拜耳法系統中石灰直接苛化法除碳堿研究與應用

趙志強

（廣西田東錦鑫化工有限公司，廣西 百色 531500）

1 前言

在拜耳法氧化鋁生產工藝中，由于礦中碳在溶出過程中生成碳酸鈉以及鋁酸鈉溶液吸收空氣中CO2，導致流程中碳堿濃度的升高，造成系統溶出率降低、母液蒸發的能耗升高[1]。目前，拜爾法氧化鋁生產流程中碳堿的排除方法是排鹽和苛化，排鹽是采用蒸發強制效濃縮蒸發母液達到一定濃度，使得溶液中的碳酸鈉結晶析出，再經沉降分離后，底流經過濾脫水后，用熱水溶解再加石灰乳進行苛化，苛化后的溶液經過濾后，濾液返回蒸發母液槽，濾餅送沉降末洗隨赤泥外排[2-4]。其工藝流程如圖1。

圖1 強制效排鹽苛化工藝流程圖

由圖1可以看出，排鹽和苛化涉及到很多工序及設備，并且還需使用蒸汽，采用這種方式去除流程中的碳堿工藝復雜、工序繁多、能耗高、人工成本高。因此，如果能夠在生產流程中直接添加石灰乳去除碳堿，就不需要運行或減少運行排鹽和苛化這些工序，以達到節能降耗、節約成本的作用。

采用石灰苛化的方法降低系統中的碳堿含量，其反應如下[5]：

在不改變各工序工藝條件的情況下，尋找合適的石灰乳添加點，確定最佳的石灰添加量，以達到較高的苛化率和較低的氧化鋁損失。本文通過實驗研究拜耳法生產流程中不同的鋁酸鈉液中Al2O3、Na2CO3與CaO反應規律，考察石灰添加量、反應溫度、反應時間對苛化率、氧化鋁損失的影響，確定生產中用石灰苛化的方法降低系統中的碳堿的最佳環節和加入量，從而有效去除拜耳法流程中的碳堿，減少氧化鋁損失。

2 實驗部分

2.1 實驗設備及原料

（1） 恒溫水浴的溫度為99±0.5℃，攪拌強度為120轉/分鐘。

（2）實驗溶液為工廠生產流程中的分解母液、成品洗液、一次洗液、二次洗液、三次洗液、四次洗液。

（3）石灰乳有效鈣為133.9g/l，固含為190g/l，比重為1088g/l。

2.2 實驗方法

根據溶液中含有的Al2O3、Na2CO3的量計算出CaO的理論加入量（即按反應式（1）（2）），并折算成石灰乳加入量[6]。取250ml錐形瓶，加入100ml鋁酸鈉溶液，蓋上橡膠塞，放入恒溫水浴中，在實驗溫度下先恒溫30分鐘，然后加入石灰乳，反應30分鐘后，取出過濾，對濾液進行分析。

添加石灰乳后，實驗溶液被稀釋，依據實驗后溶液的Al2O3及Na2CO3濃度來計算Al2O3損失率及苛化率不夠準確，因此，Al2O3損失率及Na2CO3的苛化率按A/NT和Nc/NT計算（A和NT分別為溶液中Al2O3及全堿濃度，NT=Nk+Nc）。

3 實驗結果及討論

3.1 Nk對苛化效率的影響

成品洗液的實驗溫度為60℃，其他溶液的實驗溫度為90℃，實驗結果如表1所示。

表1 不同樣品添加石灰苛化實驗結果

由表1中可以看出，同樣倍數的石灰添加量，低濃度的一次洗液、二次洗液、三次洗液、四次洗液的苛化率大大高于種分母液和成品洗液，石灰添加量為理論值的0.5倍時，一次洗液、二次洗液、三次洗液、四次洗液的苛化率較高，且氧化鋁損失也相對要小，尤其對二次洗液，石灰添加量為理論值的0.5倍時，其苛化率達到96.58%，氧化鋁損失率只有16.18%。因此，后續實驗針對二次洗液進行。

3.2 溫度對苛化效率的影響

在實驗3.1基礎上，選用低濃度的二次洗液，研究溫度、石灰添加量對碳酸鈉苛化效率及氧化鋁損失的影響，反應時間30min，實驗結果如表2所示。

表2 不同溫度下苛化的實驗結果

由表2可知，90℃碳酸鈉的苛化率比100℃高，氧化鋁的損失率比100℃低。可見，低濃度苛化時，較低的溫度有利于苛化反應。對二次洗液，從經濟上考慮，反應溫度90℃，石灰加入量為理論量的0.5倍的條件下，進行下一步實驗研究。

3.3 時間對苛化效率的影響

用低濃度的二次洗液研究時間對苛化效率的影響，石灰加入量為理論加入量的0.5倍，苛化溫度為較低的90+1℃。實驗結果如表3。

表3 苛化時間對苛化的影響

由表3可知，隨著反應時間的增加，碳酸鈉的苛化率逐漸升高，由53.04%升高到96.58%，而A2O3損失變化不大。可見，CaO加入量為理論加入量的0.5倍，苛化溫度為90℃，反應時間對苛化率的影響較大，隨著反應時間的增加苛化率增加，氧化鋁損失變化不大。

4 工業應用

拜耳法氧化鋁生產工藝中，隨著生產的進行，流程中的碳堿逐漸積累，降低系統循環效率、分解率，影響蒸發換熱效率和蒸水量，母液蒸發的能耗升高。碳堿達到一定濃度后，在溶出閃蒸系統析出，造成管道堵塞，閃蒸帶料，生產無法正常運行。因此，碳堿在拜耳法氧化鋁生產流程中必須保持平衡，即進出流程的量要保持平衡，防止碳堿在流程中積累導致溶液中碳酸鈉濃度升高，就非常重要。目前采取的方法是強制排鹽和苛化，流程比較長，工序比較多，涉及到的設備多，因此這種碳堿的去除方式，工藝復雜，成本較高，據計算，排除一噸碳酸鈉的成本達4000-4500元（隨蒸汽價格而變化）。

根據實驗結果，選擇在沉降二次洗滌槽中添加石灰乳進行苛化，石灰添加量為理論計算量的50%，溫度90℃左右，反應時間30分鐘以上，溶液中的碳堿去除率可達95%以上。在現有沉降二次洗滌槽的工藝運行條件下，可以滿足石灰苛化的要求，在不需要增加任何設備和改變工藝條件的情況下，處理1m3的二次洗液，可以排除約1.5kg碳酸鈉，基本可以保持生產流程中碳堿的平衡，一般不需要再運行排鹽和苛化這些工序。

5 結論

（1）在相同的試驗條件下，處理低濃度的鋁酸鈉溶液，Na2CO3的苛化效率高，Al2O3損失率小。處理二次洗液，最佳的反應條件為，石灰添加量為理論值的0.5倍，溫度90℃，時間30min。此條件下，Na2CO3的苛化率達95%以上，氧化鋁損失率在20%以下。

（2）現有二次洗滌沉降槽的運行條件下，可以滿足石灰苛化的工藝條件，處理1m3的二次洗液，可以排除約1.5kg碳酸鈉，此法可保持生產流程中碳堿的平衡，碳酸鈉對生產基本不產生危害。