兩種赤泥分離洗滌工藝流程的對比

孫 津

(沈陽鋁鎂設計研究院有限公司,遼寧 沈陽 110001)

鋁土礦在經過溶出之后,形成鋁酸鈉溶液與赤泥的混合料漿。料漿經稀釋后進入赤泥沉降分離洗滌工序,在分離槽中,鋁酸鈉溶液與赤泥進行分離,鋁酸鈉溶液進入下一步生產工序用于生產氧化鋁。在洗滌槽中,赤泥經過數次逆流洗滌,降低赤泥附液中Al2O3與Na2O的濃度,從而降低由于赤泥外排而損失的附液中的Al2O3與Na2O,從而提高氧化鋁回收率,降低堿耗,減少對環境的影響。

傳統的赤泥分離洗滌工藝,稀釋料漿在分離槽中會發生一定程度的水解,隨著赤泥排出生產系統,造成一定量的氧化鋁損失。本文提出一種新的工藝流程,以期減少這方面的損失。

1 工藝流程介紹

1.1 傳統赤泥分離洗滌工藝

鋁土礦在經過原料磨制,溶出工序之后,形成鋁酸鈉溶液與赤泥的混合料漿。混合料漿在礦漿稀釋槽中與赤泥沉降分離洗滌工序來的一次洗液混合,之后經由泵將稀釋料漿打入赤泥沉降分離洗滌工序的分離槽。在分離槽中,鋁酸鈉溶液與赤泥進行固液分離,溢流進入鋁酸鈉溶液精濾工序精制,得到的精液用于分解生產氧化鋁;底流與二洗沉降槽的溢流混合進入一洗沉降槽進行固液分離。一洗沉降槽的溢流即一次洗液,送到礦漿稀釋槽稀釋溶出后料漿;底流與三洗沉降槽的溢流混合進入二洗沉降槽進行固液分離,以此類推,最終次末洗沉降槽的底流與熱水站來的赤泥洗水混合進入末洗沉降槽進行固液分離,溢流進入次末洗沉降槽,底流經由赤泥外排泵房打到赤泥堆場,經壓濾后進入堆場堆存,工藝流程見圖1。

圖1 傳統赤泥分離洗滌工藝流程圖

1.2 新型赤泥分離洗滌工藝

鋁土礦在經過溶出之后,形成鋁酸鈉溶液與赤泥的混合料漿。與傳統赤泥分離洗滌工藝不同的是,溶出后料漿不經過稀釋,直接進入赤泥沉降分離洗滌工序。在分離槽中,鋁酸鈉溶液與赤泥進行固液分離,溢流進入葉濾機精制,精液用于生產氧化鋁。一洗沉降槽中的溢流部分即一次洗液,與分離溢流分別單獨進入鋁酸鈉溶液精濾工序,精制后同樣用于生產氧化鋁,底流處理方式與傳統赤泥分離洗滌工藝相同,工藝流程見圖2。

圖2 新型赤泥分離洗滌工藝流程圖

2 不同的工藝流程對沉降工序的影響

礦漿稀釋后,隨著溶液濃度的降低,鋁酸鈉溶液在分離槽停留的過程中會發生水解反應(式中n=1或3):

2NaAl(OH)4+aqAl2O3·nH2O+2NaOH+aq

(1)

在處理三水鋁石型鋁土礦時,由于未溶出的三水鋁石和殘留纖鐵礦起到了晶種的作用,故水解可以進行到相當嚴重的程度[1]。由于鋁酸鈉溶液在分離槽中的水解率目前沒有精確的公式進行計算,根據多個工程實際經驗,水解率可達2%。但是相對的,未稀釋的礦漿中,溶出礦漿中的Na2O質量濃度約230～250 g/L,MR為1.4～1.6,Al2O3和Na2O的質量濃度都較高,該濃度的鋁酸鈉溶液非常穩定,無法直接分解[2]。這就避免了鋁酸鈉溶液在分離槽中發生較大程度的水解析出氫氧化鋁,減少了Al2O3的損失。本文將進行對比計算,從技術經濟的角度來對兩種工藝流程進行比較。由于目前尚未對未稀釋礦漿的水解率進行試驗取樣分析,所以尚不能精確提供其水解率,但可以根據化學反應的趨勢,將傳統工藝流程和新型工藝流程放在一起,以相同的工藝條件進行堿損失和鋁損失的計算,進而折算出新型工藝流程所能產生的經濟效益趨勢。

2.1 計算條件

以某年產1000 kt氧化鋁工程為例,其主要工藝計算條件見表1。

表1 主要工藝計算條件

本文以新型工藝流程相比傳統工藝流程增加堿損失和降低鋁損失帶來的生產成本不變為確定計算條件的基準。

2.2 赤泥分離目標條件

稀釋礦漿在分離槽中進行分離,鋁酸鈉溶液進入下一工序,底流進入洗滌槽繼續洗滌。其中赤泥分離的目標工藝條件見表2。

表2 赤泥分離目標條件

2.3 沉降槽設備選型

按照表1中溶出后礦漿固相流量為181 t/h,根據生產實踐經驗,分離槽的處理能力為0.3 t/(m2·h)干赤泥,洗滌槽的處理能力為0.6 t/(m2·h)干赤泥。所需分離槽面積為181/0.3=603.3 m2;所需洗滌槽面積為181/0.6=301.2 m2。根據傳統赤泥沉降分離洗滌流程設計,按照兩臺分離槽,五級洗滌槽進行配置,即雙分離同時進料,五次反向洗滌的工藝流程。根據該流程計算,直徑20 m的深錐沉降槽可以滿足工藝要求,故選擇該型號的沉降槽設備。

