水分對氟化鋁生產的影響探析

韓世軍

(多氟多化工股份有限公司，河南 焦作 454006)

?生產與實踐?

水分對氟化鋁生產的影響探析

韓世軍

(多氟多化工股份有限公司，河南 焦作 454006)

通過氫氧化鋁水分的變化，以及在無水氟化鋁生產過程中的反應特性進行分析對比，結合氫氧化鋁水分平衡計算，根據無水氟化鋁生產過程中造成的控制影響分析，提出了氫氧化鋁的指標及管理要求，以確保生產的連續穩定。

氫氧化鋁 ; 水分 ; 氟化鋁 ; 生產影響

氟化鋁作為鋁電解時電解質的重要組成部分，是調整電解質分子比、控制電解過程熱平衡的重要手段，是電解鋁工業必不可少的原料。隨著鋁電解技術的發展，加之全民環保意識的增強和國家對有害氣體排放標準的提高，電解鋁工業對氟化鋁產品的理化性能提出了新的要求：制造成本低，水分和雜質含量低、容重大、流動性能好的氟化鋁產品備受市場的青睞。其原料氫氧化鋁為白色粉末狀或砂狀晶體。化學式Al(OH)3，密度2.42 kg/L，在300 ℃時失水生成氧化鋁。氫氧化鋁難溶于水，是典型的兩性氫氧化物，溶于酸生成鋁鹽，溶于強堿生成偏鋁酸鹽。經過適當處理的氫氧化鋁的表面有許多毛細孔，具有強吸附性。氫氧化鋁水分主要由生產及保管過程中的附著水以及分子間的結晶水組成。

1 流化床工藝簡述

無水氟化鋁主要是原料濕氫氧化鋁在高溫狀態下與濃度99%的氟化氫氣體在高膨脹流化床內發生氣固反應，反應式表示如下：

AlF3(s)+3H2O(g)

高膨脹流化床反應器，氣固分布均勻，混合效果好，反應轉化率高，床內氣體流速快，固體物料易被氣流帶出，氫氧化鋁物料在流化床內主要依靠羅茨風機正壓鼓風充分流化，高溫熱氣流在一級氣流反應器內利用反應熱將濕氫氧化鋁的水分除掉，從氟化鋁反應器頂部床層帶出的固體粉塵再經過二級和三級氣流反應器充分反應后返回流化床內，充分提高原料的利用率，氟化鋁產品從流化床的底部床層排出。

2 氫氧化鋁脫水過程

氫氧化鋁的脫水和相變是非常復雜的物理化學反應，盡管有許多研究，至今仍存在不少分歧。主要原因在于原始氫氧化鋁的制取方法、粒度大小、雜質種類及其含量以及焙燒條件不同，使脫水和相變的具體進程也隨之而異。 總體來講可分為以下幾個變化過程。

2.1附著水的脫除

工業生產氫氧化鋁含有8%～12%的附著水，該水分在100～110 ℃時，就可全部蒸發掉，成為不帶附著水的干氫氧化鋁。

2.2結晶水的脫除

研究資料表明，氫氧化鋁開始脫水溫度在130～190 ℃。氫氧化鋁的脫水過程有3個吸熱反應，依次脫出 0.5、1.5、1個水分子，生成的一水軟鋁石為中間產物。阿爾廖克利用多種方法研究工業氫氧化鋁的脫水過程后指出：在脫水第一階段(180～220 ℃)脫出約0.5個水分子，在第二階段(220～420 ℃)脫出約2個分子水，第三階段脫出約 0.4個分子水。種分產品在一、三階段脫出的水分稍多于碳分產品，而在第二階段則相反。在動態條件下，從600 ℃加熱到1 050 ℃的脫水產物中仍殘留有0.05～0.1個水分子。

3 氫氧化鋁水分的影響

氫氧化鋁所含水分偏高時，一方面使得物料的流動性較差易出現黏、堵現象。主要體現在對大傾角皮帶、料倉、申克稱的黏堵，使其庫容減少下料不暢，在斜螺旋輸送過程中造成物料斷料及輸送困難，從而直接影響到配料及喂料的準確性。另一方面是含水量偏高極易造成微細粉結團現象，不能發揮出應有的性能特點，在其進入一級氣流反應器時，不能及時打散，直接掉入流化床頂床，從而堵塞頂床篩板，降低流化床反應效率，從而影響產量及質量。

