拜耳法赤泥提鐵工藝成套技術(shù)的研究與應(yīng)用

邱 峰 ,李 蕾 ,王 寧

(1.東北大學(xué)設(shè)計(jì)研究院有限公司,遼寧 沈陽 110166;2.北京中色建設(shè)機(jī)電設(shè)備有限公司,北京 100029)

0 引言

近年來,隨著國內(nèi)氧化鋁生產(chǎn)的快速發(fā)展,所產(chǎn)生的大量赤泥已成為制約氧化鋁行業(yè)發(fā)展和影響環(huán)境的重要因素。赤泥是氧化鋁生產(chǎn)過程中排出的廢渣,含有一定量的有價(jià)元素,比如鎵、鐵、鈧、鉭、鈦、鈮等。如何從赤泥中提取這些元素,愈來愈受到重視。從赤泥中回收利用其中的鐵資源,對補(bǔ)充我國的鐵礦石資源有重要意義。因此,對其赤泥開展綜合利用如果成功,既可實(shí)現(xiàn)廢物資源化,能形成新的產(chǎn)業(yè)點(diǎn),取得較好的經(jīng)濟(jì)效益,同時(shí)減少赤泥對環(huán)境的污染。

1 研究背景

鐵含量較高的鋁土礦經(jīng)拜耳法提取氧化鋁后,剩余的殘?jiān)前荻ǜ哞F赤泥。而我國約有90%氧化鋁廠采用拜耳法生產(chǎn)氧化鋁,其中50%拜耳法鋁廠利用高鐵礦,目前針對高鐵赤泥的研究主要圍繞從赤泥中提鐵、將赤泥作為原材料整體利用兩方面展開的[1～6]?，F(xiàn)階段赤泥中選鐵工藝大多數(shù)是將赤泥和添加劑混合后,經(jīng)過制磚-高溫?zé)Y(jié)-還原氣氛冷卻-破碎-磁選,得到磁鐵礦或海綿鐵,這種工藝鐵的回收率高達(dá)80%～90%[7～10]。但動(dòng)火工藝研究目前只限于實(shí)驗(yàn)室研究,未成功應(yīng)用到工業(yè)化生產(chǎn),無法實(shí)現(xiàn)赤泥大規(guī)模利用,且工藝流程復(fù)雜、能耗較高。

因此,開發(fā)具有一定技術(shù)含量的節(jié)能型生產(chǎn)工藝,實(shí)現(xiàn)赤泥綜合利用,很有必要,也將增強(qiáng)企業(yè)的市場競爭力。

1.1 國內(nèi)氧化鋁外排赤泥狀況

因礦石中氧化鋁含量、工藝方法和技術(shù)管理水平的不同,大約每生產(chǎn)1 t 氧化鋁要排放0.5～1.85 t 的赤泥。據(jù)阿拉丁平臺(tái)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),截至2021年9 月,國內(nèi)氧化鋁建成產(chǎn)能8 952 萬t/a、運(yùn)行產(chǎn)能7 480 萬t/a,那么每年產(chǎn)生的赤泥將達(dá)到1.2 億t。然而多數(shù)赤泥采用露天堆放,不僅占用大量土地,還存在赤泥附液中堿滲透現(xiàn)象,造成地下水體和土壤污染。隨著赤泥量的日益增加及環(huán)保意識(shí)的不斷提高,對赤泥綜合利用,是環(huán)保的一大主題。

1.2 國內(nèi)外鐵礦石供求情況

中國鐵礦石儲(chǔ)量位居世界前列,但由于其鐵礦石資源條件較差,多為貧礦和伴生礦,且地域分布不平衡,采選的技術(shù)條件復(fù)雜,致使鐵礦石的供應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了鋼鐵工業(yè)發(fā)展的需要。另外,國際礦石協(xié)議價(jià)格低于國內(nèi)鐵礦石價(jià)格,導(dǎo)致國內(nèi)生產(chǎn)所需礦石一半以上依靠進(jìn)口。

