赤泥沉降性能影響因素研究

王永昌,溫相琳,彭倩倩,楊慧

(1.龍口東海氧化鋁有限公司,山東 煙臺 265713;2.山東南山鋁業有限公司國家鋁合金壓力加工工程技術研究中心,山東 煙臺 265713;3.山東省鋁合金壓力加工技術創新中心,山東 煙臺 265713;4.山東南山科學技術研究院有限公司有色金屬產業研究院,山東 煙臺 265713)

在氧化鋁生產工藝中采用燒結法得到的溶出漿液是包括鋁酸鈉溶液和赤泥雜質的混合物,想要獲得較為純凈的鋁酸鈉溶液以及固含相對較高的赤泥是極為重要的[1]。氧化鋁生產工藝中的赤泥沉降大多采用重力沉降,其具有如下優異的特性:設備簡單、造價低、施工容易、安全系數高以及易于維護等特點。由于懸浮液中赤泥與溶液的密度相差較大,使其在重力場中發生相對運動,最終實現溶液與赤泥的分離。但在沉降分離過程中,一方面赤泥本身存在相對較高的分散度,顆粒粒度分布不均,一部分微粒接近膠體。另一方面赤泥粒子有著較大的比表面積,在溶液中易產生溶劑化作用表面形成一層膜,妨礙微粒間相互聚集。固液分離不徹底將使生產不能正常進行,直接影響固液分離效率和氧化鋁的產出率[2]。本實驗通過調控絮凝劑添加種類、添加量、添加方式、熟料粒度、溶液固含等影響因素,對沉降分離效果進行了研究,這將對實際生產具有重要的理論指導意義。

1 實驗

1.1 實驗原料

某氧化鋁公司所用熟料經過破碎、球磨后得到粒度分布不一的實驗原料,其主要化學成分分析結果如表1所示。

表1 某氧化鋁公司熟料成分質量含量 單位:%

從表1中可以看出,該實驗選用的鋁土礦為高硅鐵型鋁土礦,其中Al2O3含量為36.87%,SiO2含量為9.36%,礦物A/S=3.94,其中各類含量較高的雜質包括:Na2O、Fe2O3、K2O、CaO等。

1.2 實驗主要設備

(1)低壓群釜實驗裝置:本實驗中的反應裝置為低壓溶出器,內含若干個鋼彈,選用甘油作為加熱介質。攪拌方式為翻滾球磨式,采用WMZK--011溫度指示儀控制溫度(控溫精度為±1 ℃)。

(2)沉降設備如圖1所示,沉降管:沉降管內徑33 mm,有效高度為300 mm,一次可裝入250 mL左右的溶出漿液。

圖1 沉降實驗裝置示意圖

(3)其他實驗儀器見表2。

表2 實驗儀器

1.3 實驗方法

1.3.1 絮凝劑的制備

在200 mL去離子水中加入預先稱量好的2 gNaOH,將其置于恒溫水浴中加熱至55 ℃。在攪拌速度為在300 r/min的條件下,邊攪拌邊加入0.50 g乳液狀絮凝劑,將溶解好的絮凝劑導入500 mL的容量瓶中定容,備用。

1.3.2 溶出沉降實驗

在鋼彈中加入100 mL預先配好的調整液以及漿料,攪拌速度保持為150 r/min,在75 ℃下預熱5 min后開始計時。實驗進行15 min,立即置于水中冷卻后將溶出漿液邊攪拌邊倒入沉降管中后,在90 ℃下保溫,進行沉降實驗。在沉降管中加入預先配置好的、具有一定比例的絮凝劑進行攪拌,計時并記錄不同時刻的底流液面高度。沉降反應持續進行60 min后取樣品檢測上清液濃度。主要實驗儀器列于表2中。

2 實驗結果與討論

2.1 絮凝劑種類的影響

絮凝劑作用機理是凝聚和絮凝兩種作用過程。凝聚是膠體顆粒脫穩并形成細小的凝聚體的過程:而絮凝則是所形成的細小的凝聚體在絮凝劑的橋連下生成大體積的絮凝物的過程[3]。對于同一種漿料而言,不同種類的絮凝劑效果也是不同的。

