降低拜耳流程碳酸鈉含量實踐

毛 鵬，陸 玉

（中國鋁業山東分公司，山東 淄博255052）

1 前言

中國鋁業山東分公司氧化鋁廠一直采用堿石灰燒結法工藝生產氧化鋁。2008年底，受世界金融危機影響，加之燒結法流程長、成本高的弊端，造成氧化鋁廠嚴重虧損，被迫大面積限產。為了適應新形勢，創建資源節約型企業，實現大幅度節能減排，山鋁氧化鋁廠經過大量的研究試驗，對閑置燒結法流程進行了重新配置與優化組合，采用“一間斷、一連續”新技術，形成了一條新拜耳法氧化鋁生產線，并于2009年7月投產運行。

2 拜耳流程碳酸鈉升高原因分析

2.1 鋁礦石中的碳酸鹽分解

山鋁氧化鋁廠使用的礦石主要來自印尼。印尼礦不同程度地含有一定量的方解石CaCO3和白云石CaCO3·MgCO3，這部分碳酸鹽在溶出過程中極易分解，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：

式中：Me表示Ca或Mg。

2.2 鋁酸鈉溶液吸收CO2

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Na2CO3。氧化鋁廠拜耳法生產線由原燒結法閑置設備改造而成，流程布局較長，種分槽體積大小不一，且種分槽之間距離較遠，造成鋁酸鈉溶液更容易吸收空氣中CO2。另外，由于部分種分槽使用的是空氣攪拌，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，形成了Na2CO3。主要反應如下：

實踐中發現，每進行一次拜耳循環，大約有3%～4%的苛性堿變成Na2CO3［1-2］。

2.3 流程防護不到位

山鋁氧化鋁廠拜耳法生產線投用后，與部分燒結法流程并聯運行，隨著拜耳法氧化鋁生產規模的不斷擴大，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壓濾堆存，濾液返回拜耳法洗滌系統循環使用。由于燒結法濾液與拜耳法濾液不能徹底分開，造成了燒結法流程中的碳酸鈉進入拜耳法流程，使拜耳法流程碳酸鈉含量升高。

3 降低拜耳流程碳酸鈉普遍方法

3.1 赤泥苛化法

赤泥苛化是將拜耳法赤泥加入少量石灰乳進行漿化反應，將赤泥附液中的碳酸鈉苛化，然后通過壓濾（過濾）分離，苛化液回收利用于洗滌系統。赤泥苛化在苛化反應時需補充一定的水對赤泥進行稀釋［3-4］，在赤泥綜合利用方面不失為一個赤泥脫堿的好方法，但在降低拜耳流程溶液中碳酸鈉含量方面得不償失。為了筑壩需要，山鋁氧化鋁廠燒結法赤泥與拜耳法赤泥是混合壓濾的，因此，赤泥苛化法不適合氧化鋁廠應用。

3.2 赤泥洗液苛化法

赤泥洗液苛化通過石灰苛化的方法，選擇合適的赤泥洗液進行苛化，使得洗液中的碳酸鈉大量苛化析出，苛化后的濾液返回洗滌系統循環利用，從而達到補充苛性堿的目的。赤泥洗液苛化在拜耳法氧化鋁生產中普遍被采用。

山鋁氧化鋁廠拜耳法生產中，赤泥洗滌為6次洗滌流程，分別選取2洗、3洗及4洗進行苛化試驗。通過試驗數據對比分析，影響赤泥洗液苛化的因素主要由赤泥洗液的濃度、苛化反應時間、苛化溫度以及苛化鈣碳比等。赤泥洗液苛化有工藝流程簡單、運行費用低等優點，但降低拜耳流程溶液中碳酸鈉含量見效緩慢，且在追求苛化率的同時氧化鋁損失率相應升高。應用赤泥洗液苛化法很難在短期內達到預期效果。

3.3 高濃度蒸發析鹽（結晶析鹽）法

高濃度蒸發析鹽（結晶析鹽）法是通過強循蒸發器將種分原液蒸發至高濃度，使得碳酸鈉達到過飽和狀態結晶析出，來去除拜耳流程溶液中碳酸鈉的方法。參照拜耳母液碳酸鈉在鋁酸鈉溶液中的溶解度曲線可知，碳酸鈉是以一水碳酸鈉的形式結晶析出的。

該方法在應用方面較靈活，山鋁第二氧化鋁廠通過直接將拜耳種分母液蒸發至高濃度，使得母液中的碳酸鈉達到過飽和濃度析出，而中國鋁業鄭州分公司則通過在拜耳種分母液蒸發器上增加外掛效，用外掛效二次濃縮使得溶液中的碳酸鈉過飽和結晶析出。高濃度蒸發析鹽的方法效果較顯著，是目前降低拜耳流程溶液中碳酸鈉含量的普遍方法，但其運行成本較高，不利于長時間運行。