2.4 流量計算

在確定了赤泥沉降分離洗滌的工藝流程后,根據表1和表2的計算條件,用計算軟件進行平衡計算,可以得出各個物料的流量數據。相對稀釋后的礦漿,未稀釋的礦漿的固含、氧化鋁濃度和全堿濃度均要高一些,用等量的洗水洗滌之后,外排赤泥的附堿損失也要比稀釋后要高,兩種礦漿的具體參數見表3。

2.5 堿損失計算

赤泥沉降分離洗滌工序的損失主要為赤泥外排附堿損失和鋁酸鈉溶液水解損失。由于損失方式不同,需要分別進行相應的計算。赤泥外排附堿損失主要是隨著赤泥外排的附液中所含的堿。分離底流進入洗滌槽,經過數次逆向洗滌后,底流的附堿含量逐級降低,最終附堿含量主要受分離底流含堿量、赤泥洗水量、洗滌槽的底流液固比以及洗滌次數影響。本文計算采用相同的沉降槽配置,和等量的洗水,故最終末洗底流附堿的主要變量為分離底流含堿量。根據表3和表4的計算條件進行計算,計算結果見表5。

表3 兩種礦漿具體參數

表4 沉降工藝計算條件

表5 末洗底流附堿含量(以苛性鈉計)

由表5可以看出,傳統工藝流程的稀釋礦漿由于進入分離槽時堿濃度較低,所以末洗底流的附堿含量也較低;新型工藝流程的未稀釋礦漿由于進入分離槽時堿濃度較高,所以末洗底流的附堿含量也較高。我國氧化鋁廠通常會使用壓濾機將末洗底流壓濾,濾液返回氧化鋁廠進入生產流程,僅有濾餅排入赤泥堆場。國內一般用含堿量kg/t干赤泥的標準來衡量經由赤泥外排產生的堿損失。根據生產實踐經驗,壓濾濾餅的含水率約為32%,即每t干赤泥帶有320 kg的附液,故以此數據來計算各礦漿最終的外排赤泥堿損失,計算結果見表6。

表6 外排赤泥堿損失(以苛性鈉計)

由表6可以看出,此時新型工藝流程的堿損失比傳統工藝流程略大一點,約1269 t/a。

2.6 鋁損失計算

鋁酸鈉溶液水解損失的鋁直接影響到最終氧化鋁的產量。根據鋁酸鈉溶液水解公式(1)。

在分離槽發生水解產生的氫氧化鋁為固體,與赤泥一起從分離槽底流排出,未能進入接下來的氧化鋁生產流程,這部分發生反應的氧化鋁的量就是鋁損失量。按照上述公式進行粗液中鋁損失量的計算,計算結果見表7。

表7 鋁損失量(以Al2O3計)

從表7可以看出,此時新型工藝流程的鋁損失比傳統工藝流程略小,約1184 t/a。

2.7 經濟效益計算

由于鋁酸鈉溶液水解而產生的鋁損失相當可觀,如果能減少一定的鋁損失,提高氧化鋁廠的產能效率,進而直接提升氧化鋁廠的投資收益。根據上文計算出的兩種工藝流程每年的堿損失和鋁損失量,結合固堿和氧化鋁的價格,計算出該新型工藝降低水解可以提高的年經濟效益,即,將傳統赤泥分離洗滌工藝產生的堿損失和鋁損失的總值作為計算基準,新型赤泥分離洗滌工藝產生的堿損失和鋁損失的總值與傳統赤泥分離洗滌工藝堿損失和鋁損失的總值的差值即為新型赤泥分離洗滌工藝所提高的年經濟效益。由于固堿的價格地域性較強,價格波動較大,為了方便計算比較,本文選取一個較高的價格,將固堿價格選為2800元/噸,氧化鋁價格選為3000元/噸,經過計算可以得出當新型工藝流程水解率達到1.9%時,新工藝流程的經濟效益就可以與傳統工藝持平,隨著水解率的降低,新工藝流程還可以提高更加可觀的經濟收益。由此進行對新型工藝流程下不同水解率和經濟效益的期望值計算,以水解率1.9%時的收益記為0,分別計算各個水解率下的經濟效益,計算結果見表8。

表8 新型工藝流程的經濟效益期望

從表8可以看出新型工藝流程通過降低水解率的方式可以顯著提高經濟效益,而且水解率降低越大,經濟效益越高。

3 結 語

通過分析相同進料條件下兩種赤泥分離洗滌工藝流程對堿損失、鋁損失以及經濟效益的影響,可以得出以下結論:

(1)新型赤泥分離洗滌工藝流程的堿損失稍高于傳統赤泥分離洗滌流程的堿損失。

(2)新型赤泥分離洗滌工藝流程的鋁損失遠遠低于傳統赤泥分離洗滌流程的鋁損失。

(3)從計算結果來看,本文提出的新型赤泥沉降的工藝流程的堿損失是可以計算的,在給定的水解率差異下,鋁損失也是可以計算的。但需要對未稀釋礦漿做擴大化試驗,驗證未稀釋礦漿的分離效果以及在分離槽中的具體水解率。同時,如果礦漿未稀釋可能對葉濾機的過濾性能有影響,可能加劇精濾流程的結疤;一次洗液需要單獨過濾,需要更多的設備,后續的工藝流程也更復雜,同時也會增加相應投資。可見在新型工藝下,水解率保持在一定數值時,兩種工藝流程的成本持平,若水解率低于該數值,則新型工藝就能夠產生收益。本文只是給出了方向,具體工廠可以根據具體的實驗結果來確定哪種流程更加經濟。