絮凝劑在酸法生產氧化鋁工藝中的應用研究

邢永康

(神華準能資源綜合開發有限公司,內蒙古 鄂爾多斯 010300)

粉煤灰的主要來源是以煤粉為燃料的火電廠和城市集中供熱鍋爐,隨著電力工業的發展,粉煤灰排放量逐年增加,成為我國當前排量較大的工業廢渣之一[1]。大量粉煤灰的產生和堆積,造成了土地資源的浪費,生態環境的破壞,而其中的有毒化學物質還會對人類和生物造成危害。為解決這一難題,實現粉煤灰資源化利用,大力發展循環經濟,國家能源集團(原神華集團)采用以自主研發為主、產學研相結合的模式,率先提出了“一步酸溶法”提取氧化鋁工藝,即從循環流化床粉煤灰中提取氧化鋁[2]。“一步酸溶法”工藝主要是將粉煤灰與鹽酸混合反應,經溶出、分離洗滌、控制過濾、樹脂除雜、蒸發結晶和高溫焙燒等工序,最終生產出冶金級一級品氧化鋁[3]。其中分離洗滌是“一步酸溶法”提取氧化鋁工藝中的重要工序,絮凝劑能極大地提高沉降槽的使用效率,實現稀釋料漿的固液快速分離,提高產品品質和產量,降低下游控制過濾工序的設備投入,實現企業經濟效益最大化。目前,國內很多企業由于絮凝劑的選用和使用不當,造成了絮凝劑的效能大大降低和資源浪費。因此,國內外各大型企業和研究人員在積極研發新型高效絮凝劑的同時也對絮凝劑的使用條件和選用標準逐漸重視起來。本文通過試驗主要探討原料條件、絮凝劑添加量和添加方式對稀釋料漿沉降速度的影響,為酸法提取氧化鋁工藝中絮凝劑的選用提供參考和依據。

1 絮凝劑的作用機理

絮凝劑作用機理主要包括架橋機理、電中和機理和脫水機理。

1.1 架橋機理

高分子聚合物通過靜電引力、化學鍵力和范德華力的作用,與固體顆粒發生吸附,然后通過親水力(或疏水力)將他們結合成絮團形成沉降的過程稱為架橋效應[4]。圖1為粉煤灰提鋁渣架橋絮凝作用示意圖。高分子絮凝劑具有線性結構,他們的活性基團可以與粉煤灰提鋁渣顆粒發生絮凝作用,而且一個絮凝分子可以通過架橋同時吸附多個顆粒形成大顆粒,絮凝劑分子之間也相互纏繞形成大絮團,進一步促進粉煤灰提鋁渣顆粒的沉降。

圖1 粉煤灰提鋁渣架橋絮凝作用示意圖

1.2 電中和機理

電中和機理主要是指粉煤灰提鋁渣顆粒表面易與帶相反電荷的離子相互吸附,中和了電荷,減少了靜電排斥力,可以促進絮凝的進一步形成[5]。當粉煤灰提鋁渣顆粒吸附了大量相反電荷離子后,使其原來的負電荷逐漸變成正電荷,粉煤灰提鋁渣顆粒實現穩定狀態,促進沉降的發展。通過電中和機理要求生產中選用的絮凝劑與處理的粉煤灰提鋁渣顆粒帶有相反的電荷,高分子聚合物分子鏈上的電荷密度、均勻度等對絮凝的效果也有很大的影響。

1.3 脫水機理

絮凝劑分子具有親水基團,在水中比粉煤灰提鋁渣可以更容易發生水解。絮凝劑在水解的過程中氫鍵打開,進一步提高了絮凝劑的吸附能力,更有利于沉降。

2 試驗原料及儀器

2.1 試驗原料

酸法提取氧化鋁的主要原料為電廠循環流化床粉煤灰和鹽酸。粉煤灰的組成如表1。其主要成分為硅、鋁、鐵、鈣等元素的氧化物,在與鹽酸反應完成后產生的粉煤灰提鋁渣主要成分為二氧化硅,溶劑化現象較弱,有助于粉煤灰提鋁渣分離沉降。

表1 試驗粉煤灰成分表 %

同時,根據粉煤灰粒度分析報告得知,粉煤灰粒徑較小,-15 μm占54.9%,-67 μm占93.5%。

2.2 試驗試劑

鹽酸:36%濃鹽酸,分析純;

水:實驗室自制水,電導率1.1 μs/cm;

