí)踐

2.1 工藝流程調(diào)整

由式(1)可知,脫堿過程中赤泥附液率的高低會(huì)對(duì)脫堿反應(yīng)造成影響,附液率越高則生成鋁酸三鈣造成的氧化鋁損失就越多,由此企業(yè)提出通過優(yōu)化系統(tǒng)流程降低脫堿過程中氧化鋁的附液率來(lái)減少氧化鋁的損失。

改造前赤泥石灰脫堿流程采用脫堿赤泥后過濾流程,如圖1所示。脫堿反應(yīng)后物料經(jīng)赤泥過濾機(jī)過濾,附液進(jìn)入沉降槽系統(tǒng),脫堿后赤泥排入赤泥堆場(chǎng)。

圖1 改造前赤泥脫堿流程(脫堿赤泥后過濾)

改造后赤泥石灰脫堿流程由改造前的脫堿赤泥單過濾流程,調(diào)整為在赤泥送脫堿前后各有一次過濾的雙過濾流程,以降低赤泥附液率,減少了式(1)中反應(yīng)的發(fā)生,如圖2所示。

圖2 改造后赤泥脫堿流程(脫堿赤泥雙過濾)

2.2 生產(chǎn)數(shù)據(jù)分析

為了評(píng)估雙過濾赤泥脫堿流程對(duì)減少氧化鋁損失的影響,將雙過濾和單獨(dú)的后過濾流程的脫堿赤泥數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析,赤泥附液率由改造前的60%降低為改造后的45%,這也對(duì)改造完成后脫堿赤泥中的堿含量產(chǎn)生了積極的影響,具體數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 脫堿工藝流程優(yōu)化后工業(yè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

由表1可知,脫堿赤泥后過濾流程和脫堿赤泥雙過濾流程相比脫堿前赤泥,赤泥中ΔA/S分別增加0.08和0.04;N/S含量從0.5分別降至0.22和0.19。對(duì)比這兩組數(shù)據(jù)可知,脫堿赤泥雙過濾脫堿流程較脫堿赤泥后過濾流程赤泥中的A/S少增加0.04,N/S降低0.03。因此,脫堿赤泥雙過濾流程能減少隨赤泥損失的Al2O3和Na2O,有效降低了氧化鋁的生產(chǎn)成本。

2.3 調(diào)整前后成本對(duì)比

改造前后原料消耗部分成本如表2、表3所示。

表2 改造前噸赤泥脫堿原料消耗部分成本

表3 改造后噸赤泥脫堿原料消耗部分成本

由表2、表3可知,改造前后每噸赤泥脫堿降低的原料消耗部分成本的差值為:

(20.80-323.40+177.03)-(10.50-362.52+213.09)=-13.36(元/t)

企業(yè)對(duì)一期赤泥石灰脫堿流程進(jìn)行優(yōu)化改造,現(xiàn)場(chǎng)增加了1臺(tái)40m2立盤過濾機(jī),1臺(tái)濾餅槽和1臺(tái)濾餅泵,改造后年增加耗電量約51萬(wàn)kWh,按照電價(jià)0.45元/kWh計(jì),增加電費(fèi)23萬(wàn)元/年,一期氧化鋁年產(chǎn)量93萬(wàn)噸,30%的赤泥已進(jìn)行脫堿處理,全年可降低生產(chǎn)成本:

93×30%×(13.36)+23=-350(萬(wàn)元)

3 電石渣代替石灰脫堿實(shí)踐

石灰作為工業(yè)添加劑,在各行各業(yè)得到了最為廣泛的應(yīng)用,但是石灰同樣是一種礦物資源,價(jià)格也在逐年升高,應(yīng)采取降耗降本措施。國(guó)家在“十四五”規(guī)劃中明確提出推動(dòng)我國(guó)大宗固體廢棄物綜合利用效率,實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量綠色發(fā)展。電石渣、鋼渣、造紙白泥、粉煤灰和雞蛋殼等含鈣固體廢棄物年產(chǎn)量大,資源化利用有限。其中電石渣是氯堿工廠制備聚氯乙烯(PVC)產(chǎn)生的廢渣,2021年產(chǎn)出量約2 900萬(wàn)噸,其產(chǎn)出量很大且沒有規(guī)?；南{渠道,如能采取以廢治廢措施,將帶來(lái)較為可觀的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。企業(yè)采用周邊企業(yè)副產(chǎn)的電石渣開展了代替石灰進(jìn)行赤泥脫堿的生產(chǎn)實(shí)踐,具體數(shù)據(jù)如下。