2 工藝研究

2.1 工藝描述

將氧化鋁廠赤泥分離及洗滌車間的二次洗滌的底流赤泥通過二洗底流泵輸送到赤泥漿液混合槽,同時(shí)赤泥混合槽內(nèi)還需要加入一定量的熱水,在赤泥漿液混合槽內(nèi)進(jìn)行液固比的調(diào)節(jié),待液固比達(dá)到要求后,自流進(jìn)入隔渣圓筒篩,經(jīng)隔渣圓筒篩分離出的大顆粒作為尾礦送往尾礦儲(chǔ)槽,通過隔渣圓筒篩的赤泥漿液自流到中磁機(jī)。在中磁機(jī)中將鐵屑選出送至鐵精礦槽,通過中磁機(jī)的赤泥漿液自流到粗磁選機(jī)。在一定磁場強(qiáng)度下,將鐵礦從赤泥中選出,送往精磁選機(jī),分選后的赤泥漿液自流到尾礦槽。精磁選機(jī)的鐵礦再次經(jīng)過磁選以提高鐵礦石的品味,磁選出的鐵礦自流到鐵精礦槽,分選后的鐵礦漿液自流到尾礦儲(chǔ)槽。尾礦儲(chǔ)槽的尾礦通過尾礦泵輸送返回到赤泥沉降及洗滌車間的三洗水力混合槽。鐵精礦儲(chǔ)槽的精礦通過精礦泵輸送到濃密槽以提高壓濾機(jī)的進(jìn)料固含,從濃密槽出來的溢流液返回工藝流程進(jìn)行循環(huán),濃密機(jī)的底流通過底流泵輸送到喂料槽,再通過喂料泵輸送至鐵精礦壓濾機(jī)。經(jīng)鐵精礦壓濾機(jī)壓濾后的鐵精礦用皮帶轉(zhuǎn)運(yùn)到鐵精礦堆場,壓濾后的濾液回工藝流程進(jìn)行循環(huán)使用。

2.2 工藝過程及原料

生產(chǎn)工藝流程采用赤泥-隔渣篩-中磁機(jī)-粗選-精選-壓濾-鐵精礦,其工藝流程圖如圖1 所示。

圖1 生產(chǎn)工藝流程圖

2.3 技術(shù)指標(biāo)

原礦赤泥含F(xiàn)e:22%;精礦Fe 品位≥52%;Fe回收率≥22%。

3 深度提鐵經(jīng)濟(jì)效益

根據(jù)國內(nèi)某項(xiàng)目赤泥提鐵實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)顯示,鐵精礦(55%)含完全稅成本僅為118 元/噸(折64%干基164 元/t)、銷售價(jià)格為180 元/噸(折64%干基251 元/t),遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于目前市場同類產(chǎn)品成交價(jià)格。故本項(xiàng)目產(chǎn)品具有很強(qiáng)的市場競爭力。

本工藝路線,不僅能帶來經(jīng)濟(jì)效益,給環(huán)境保護(hù)、增加就業(yè)都帶來潛在收益。以上數(shù)據(jù)成本測算,如表1 所示。

表1 不同鐵品位鐵精礦成本及銷售價(jià)格對比表

4 赤泥提鐵的研究現(xiàn)狀

4.1 磁化焙燒磁選法

該技術(shù)為實(shí)驗(yàn)階段工藝技術(shù),還沒有工業(yè)化,將廢渣、碳酸鈉和l%的添加劑在直徑為0.8 m、高為0.2 m、傾角為47°的造球盤中混合制粒,制得的生球在烘箱內(nèi)于105 ℃干燥2 h,再將干球置于還原爐中還原焙燒。結(jié)果表明,在碳酸鈉添加量為8%、還原溫度1 200 ℃、時(shí)間為80 min 條件下得到還原產(chǎn)物,還原產(chǎn)物經(jīng)過磨礦至-0.074 mm 90%后在磁場強(qiáng)度為0.08 T 進(jìn)行磁選,精礦中鐵含量為90.87%及鐵回收率達(dá)到95.76%[11]。該方法雖然回收率高,但工藝流程復(fù)雜,能耗高。

