離子型稀土分離企業(yè)連續(xù)沉淀及連續(xù)過濾的工藝設(shè)計

王 明

（長沙有色冶金設(shè)計研究院有限公司，湖南 長沙 410001）

一直以來，由于稀土分離企業(yè)（特別是南方離子型稀土分離企業(yè)）生產(chǎn)規(guī)模普遍較小，產(chǎn)品種類較多，因此生產(chǎn)過程連續(xù)化、自動化程度偏低，特別是沉淀過濾工序。目前，企業(yè)普遍采用批次沉淀（單級沉淀槽）及批次過濾、洗滌（真空抽濾槽）的沉淀過濾工藝及設(shè)備［1］。該工藝的優(yōu)點是設(shè)備投資小、生產(chǎn)操作靈活，缺點是生產(chǎn)效率低、自動化程度低、勞動強度大、廢水量大。

隨著稀土大集團的成立以及勞動力成本的不斷上升，各大集團陸續(xù)對旗下分離企業(yè)進行了整合、優(yōu)化、升級，新建或技改后的企業(yè)生產(chǎn)規(guī)模普遍達到了5 000 t/a以上（以REO計），自動化程度也實現(xiàn)了較大提升。就沉淀過濾工序而言，實現(xiàn)自動化的途徑主要是采用連續(xù)沉淀及連續(xù)過濾工藝及設(shè)備。北方稀土分離企業(yè)由于生產(chǎn)規(guī)模大（10 000 t/a以上）、產(chǎn)品相對集中（La、Ce及PrNd合計占比達到了98.5%左右），已經(jīng)率先實現(xiàn)了連續(xù)沉淀及連續(xù)過濾的產(chǎn)業(yè)化。

近年來，企業(yè)越來越重視自動化水平的提升，部分生產(chǎn)規(guī)模較大的南方稀土分離企業(yè)亦逐步對沉淀過濾工序進行了連續(xù)化、自動化改造，新建項目更是如此。本文結(jié)合作者設(shè)計的某離子型稀土分離項目，對稀土連續(xù)沉淀及連續(xù)過濾的工藝設(shè)計進行介紹。

1 生產(chǎn)工藝

雖然近年來離子型稀土分離企業(yè)生產(chǎn)規(guī)模不斷增加，但是由于產(chǎn)品種類較多，大部分單一產(chǎn)品的產(chǎn)量依然較小，不適合采用連續(xù)化、自動化生產(chǎn)工藝，僅La、PrNd及Y等3種產(chǎn)品的產(chǎn)量較大，分別占到了總產(chǎn)量的1/4左右，達到了3.5～4 t/d，可以考慮采用連續(xù)沉淀及連續(xù)過濾生產(chǎn)工藝及設(shè)備。

1.1 連續(xù)沉淀工藝

相對于批次沉淀而言，連續(xù)沉淀即為稀土料液及沉淀劑溶液以一定流速連續(xù)加入沉淀槽、物料在多級沉淀槽內(nèi)連續(xù)流動并發(fā)生反應(yīng)、反應(yīng)完全的沉淀物漿料連續(xù)排出沉淀槽的生產(chǎn)工藝。沉淀方式為并流沉淀，稀土料液從第1級連續(xù)加入，沉淀劑溶液從除最后1級外的其余各級連續(xù)加入，料漿從最后1級連續(xù)流出。沉淀溫度為常溫，如環(huán)境溫度過低，則可將沉淀槽加熱到50℃左右，沉淀效果更好。采用連續(xù)沉淀工藝后，工人無需頻繁加料、分析、出料、啟停設(shè)備，大大降低了勞動強度和勞動量。

沉淀物料為萃取工序產(chǎn)出的單一氯化稀土料液，其中La、PrNd料液濃度約為1.5～1.7 mol/L（折REO含量，下同），Y料液濃度約為1.0 mol/L。批次沉淀工藝則需將料液稀釋至0.4～0.5 mol/L左右（實際生產(chǎn)中為預(yù)先向沉淀槽內(nèi)加入相應(yīng)量的底水，便于攪拌槳將物料攪動起來），才能進行沉淀，否則溶液的相對過飽和度過大，晶核成核速度過快，容易生成無定型絮狀沉淀物，不好過濾。同時無定型沉淀物更容易夾帶雜質(zhì)，最終影響產(chǎn)品質(zhì)量［2］。

將La料液濃度從1.6 mol/L（260.66 g/L）稀釋至0.5 mol/L（81.46 g/L），則每噸REO需多耗新水及增加排水8.44 m3；PrNd的情況與La相當；將Y料液濃度從1.0 mol/L（112.91 g/L）稀釋至0.4 mol/L（45.16 g/L），則每噸REO需多耗新水及增加排水13.29 m3。采用連續(xù)沉淀工藝后，3種產(chǎn)品平均可減少新水耗量及廢水產(chǎn)出量約10 m3/t。不僅如此，目前大部分地區(qū)均不允許排放高鹽廢水，因此沉淀廢水需蒸發(fā)回收鹽分，減少排水后還可以降低后續(xù)廢水蒸發(fā)工序的設(shè)備投資和運行成本。