4 “一間斷、一連續”新技術應用實踐

2010年，山鋁氧化鋁廠通過優化改造原有設備，在拜耳法生產中應用強制循環蒸發器二段蒸發技術形成高濃度蒸發析鹽流程，同時增加赤泥洗液苛化流程配合結晶析鹽運行，形成結晶析鹽間斷運行和洗液苛化流程連續運行的“一間斷、一連續”新使用技術。

4.1 設計改造結晶析鹽流程

山鋁氧化鋁廠自行設計施工，對原燒結法二段蒸發強循蒸發器進行流程改造，應用于拜耳法生產來降低溶液中的碳酸鈉。拜耳法種分母液通過強循蒸發器蒸發至高濃度，使得碳酸鈉達到過飽和狀態結晶析出，然后經過沉降、過濾分離將結晶碳酸鈉徹底分離出拜耳系統。析出的碳酸鈉用于燒結法配料。本次結晶析鹽改造增加了強循蒸發器“外循環”和沉降槽“內循環”來實現碳酸鈉的充分結晶，為提高結晶析鹽效率創造了良好的條件，有效縮短了結晶析鹽的開車時間。結晶析鹽工藝流程如圖1所示。

圖1 結晶析鹽流程

4.2 改造洗液苛化試驗及流程

根據洗液成分的不同，分別對2洗、3洗及4洗進行了苛化試驗。考慮到洗液濃度對苛化率和氧化鋁損失率的影響以及拜耳法氧化鋁生產規模及流程中碳酸鈉含量情況，最終選擇苛化3次洗液配合結晶析鹽運行。利用氧化鋁廠閑置反應槽作為苛化槽，將3次洗滌溢流進行流程改造。通過添加石灰乳對3次洗液進行苛化，苛化反應完成后，將苛化漿液返回二次洗滌槽，在不影響洗滌的情況下使得溶液中的碳酸鈉反應生成碳酸鈣后隨赤泥一起排出生產流程，而苛化生成的苛性堿通過洗滌系統被回收利用。

4.3 結合使用結晶析鹽和苛化流程

根據山鋁氧化鋁廠拜耳法氧化鋁的生產規模以及流程中碳酸鈉含量的變化情況，結合結晶析鹽和洗液苛化流程各自的優點，揚長補短，通過反復論證計算，應用結晶析鹽流程1 a運行1次、每次運行35 d，3次洗液苛化流程連續運行的“一間斷、一連續”的新應用技術，來降低拜耳流程溶液中的碳酸鈉含量。結晶析鹽的運行有效地降低了拜耳流程碳酸鈉的含量，而洗液苛化流程配合結晶析鹽運行，大大減少了結晶析鹽的開車次數以及每次運行的時間，降低了運行成本。

制定結晶析鹽主要控制參數：蒸發器進料濃度約240 g/L，蒸發器出料比重約1.39 g/cm3；蒸發器出料晶液比約0.07，沉降槽晶液比約0.12，過濾機濾液量60 m3/h。兼顧到洗液苛化過程中的苛化率及氧化鋁損失率，結合結晶析鹽開車情況，3次洗液苛化流程主要控制參數：苛化溫度約90℃，苛化時間約55 min，鈣碳比（CaO/CO2）約1.3。

5 結語

截至2010年2月初，拜耳流程溶液中碳酸鈉含量已升高至50.35 g/L，致使拜耳流程堿循環效率降低至98.58 kg/m3，種分分解率僅維持在48%，蒸發器汽耗達0.32 t/tH2O。通過計算，只運行結晶析鹽來降低拜耳流程碳酸鈉含量至20 g/L，每年需運行結晶析鹽2次，每次至少需要運行52 d。2010年2月23日，結晶析鹽和3次洗液苛化“一間斷、一連續”流程配合應用開車后，拜耳流程碳酸鈉含量不斷降低，結晶析鹽運行35 d后，碳酸鈉含量降低至20 g/L以下，堿循環效率提高至130 kg/m3以上（變化趨勢見圖2），種分分解率升高至54%以上，蒸發器汽耗降低至0.27 t/tH2O。

“一間斷、一連續”新技術成功應用后，達到了預期效果，實現了短期內迅速降低拜耳流程溶液中碳酸鈉含量的目的，降低了運行成本，為創造了良好的經濟和社會效益。

圖2 拜耳流程碳酸鈉含量及堿循環效率變化趨勢

［1］ 畢詩文.鋁土礦的拜耳法溶出［M］.北京：冶金工業出版社，1997.

［2］ 楊重愚.輕金屬冶金學［M］.北京：冶金工業出版社，1991.

［3］ 畢詩文，于海燕，楊毅宏，等.拜耳法生產氧化鋁（高等學校教學用書）［M］.北京：冶金工業出版社，2007.

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