4.2 直接浸出法

該技術(shù)同樣為實(shí)驗(yàn)階段工藝技術(shù),赤泥浸出提取氧化鋁和氧化鐵的研究,赤泥無需焙燒,在液固比4∶1,鹽酸濃度為6 mol/L、酸浸溫度為109 ℃,時(shí)間為60 min,酸浸方式為二次浸出,氧化鋁和氧化鐵的浸出率分別為89.00%和98.39%[12]。雖然浸出率高,但是后續(xù)分離等工段更為復(fù)雜,而且酸性反應(yīng)條件對設(shè)備材質(zhì)要求較高,也不易于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。

4.3 水洗磁選法

該工藝方法和磁選鐵礦技術(shù)相類似,做了相關(guān)赤泥選鐵實(shí)驗(yàn),試驗(yàn)采用SSS-I-145 周期式高梯度磁選機(jī)經(jīng)過一粗一精一掃的磁選后,在給礦品位(以Fe 計(jì))為23.19%時(shí),可獲得精礦產(chǎn)率10.34%,鐵精礦品位(以Fe 計(jì))52.03%,Fe 回收率23.19%。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果掃選得到的中礦產(chǎn)率為7.44%,中礦品位(以Fe 計(jì))30.14%,其產(chǎn)率較低,中礦品位也較低,因此在工藝流程上不選擇掃選。結(jié)合部分氧化鋁廠赤泥選鐵的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn),提出采用“赤泥—隔渣篩—中磁機(jī)—粗選—精選—壓濾—鐵精礦”的工藝流程。該工藝流程簡單,減少赤泥量,自動(dòng)化程度較高。

5 研究意義

5.1 補(bǔ)充鐵礦石資源

鋼鐵是重要的結(jié)構(gòu)材料,在我國經(jīng)濟(jì)中占有極其重要的地位。生產(chǎn)鋼鐵需要大量的鐵礦石,對于高鐵鋁土礦來講,赤泥選鐵既給企業(yè)帶來收益,又對環(huán)保事業(yè)有貢獻(xiàn),填補(bǔ)國內(nèi)鐵礦石需求缺口。

5.2 推動(dòng)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展及工業(yè)轉(zhuǎn)型

從世界城市發(fā)展規(guī)律來看,節(jié)能環(huán)保工藝促使城市經(jīng)濟(jì)成功轉(zhuǎn)型、提升城市影響力和輻射力上起到關(guān)鍵作用。

5.3 促進(jìn)企業(yè)發(fā)展

隨著鋁行業(yè)的不斷發(fā)展,其生產(chǎn)中的廢渣排放量也越來越大。對于赤泥的綜合利用,國內(nèi)外學(xué)者作了大量研究,但目前為止尚未無較好的處理辦法,大都筑壩堆放。

截止2021 年,我國國內(nèi)氧化鋁廠年產(chǎn)赤泥量約為1.2 億t,如果按照10%最低產(chǎn)率考慮,至少可以生產(chǎn)1 200 萬噸55%的鐵精礦,能給氧化鋁企業(yè)和生態(tài)環(huán)境減輕一些負(fù)擔(dān)。

6 結(jié)語及建議

磁化焙燒磁選法,回收率高,但工藝流程復(fù)雜。直接浸出法雖具有浸出率高等優(yōu)點(diǎn),但分離工序復(fù)雜,設(shè)備要求較高,運(yùn)行成本較高、上述方法利潤空間較小。

水洗磁選法,與拜耳法生產(chǎn)氧化鋁中赤泥分離及洗滌車間完美結(jié)合,磁選過程中又進(jìn)行了洗滌,工藝流程簡單,生產(chǎn)成本低,而且工業(yè)化已應(yīng)用投產(chǎn)。

水洗磁化法,雖然利潤空間大,但是回收率較低,企業(yè)盈利后還需要加大投入進(jìn)行研發(fā)新工藝,同時(shí)對赤泥里面其它金屬的回收也應(yīng)進(jìn)行加大研發(fā)力度。