拜耳法流程中碳酸鈉升高的原因分析及降低措施

王磊，陸玉，王加文

（中國鋁業山東分公司氧化鋁廠，山東淄博255052）

拜耳法流程中碳酸鈉升高的原因分析及降低措施

王磊，陸玉，王加文

（中國鋁業山東分公司氧化鋁廠，山東淄博255052）

由于鋁土礦中鈣、鎂化合物在溶出過程中形成碳酸堿以及鋁酸鈉溶液吸收空氣中CO2形成碳酸鈉等原因，導致流程中碳酸鈉濃度升高、溶出率低、蒸發器能耗升高等不利影響。通過抑制反苛化反應、強化結晶析鹽、采用機械攪拌以及將拜耳法精液與燒結法精液合流碳分等措施，減少了流程中Nc的循環累積，蒸發母液中Nc濃度由46.59 g/L降為30.57 g/L。

氧化鋁生產；拜耳法；碳酸鈉；循環累積

2009 年中國鋁業山東分公司（簡稱山鋁）在原有燒結法生產流程基礎上，新上40萬t拜耳法生產線，在產量逐漸提高的同時，流程中的Nc（以Na2CO3形態存在的Na2O）濃度也在逐漸積累升高，對拜耳法氧化鋁溶出、分解及蒸發工序造成了嚴重影響。拜耳法精液、種分母液及蒸發母液中Nc/NT（NT指以苛性堿和碳酸堿形態存在的堿的總和）濃度急劇升高，其中蒸發母液Nc/NT高達19.85%。這部分Nc如果不加以排除，將會在流程中逐漸累積，降低循環效率、影響溶出效果、同時增加堿耗，嚴重時還會引發生產事故。

1 拜耳法生產中碳酸鈉形成的原因

1）在鋁土礦中含有少量的方解石CaCO3和白云石CaCO3·MgCO3，在溶出過程中它們極易分解，將苛性堿轉變為碳酸堿，造成苛性堿的損失。主要發生反應如下：MeCO3＋2NaOH＝Na2CO3＋Me（OH）2（Me表示鈣或鎂）。

2）拜耳法氧化鋁生產過程中，鋁酸鈉溶液會吸收空氣中的CO2形成碳酸鈉，每進行一次拜耳法循環，大約有3%的苛性堿變成碳酸鈉。

3）種分分解槽有空氣攪拌和機械攪拌兩種形式，山鋁部分分解系統部分分解槽使用空氣攪拌，在空氣攪拌過程中，大量CO2進入鋁酸鈉溶液中，發生碳酸化反應，形成碳酸堿：2NaAl（OH）4＋CO2＝2Al（OH）3＋Na2CO3。

4）拜耳法大幅提產后，燒結法不能完全消化拜耳法赤泥，大部分拜耳法赤泥與燒結法赤泥混合輸送過濾后堆存，造成堿耗升高。為回收這部分苛性堿，山鋁對返回赤泥濾液進行石灰乳苛化，苛化漿液返回拜耳法洗滌系統。受濾液浮游物、石灰乳有效鈣濃度、苛化溫度等影響，苛化反應不完全或反苛化都將造成系統中碳酸鈉累積升高。

2 系統Nc升高的危害

1）導致溶出系統的溶出速度慢，溶出率低。種分母液經蒸發濃縮后溶出下一批鋁土礦，當循環母液溶出鋁土礦時，因為循環母液中部分苛性堿已與氧化鋁結合成鋁酸鈉，這部分苛性堿不參與鋁土礦中溶出氧化鋁的反應（即惰性堿），加上蒸發系統中碳酸鈉升高，母液苛性比值降低，溶出過程中溶液的未飽和度降低，溶出速度慢，溶出率低。此外，循環堿量升高，也不利于循環效率的提高［1］。

2）破壞沉降槽動態平衡，沉降槽易跑混。由于循環母液苛性比值偏低，鋁土礦溶出率低，赤泥產出量升高，沉降槽不易操作，一旦破壞沉降槽動態平衡，將造成沉降槽的跑混。此外，系統碳酸鈉升高后，造成稀釋漿液苛性比值偏低，鋁酸鈉溶液穩定性較低，在分離、洗滌工序易發生水解，也會導致沉降槽出現跑混現象，嚴重時會影響袋濾機過料。

3）造成蒸發器能耗升高。在蒸發過程中，隨著全堿濃度的升高，碳酸鈉的溶解度降低，在蒸發器中循環積累到一定程度便結晶析出，在蒸發器壁上形成結疤，降低蒸發器的傳熱效率［2］。此外，隨著碳酸鈉升高，苛性堿降低，為滿足溶出工序的苛性比要求，蒸發器被迫提高蒸發濃度，最終造成蒸發器能耗升高，不利于生產成本的降低。

3 降低流程Nc的措施

3.1 控制苛化條件，抑制反苛化反應

在拜耳法生產中，一般采用石灰法進行苛化。主要反應如下：Na2CO3＋Ca（OH）2＋aq＝2NaOH＋CaCO3＋aq。

由于水中碳酸鈣的溶解度比氫氧化鈣小，隨著苛化過程的進行，溶液中OH-逐漸增高，而使氫氧化鈣的溶解度降低，與此同時，溶液中碳酸根離子隨苛化反應的進行逐漸降低，使碳酸鈣的溶解度下降，所以碳酸鈉不能完全轉化為氫氧化鈉，只能達到一定的平衡［3］。石灰添加量過大，尤其是石灰煅燒質量欠佳時，隨著苛化反應的進行，反苛化反應也在同時進行，反應如下：3CaCO3＋2NaAl（OH）4＋4NaOH+aq＝3CaO·Al2O3·6H2O＋3Na2CO3＋aq。