采用連續(xù)沉淀工藝后，除首次生產(chǎn)外，沉淀槽一直處于負載沉淀母液和沉淀物的狀態(tài)，相當于批次沉淀反應(yīng)的中間狀態(tài)，沉淀槽內(nèi)的沉淀母液充當了批次沉淀時底水的作用。此時，稀土料液和沉淀劑溶液連續(xù)并流加入沉淀槽中，在攪拌的作用下，溶液的相對過飽和度不會過大，均相成核作用不顯著，亦可得到大顆粒的晶形沉淀。

沉淀劑為質(zhì)量百分比濃度約10%～15%的NH4HCO3溶液，亦可選擇NaHCO3或NaHCO3及Na2CO3的混合物作為沉淀劑。草酸沉淀工藝由于沉淀母液酸度太高，對后續(xù)連續(xù)過濾設(shè)備腐蝕太大，企業(yè)一般不采用連續(xù)沉淀及連續(xù)過濾工藝。沉淀劑溶液以不同流量連續(xù)加入各級沉淀槽，通過調(diào)節(jié)沉淀劑的加入量，來控制各級沉淀槽的pH值，根據(jù)企業(yè)生產(chǎn)實踐，其中第1級為3.5左右，第2級為5左右，第3級為6.5左右。沉淀反應(yīng)如下：

1.2 連續(xù)過濾工藝

沉淀完成后的料漿，從最后1級沉淀槽流出，流入真空帶式過濾機進行連續(xù)過濾及連續(xù)洗滌，其中洗滌段根據(jù)設(shè)備規(guī)格不同可分為3～4段，實現(xiàn)逆流洗滌，洗水可重復(fù)利用2～3次，可減少約一半的洗滌新水用量。如采用真空抽濾槽進行過濾洗滌，洗水無法重復(fù)利用，按每噸REO需30 m3洗水考慮，采用連續(xù)過濾工藝及設(shè)備后，每噸REO可節(jié)約用水及減少排水約15 m3。根據(jù)企業(yè)生產(chǎn)實踐，經(jīng)真空帶式過濾機過濾洗滌后的物料，含水率約為40%（PrNd沉淀略低），燒成率約為35%，與抽濾槽過濾工藝基本相當。

2 設(shè)備配置

2.1 連續(xù)沉淀設(shè)備

連續(xù)沉淀槽為串聯(lián)的若干級攪拌反應(yīng)槽，沉淀槽級數(shù)及單臺容積根據(jù)處理物料量綜合考慮，一般不宜少于4級。以4級為例，其中前3級用于沉淀，最后1級用于陳化，槽間經(jīng)由上部聯(lián)通。反應(yīng)槽材質(zhì)為玻璃鋼（FRP）或均聚聚丙烯（PPH），配備可調(diào)速的低轉(zhuǎn)速、大扭矩稀土永磁節(jié)能電機。前3級沉淀槽攪拌槳轉(zhuǎn)速控制在75～80 r/min，有利于物料擴散，加快反應(yīng)；最后1級陳化槽攪拌槳轉(zhuǎn)速控制在20～30 r/min，有利于晶核長大，晶型成長更好。

2.2 連續(xù)過濾設(shè)備

如果說沉淀環(huán)節(jié)更注重工藝的精確控制，那么過濾、洗滌環(huán)節(jié)則主要依靠先進的設(shè)備。目前，工業(yè)上用來進行連續(xù)過濾的設(shè)備主要是真空帶式過濾機，該設(shè)備集連續(xù)過濾、連續(xù)洗滌、連續(xù)卸料于一體。設(shè)備主要包括機架、從動輥、壓布輥、進料斗、氣罩、淋洗裝置、驅(qū)動輥、濾布、卸料裝置、濾布重力張緊裝置、濾布糾偏裝置、濾布拖輥、清洗裝置、排液罐、水泵、驅(qū)動裝置、控制柜等部件。真空帶式過濾機基本構(gòu)造如圖1所示。

圖1 真空帶式過濾機示意圖

以DU6-500型號（過濾面積為6 m2、膠帶有效寬度為500 mm）的真空帶式過濾機為例，過濾能力約為0.4～0.5 t/h（以濕碳酸稀土實物計）。沉淀產(chǎn)物從真空帶式過濾機卸料端自動卸出，直接裝入噸袋送灼燒工序，代替了工人從抽濾槽中人工出料及裝袋的繁重勞動。如果是新建項目，可考慮將沉淀過濾工序與灼燒工序布置于同一車間內(nèi)，真空帶式過濾機布置于上層，灼燒窯布置于下層，帶濾機卸出的物料直接落入灼燒窯的加料倉，進一步減少了沉淀物料的轉(zhuǎn)運環(huán)節(jié)，實現(xiàn)沉淀、過濾、洗滌、灼燒的整體連續(xù)化、自動化，進一步提高企業(yè)的自動化水平。