絮凝劑:使用聚丙烯酰胺絮凝劑CPAM,配制濃度0.1%,配制時間:6 h。

2.3 試驗設備及功能

電子天平:絮凝劑及粉煤灰稱重；

實驗室pH計:酸度檢測；

溶出釜:容積為10 L的鋯反應釜；

水浴加熱器:恒溫水浴；

沉降管:250 mL沉降管；

電動磁力攪拌器:攪拌絮凝劑及料漿。

2.4 試驗方法

在溫度為160 ℃、溶出時間為120 min、溶出率≥86%的溶出試驗條件下,先在鋯反應釜中溶出粉煤灰,制備不同固含的溶出料漿。再將配置好的料漿移至燒杯中,在攪拌的作用下加入一定量的熱水或者洗液使得料漿稀釋到一定濃度,混合均勻后移入沉降管中。將沉降管放置在水浴加熱器上,待沉降管的溫度達到預設溫度后,將一定體積的絮凝劑加入到沉降管中;作為對比,可以在燒杯中加入一定體積的絮凝劑混合后再加入到沉降管中。上下攪動5次,混勻并開始計時,每隔一定時間記錄清液層的高度。

3 試驗結果及討論

3.1 粒度及料漿的濃度和固含

在分離沉降過程中,粉煤灰顆粒的大小對沉降速度有很大的影響。聶容春等[6]認為灰分低、粒度大的原料,陰離子型聚丙烯酰胺絮凝效果要好于陽離子型聚丙烯酰胺絮凝劑。而對于灰分高、粒度小的原料,陽離子型聚丙烯酰胺絮凝效果要好于陰離子型聚丙烯酰胺絮凝劑。同時,顆粒太小浮游物不易被捕捉,造成料液浮游物超標;如果顆粒太大,溶出過程中沒有進行充分的化學反應,將造成沉降槽管路堵塞,影響生產的連續穩定運行。根據粉煤灰粒度分析報告得知,粉煤灰粒徑較小,-15 μm占54.9%,-67 μm占93.5%,因此選用陽離子型聚丙烯酰胺絮凝效果要好于陰離子型聚丙烯酰胺絮凝劑。

表2中結果表明料漿的固含在60～80 g/L情況下沉降效果比較理想,隨著固含的增加沉降效果逐步下降。主要原因是固含越大,單位體積溶液內的顆粒就越多,顆粒之間電荷干擾越強,沉降阻力越大。稀釋料漿固含是影響絮凝劑添加量的直接因素,沉降槽泥量增大會延長沉降向洗滌系統排泥時間,進而增大洗滌槽絮凝劑添加量。

表2 稀釋料漿固含對沉降性能的影響

料漿的濃度主要會對其粘度和密度造成影響。表3表明當溶出溫度控制在160 ℃,溶出率86%,稀釋料漿濃度在180～220 g/L時,其粘度和密度會給沉降造成較小的影響。稀釋料漿濃度過高會相應增大料液粘稠度,影響沉速,同樣也會增大絮凝劑使用量。在生產過程中一般先用洗液或熱水將溶出料漿稀釋以保證分離沉降的順利進行。

表3 稀釋料漿濃度對沉降性能的影響

從表2表3中可以看出當料漿固含在60～80 g/L,濃度在180～220 g/L時,沉降效果比較理想,沉速為10～11.5 cm/5min。

3.2 pH值

崔廣文等[7]通過實驗研究發現,在酸性條件下,聚丙烯酰胺系絮凝劑單獨使用即可達到良好的絮凝效果。為避免物料中鋁離子水解,物料溶出時酸度控制在1%以下,稀釋料漿的pH值控制在1.5～2。因此,在此pH范圍內,絮凝劑在分離沉降過程中使用效果最好。

3.3 絮凝劑的特性

分子量對絮凝劑的絮凝效果有很大的影響。一般來講,分子量越大,絮凝效果越好。因為高分子聚合物一般是鏈狀結構,分子量越大,其碳氫鏈就越長,所含有效官能團越多,能吸附更多的顆粒。但如果分子量過大,其水溶性就會降低,而且大分子運動緩慢,難以達到絮凝效果。高分子絮凝劑上的官能團性質和數量的不同也會影響絮凝效果。因此,需要考慮物料中顆粒的粒度、濃度、溫度、電性及共存的鹽類化合物[8]。水解度是表征陰離子聚丙烯酰胺絮凝劑的特性,水解度在30%左右絮凝效果最優。而陽離子聚丙烯酰胺絮凝劑的特性是用陽離子度來表征的。為避免高密度電荷干擾架橋和絮凝效果,一般將陽離子度控制在5%～10%左右[9]。

3.4 影響絮凝劑效果的因素

3.4.1 絮凝劑配制的影響

絮凝劑在配制時需要預先在絮凝劑配制槽內加入1/3的水,稀釋用的水必須干凈,以減少水中電解質對絮凝劑分子鏈的干擾和破壞。同時水溫不能超過90 ℃,以避免絮凝劑發生熱降解。然后開啟攪拌,向倒料斗中倒入絮凝劑攪拌30 min,然后繼續向絮凝劑槽中緩慢加水,當絮凝劑濃度達到要求后,計算出絮凝劑干粉和水的比例,以便于設置接下來的自動添加程序。自動配制絮凝劑流程可以大大降低崗位勞動強度,確保絮凝劑和水充分混合,如圖2所示。