3.1對生產配比的影響

無水氟化鋁生產用氫氧化鋁配比計算時，氫氧化鋁按折干進行推算氫氟酸的含量。從生產實踐的經驗數據來看，氫氧化鋁水分每增加1%的量，氫氟酸消耗就相應增加10%左右。這主要是由于生產系統的連續性較強，水分的影響容易造成配比的失調，從而導致制備產品的過程中副反應的發生，以致后續氟化鋁中的氟含量偏低。

3.2水解反應對設備的腐蝕

由于氟化鋁本身的晶體結構特點，非常容易與水結合成難以分離的結晶水合物。通過AlF3晶體結構分析，氟化鋁結晶水合物在流化床反應系統中會發生兩步脫水反應及脫水產物的水解反應三個反應過程：

第一階段脫去2.5個結晶水 (106～223 ℃)

第二階段脫除0.5個結晶水(223～548 ℃)

第三階段脫水的同時會發生脫水產物的水解 (300 ℃以后 )

這是由于在不同的配位狀態下，氟離子與氧離子的半徑十分接近，氟氧相互取代導致了水解反應的發生。氟化鋁的水解反應不僅增加了生產過程中無水氟化氫的消耗量，進入生產系統的水分越高，發生水解反應的幾率越大，而且在反應后續系統中釋放出的氟化氫還會對設備造成強腐蝕，大大縮短設備的使用壽命，同時造成洗水系統負荷增大，在洗滌回收不徹底的情況下污染環境。

3.3生產熱能的損耗

對于生產熱能的損耗，現按照5.6 t/h氫氧化鋁的下料量進行推算得出，氫氧化鋁含水每增加1%，則系統內產生的水分總含量增加17%～18%，折合需要的熱量相應也增加17%～18%，天燃氣消耗增加13%～15%。這系統內多余增加的水分容易造成系統物料在高溫情況下水解，并稀釋氫氟酸濃度造成反應不充分，更會對設備造成一定的損害。

3.4季節性差距較大

北方冬季氣溫較低，氫氧化鋁水分含量超過4%以后，容易出現上凍結塊現象，造成大傾角皮帶上料難度增大，同時在斜螺旋輸送過程中造成物料斷料及輸送困難，從而直接影響到配料及喂料的準確性。另一方面是含水量偏高凍塊，在其進入一級氣流反應器時，不能及時打散，不能發揮出應有的性能特點，直接掉入流化床頂床，從而堵塞頂床篩板，造成流化床壓力波動大，降低流化床反應效率，從而影響產量及質量。因此，對于水分的影響要引起足夠的重視。

3.5產品質量

下游電解鋁行業生產對氟化鋁要求，高主含量、低雜質、低水分、低灼減量，以便減少電解過程中電解質的水解反應，提高電解鋁的質量；同時還要求氟化鋁具有較好的流動性，以滿足自動卸料輸送的需要，提高勞動生產率，對比國家氟化鋁的質量標準GB/T 4292-2007(見表1)，電解鋁行業傾向使用AF-O產品。如果氫氧化鋁水分過高的話，所得氟化鋁產品中松裝密度會偏低，產品應用領域會受限。

表1 氟化鋁的質量標準GB/T4292-2007

4 結論

以低碳經濟為代表的全球新一輪的工業革命，將迫使氟化鋁技術必然向以下方向發展：資源利用率高、生產過程污染物的產生量和排放量少，產品質量能夠促進下游行業的節能減排；作為氟化鋁專用的氫氧化鋁,附著水指標必須達到附著水lt;4，并在堆放過程中加強管理，防止外部水分影響，降低氫氧化鋁附著水分，可以進一步增強系統生產配比的可控性，防止氟化鋁產品的水解，降低員工的操作難度，保障生產系統穩定連續的運行，從而創造出更多的價值。

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1003-3467(2017)10-0031-02

2017-07-08

韓世軍(1967-)，男，高級技師，從事氟化工研究工作，電話：0391-2803009，E-mail: hsj6662@126.com。