3 自動化控制

采用連續(xù)沉淀、連續(xù)過濾工藝及設(shè)備后，基本實現(xiàn)了機械化、自動化生產(chǎn)，大大減輕了工人的勞動強度。如果要進一步提高生產(chǎn)效率、工藝穩(wěn)定性、減少勞動力配置，則需配套自動控制系統(tǒng)，包括儀表、閥門、計算機控制系統(tǒng)等，實現(xiàn)工藝參數(shù)的實時監(jiān)測及生產(chǎn)工藝的自動調(diào)控，將自動化水平進一步提升至信息化、智能化水平。

3.1 流量控制

目前，批次沉淀工藝多采用計量槽來控制加入沉淀槽的料液和沉淀劑的總量，精度較低，工人工作量較大。采用連續(xù)沉淀工藝后，物料連續(xù)加入，流量亦是重要的控制參數(shù)，采用高位槽＋穩(wěn)壓槽＋氣動調(diào)節(jié)閥＋電磁流量計（或金屬轉(zhuǎn)子流量計）＋DCS控制系統(tǒng)的組合方案實現(xiàn)流量的自動控制。

料液及沉淀劑溶液經(jīng)高位槽流入穩(wěn)壓槽，以穩(wěn)定的壓力流入沉淀槽，通過氣動調(diào)節(jié)閥精確控制加入每個沉淀槽的物料流量，通過流量計將流量信號輸入DCS控制系統(tǒng)，實現(xiàn)流量遠程監(jiān)控，通過控制系統(tǒng)可遠程操控氣動調(diào)節(jié)閥，實現(xiàn)流量的自動控制。

3.2 pH值控制

對于碳沉工藝來說，反應(yīng)過程及終點pH值控制是非常重要的，目的是防止反應(yīng)物一方過量加入，導致相對過飽和現(xiàn)象的發(fā)生，進而影響產(chǎn)品品質(zhì)。目前，批次沉淀工藝主要還是采用pH試紙進行人工測量，工作量大，測量精度較低（0.5～1左右），導致產(chǎn)品品質(zhì)不穩(wěn)定。

采用連續(xù)沉淀工藝后，每個沉淀槽均配備pH計，控制精度可達0.1，將信號輸入DCS控制系統(tǒng)，監(jiān)控反應(yīng)過程的穩(wěn)定性，并作為調(diào)節(jié)沉淀劑溶液流量的依據(jù)。通過上述自動化控制手段，可實現(xiàn)生產(chǎn)過程的遠程自動監(jiān)測及控制，大大提高了生產(chǎn)的穩(wěn)定性及一致性，大大降低了工人的勞動量及勞動強度。

4 技術(shù)經(jīng)濟分析

以規(guī)模為5 000 t/a的離子型稀土分離企業(yè)為例，按La、PrNd、Y等3條生產(chǎn)線采用連續(xù)沉淀及連續(xù)過濾工藝，合計沉淀量約為3 630 t/a（以REO計），與傳統(tǒng)的批次沉淀及批次過濾工藝相比，優(yōu)勢明顯。主要技術(shù)經(jīng)濟指標對比見表1。

表1 兩種工藝主要技術(shù)經(jīng)濟指標對比

僅就沉淀過濾工序而言，采用連續(xù)沉淀及連續(xù)過濾工藝及設(shè)備后，除設(shè)備投資有所增加外，生產(chǎn)效率和自動化水平大大提高，工人勞動量和勞動強度明顯降低，可大大減少勞動定員；新水消耗及廢水產(chǎn)出大幅減少，產(chǎn)品直接加工成本顯著降低。

5 結(jié)論

1.針對離子型稀土分離企業(yè)，規(guī)模達到5 000 t/a以上，或單一產(chǎn)品產(chǎn)量達到1 200 t/a以上，且采用碳沉工藝，可以考慮采用連續(xù)沉淀及連續(xù)過濾的生產(chǎn)工藝及設(shè)備。規(guī)?；虍a(chǎn)量較小以及采用草酸沉淀工藝的產(chǎn)品，則不太適用。

2.采用連續(xù)沉淀及連續(xù)過濾工藝及設(shè)備后，除設(shè)備投資有所增加外，生產(chǎn)效率和自動化水平大大提高，工人勞動量和勞動強度明顯降低，勞動定員可減少約2/3（針對采用此工藝的工序考慮）。

3.采用連續(xù)沉淀及連續(xù)過濾工藝及設(shè)備后，新水消耗量及廢水產(chǎn)出量可減少約25 m3/t（按采用此工藝的產(chǎn)品量計算）。

4.采用連續(xù)沉淀及連續(xù)過濾工藝及設(shè)備后，產(chǎn)品直接加工成本可降低約2 300元/t（按采用此工藝的產(chǎn)品量計算）。