圖2 絮凝劑配制流程圖

流程圖中將一個絮凝劑配制槽分成三個配制室。首先將絮凝劑干粉倒入倒料斗,然后通過下料螺旋將絮凝劑干粉加入到配制室1中,在攪拌的作用下絮凝劑與水進行充分混合。當配制室1中的絮凝劑溶液液位很高時,會通過配制室1和配制室2之間的擋板缺口溢流至配制室2繼續進行攪拌混合和熟化。當配制室2中的絮凝劑溶液進入配制室3中,配制流程完成。配制室3中的絮凝劑溶液通過絮凝劑計量泵輸送至沉降槽中去。離心泵會導致絮凝劑剪切降解,因此盡量選用計量泵。配制的絮凝劑應現配現用,超過48小時會導致氧化降解。

自動化配制程序將絮凝劑配制槽分成3個配制室可以使得絮凝劑干粉與水進行充分混合,且各配制室之間自動溢流的時間可以讓絮凝劑充分熟化,確保配制的絮凝劑達到做良好的效果。同時,將配制室3中的液位計與下料螺旋進行聯鎖可以實現連續自動化運行。配制過程中,為了使絮凝劑得到充分的溶解,在配制槽中需要安裝慢速機械攪拌,因為速度過高會使得聚合物分子鏈斷裂,影響絮凝效果。一般來講螺旋式攪拌葉速度控制在300 rpm左右,如采用漿式攪拌葉則控制在30～60 rpm[10]。

3.4.2 絮凝劑加入方式的影響

拜耳法赤泥沉降分離使用平底沉降槽,洗滌使用深錐型高效沉降槽,平底型沉降槽主要是在進料管道上多點加入,這種加入方式使得絮凝劑與料液混合不均勻,同時會造成管道堵塞[11]。酸法生產氧化鋁工藝中分離和洗滌中使用的沉降槽一般都采用深錐型高效沉降槽。由于沉降槽的不同,絮凝劑的加入方式也不同,酸法工藝中絮凝劑的添加方式如圖3所示。

圖3 絮凝劑加入方式示意圖

酸法工藝中絮凝劑的添加方式具有以下特點:① 絮凝劑預先在配制槽中根據物料性質提前配制好,然后通過絮凝劑輸送泵將絮凝劑和料液先在沉降槽頂部的混合器中充分混合,然后通過進料中心筒進入沉降槽。這種方式可以確保絮凝劑和料液混合的更加均勻,保證沉降效果。② 采用多點混合連續加入。酸法沉降工序中采用在沉降槽和洗滌槽頂部都安裝了混合器進行多點連續加入,并根據分離洗滌槽的物料性質及時調整絮凝劑的加入量。試驗證明,多點連續加入比一次性加入方式沉降效果更好。

3.4.3 絮凝劑添加量的影響

不同絮凝劑添加量對沉降性能的影響見表4。在一定范圍內,隨著絮凝劑添加量的增加,沉降速度有所提升。但并不是絮凝劑添加量越大,濃度越高越好,最佳的濃度應滿足其分子鏈足夠伸展即可。絮凝劑添加過多會造成資源浪費,提高生產成本。濃度過高還會在沉降槽中形成粘稠的膠團,影響下游過濾設備的過濾性能,同時料液中過多殘留的高分子有機物會造成酸法工藝中除雜樹脂官能團的破壞。所以一般選擇的最佳添加量為0.02%～0.04%。

表4 絮凝劑添加量對沉降性能的影響

3.4.4 其他因素影響

影響絮凝劑效果的因素還包括溫度、剪切力、有機物雜質等。溫度過低,絮凝劑的活性下降,絮凝效果和能力都將隨之降低;溫度過高又會導致絮凝劑線性結構發生改變,分子鏈易發生斷裂。剪切力過高會使絮凝劑發生剪切降解,特別是輸送泵的前后以及配制槽內液體處于高度湍流的情況下。因此,絮凝劑輸送泵一般選用計量泵,配制槽攪拌速度不宜過快。同時為減少各底流泵對絮凝劑的破壞,采用多點連續加入的方式。一般認為高分子有機物對絮凝劑有不利的影響,會降低沉降性能,而低分子量有機物對絮凝劑和沉降沒有太大影響[12]。

4 結 論

通過對陽離子型聚丙烯酰胺絮凝劑(CPMA)在粉煤灰提鋁渣沉降分離過程中影響因素分析,得出結論如下:

(1)物料的濃度和固含對沉降性能的影響明顯。物料濃度在180～220 g/L,固含在60～80 g/L范圍內絮凝沉降性能較好,沉速可達到10～11.5 cm/5min。

(2)采用自動配制絮凝劑流程可以大大降低崗位勞動強度,確保絮凝劑和水充分混合。添加方式對粉煤灰提鋁渣沉降影響也很大,多點連續添加并在混合器中預先混合的添加方式比一次性加入方式沉降效果更好。

(3)一定范圍內增加絮凝劑的添加量可以提高粉煤灰提鋁渣沉降效果,但為了消除絮凝劑對下游工序的影響,所以一般選擇的最佳添加量為0.02%～0.04%。