生產上通過嚴格控制石灰乳有效鈣濃度，確保石灰乳有效鈣在220 g/L以上，同時嚴格按照CaO/ Na2O＝1.2添加石灰乳，有效抑制反苛化量。

3.2 強化結晶析鹽操作

山鋁利用二段蒸發工藝進行結晶析鹽，蒸發NT濃度提高至280～300 g/L，沉降分離后利用40 m2轉鼓過濾機過濾，結晶鹽進入燒結法配料，濾液進入拜耳法配料。利用40 m2轉鼓過濾機相對壓濾機可有效控制濾餅水分，降低附液進入燒結法的倒補堿現象，并實現過濾機的連續運轉。由于強制循環出料溫度較高，通過對沉降槽流程進行改造，實現蒸發器出料在沉降槽中循環緩沖。隨著溫度降低，溶液過飽和度進一步提高，促進二次結晶的形成，有利于提高過濾機產能。通過穩定強制循環蒸發器進料量、濃度，避免因氧化鋁、苛性堿濃度影響，而造成結晶鹽黏度大、粒度細、沉降效果差現象的發生，減少濾液浮游物含量，達到強化排鹽的目的。

3.3 改造種分風攪拌系統

新建種分槽攪拌系統全部改用機械攪拌。這主要由于機械攪拌具有動力消耗低、攪拌時固體顆粒在整個槽內分布均勻、循環量高、結疤少的優點，與空氣攪拌相比較最大的優點是避免了鋁酸鈉溶液與CO2的接觸，減少了溶液碳酸化的反應發生，有效降低流程碳酸鈉含量［4］。

3.4 拜耳法精液與燒結法精液合流碳分

拜耳法精液與燒結法精液合流進行碳酸化分解，碳分母液進入燒結法系統配料。為保證產品質量，嚴格控制混合精液A/S（鋁酸鈉溶液中Al2O3與SiO2的質量分數比），拜耳法精液與燒結法精液按照體積比6:4進入連續碳酸化分解，小時碳分混合精液體積100 m3，拜耳法精液NT、Nk（以NaAlO2和NaOH形態存在的Na2O）、Nc分別為173.85 g/L、142.00 g/L、30.53 g/L，進行碳酸化分解后，每小時排除拜耳法系統碳酸鈉1 831.80 kg（60×30.53）。拜耳法精液量按15 000 m3/d進行組織。經過碳分分解后，這部分碳酸鈉進入燒結法配料，可降低拜耳法精液碳酸鈉濃度2.93 g/L（1 831.80×24/15 000）。

4 改進效果

通過以上措施，山鋁拜耳流程中碳酸鈉含量大幅度降低，改進前（2009-11～2010-03）后（2010-03～06）測定的系統碳酸鈉濃度平均值見表1。

表1 改進前后拜耳法流程中Nc濃度（g/L）變化

對回廠赤泥濾液進行苛化，降低流程Nc的同時，降低堿損失。通過加強石灰乳有效鈣的控制及添加量，預防或抑制了反苛化反應，在保證苛化率的同時減少Al2O3損失，減少流程中Nc的循環累積。強化結晶析鹽操作，增加循環流程，增加結晶量，成為降低拜耳系統碳酸鈉含量的關鍵環節，除鹽效果明顯。種分分解采用機械攪拌取代原有空氣攪拌，有效減少了鋁酸鈉與CO2的接觸，對系統碳酸鈉的升高有一定抑制作用。將拜耳法精液與燒結法精液合流進行碳分，碳分母液進入燒結法配料，有效降低拜耳系統碳酸鈉，該工藝關鍵在于控制好合流精液A/S，從而保證碳分產品質量。

［1］楊重愚.輕金屬冶金學［M］.北京：冶金工業出版社，1993.

［2］楊重愚.氧化鋁生產工藝（修訂版）［M］.北京：化學工業出版社，1993.

［3］畢詩文，于海燕，楊毅宏，等.拜耳法生產氧化鋁［M］.北京：冶金工業出版社，2007.

［4］畢詩文.氧化鋁生產工藝［M］.北京：化學工業出版社，2006.

Abstract:ract:The calcium and magnesium compounds of the bauxite formed carbonate in dissolution process and the sodium aluminate solution absorbed the CO2in the air formed sodium carbonate and so on.It resulted in the concentration increase of sodium carbonate in the flow,reduced the dissolution rate of alumina and increased the consumption of evaporator energy and other adverse effect. Some improvement measures were taken,such as inhibiting the anti-causticization reaction,strengthening crystallization,adopting mechanical stirring instead of air mixing and gathering the sodium aluminate solution from Bayer process with the sodium aluminate solution from sintering process to carbonating.Therefore,it reduced the amount of Nc accumulation in process and the concentration of Nc in evaporation liquor decreased to 30.57 g/L from 46.59 g/L.

Key words: rds:alumina production;Bayer process;sodium carbonate;cycle accumulation

Reason Analysis and Reducing Measures of Concentration Increase of the Sodium Carbonate in Bayer Process Flow

WANG Lei,LU Yu,WANG Jia-wen

（The Alumina Plant of Shandong Branch of China Aluminum Co.,Zibo 255052,China）

TF821

B

1004-4620（2010）06-0019-02

2010-07-16

王磊，男，1977年生，2000年畢業于中南大學有色金屬冶金專業。現為中國鋁業山東分公司氧化鋁廠生產運行科調度長，工程師，從事氧化鋁生產工藝技術工作。