3.1 電石渣代替石灰

電石渣和企業(yè)生產(chǎn)采用石灰的主要成分如表4所示。

表4 石灰和電石渣成分 %

由表4可知,電石渣和石灰成分較為接近,雖然氧化鈣含量較低,但由于其價(jià)格較低,仍可以作為石灰的替代品。電石渣含水率為35%,在輸送過程中極易堵塞下料口,企業(yè)壓溶車間對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了多處工藝改造解決了輸送的難題,實(shí)現(xiàn)了采用電石渣替代石灰的效果,現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行的工藝改造內(nèi)容有:

1) 電石渣下料口處增加沖洗水,避免粘度較大的電石渣粘在下料口壁上,造成下料口堵塞;

2) 電石渣倉(cāng)底增加振打電機(jī),并增加自動(dòng)控制裝置,設(shè)置為自動(dòng)振打,避免電石渣蓬倉(cāng);

3) 將1#、2#化灰機(jī)通過管道流程改造進(jìn)行流程徹底隔離,實(shí)現(xiàn)2#化灰機(jī)單獨(dú)使用電石渣,保障葉濾機(jī)石灰乳的正常供應(yīng);

4) 化灰區(qū)電石渣定量給料機(jī)布料器處下料口進(jìn)行擴(kuò)大改造,促使給料機(jī)出料更加順暢。

3.2 生產(chǎn)數(shù)據(jù)分析

本實(shí)驗(yàn)主要分兩階段進(jìn)行,第一階段是取二期高溫赤泥,加水將其稀釋至L/S=1.8,再按一定比例添加石灰及電石渣分別進(jìn)行脫堿實(shí)驗(yàn);第二階段是取二期高溫赤泥,先將其含水率降至52%左右,再按照一定比例添加石灰及電石渣,最后加水將其整體稀釋至L/S=3.0后進(jìn)行脫堿實(shí)驗(yàn),脫堿溫度90℃,脫堿時(shí)間4 h。四洗底流的檢測(cè)數(shù)據(jù)如表5,L/S=1.8、L/S=3.0的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分別如表6、表7所示。

表5 四洗底流原始數(shù)據(jù)

表6 L/S=1.8的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表7 L/S=3.0的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由表6、表7數(shù)據(jù)可知,在配鈣C/S=1.1～1.9的范圍內(nèi),隨著電石渣添加量增大,N/S持續(xù)降低,可得到的最小N/S為0.16、ΔA/S上升0.02較小,脫堿效果較好;在相同的C/S情況下,電石渣的脫堿效果與石灰基本相仿;在配鈣C/S=1.29的情況下,L/S越高,脫堿效果越好。L/S=3.0的情況下(N/S=0.24)效果略優(yōu)于L/S=1.8的情況下(N/S=0.26)。

3.3 調(diào)整前后成本對(duì)比核算

為確定脫堿工藝流程優(yōu)化和采用電石渣替代石灰的效果,對(duì)改造前后企業(yè)氧化鋁實(shí)際脫堿相關(guān)成本進(jìn)行了核算比較。

根據(jù)石灰、電石渣有效鈣和含水率進(jìn)行計(jì)算,1噸電石渣折合0.57噸石灰。按照石灰0.052萬(wàn)元/t、電石渣0.009萬(wàn)元/t,一期脫堿流程每天使用220噸電石渣,全年可節(jié)約生產(chǎn)成本:

(220×0.57×0.052-220×0.009)×365

=1657(萬(wàn)元)

4 結(jié)論及展望

4.1 結(jié) 論

根據(jù)赤泥石灰脫堿流程改造前后對(duì)脫堿赤泥工業(yè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析及成本核算結(jié)果可知:

1) 將脫堿赤泥后過濾調(diào)整為脫堿赤泥雙過濾,可以降低脫堿過程氧化鋁和堿的損失,從而降低赤泥石灰脫堿成本;

2) 采用低成本的電石渣可以替代石灰進(jìn)行脫堿生產(chǎn),以廢治廢,大幅度的提升經(jīng)濟(jì)效益。

4.2 展 望

1) 赤泥附液率與赤泥石灰脫堿的經(jīng)濟(jì)性密切相關(guān),流程調(diào)整后赤泥附液率降低至45%,還有進(jìn)一步降低的空間,后續(xù)可開展針對(duì)性研究。

2) 電石渣的使用受限于化灰機(jī)及輸送管道結(jié)疤,企業(yè)未能實(shí)現(xiàn)電石渣全部代替石灰進(jìn)行脫堿生產(chǎn),后續(xù)可開展針對(duì)性研究,提高電石渣替代率。