2.1.1 無機復合高分子絮凝劑的影響

無機復合高分子絮凝劑是指含有鋁鹽、鐵鹽和硅酸鹽等多種具有絮凝或助凝作用的物質,它們預先分別經羥基化聚合后再加以混合,或先混合再加以羥基化聚合,形成羥基化的更高聚合度的無機高分子形態[4]。它的出現降低了成本且提高沉降效率。

本實驗選取A1～A4無機高分子絮凝劑,T漿料=75 ℃,漿料添加量230 g/L,絮凝劑添加量為200 g/t-干赤泥。沉降情況如圖2所示。

圖2 不同絮凝劑對溶出漿液沉降性能的影響

從圖2中得出,在系統中分別添加A1～A4無機高分子絮凝劑,在反應初期的10 min內,相較于A2、A3型號的絮凝劑,A1、A4絮凝劑使得系統中赤泥的沉降速度明顯加快,漿液壓縮高度比迅速達到60%以下;隨著時間的延長,A1、A4依然保持較高的沉降分離效果,相比于添加了A4種類的絮凝劑系統,含有A1絮凝劑的沉降漿液高度比<50%,具有優異的沉降效果,且得到的漿料中ρ(Al2O3)>180 g/L,符合生產要求。

2.1.2 有機高分子絮凝劑對溶出沉降性能的影響

有機高分子絮凝劑含有帶電的官能團或中性的官能團,溶于水中而具有電解質行為[5]。根據生產要求選取A5～A11型號的有機高分子絮凝劑作為本次的實驗對象,T漿料=75 ℃、漿料添加量:230 g/L,絮凝劑添加量為200 g/t-干赤泥。

從圖3曲線明顯看出,在反應初期,A5、A6、A8、A10絮凝劑的沉降效果大致在一個水平內,沉降速度很小,漿液壓縮高度比>90%;相比而言,A7、A9、A11絮凝劑的沉降效果顯著,且沉降速度依次增大,漿液壓縮高度比在40%～70%。值得注意的是,加入A11絮凝劑,沉降漿液高度比在10 min內迅速達到40%以下,且沉降速度極快,顯示出一定的優越性。隨著時間的推移,A5～A11絮凝劑使得漿料壓縮高度比整體趨勢是下降的,到60 min時A11絮凝劑料漿系統高度比例仍然最低,沉降效果較為理想。

圖3 不同絮凝劑對溶出漿液沉降性能的影響

沉降過程可用Stocks來描述:

式中:v—自由沉降速度,m/s;ρs,ρl—赤泥顆粒的密度與液相的密度,kg/m3;dp—赤泥顆粒的當量直徑,m;μ—液相的動力黏度,Pa·s;g—重力加速度,m/s2。

綜上所述,有機高分子絮凝劑A11是效果最理想且制備較容易的一類絮凝劑,在整個實驗中均采用該絮凝劑進行實驗。

2.2 絮凝劑加入量的影響

沉降過程中,在其他條件保持不變的情況下,根據生產需求,設置絮凝劑添加量為50 g/t-干赤泥、100 g/t-干赤泥、200 g/t-干赤泥、400 g/t-干赤泥進行實驗。

實驗表明:盡管絮凝劑添加量略有不同,但是沉降系統中的沉降速度均很大,在沉降反應僅僅持續了10 min就進入了赤泥壓縮階段,且隨著反應的進行,漿液壓縮高度比在30%～50%。如圖4,絮凝劑添加量越來越多,沉降速度隨之提升。當添加量為100 g/t-干赤泥和200 g/t-干赤泥時,沉降的絮團更大,上清液更加清亮,經過測試發現浮游物濃度更低。由圖4也可以清晰地看出,在溶出漿料其他條件不變的情況下,絮凝劑的量不宜過多,絮凝劑本身屬于黏性高分子[6],加入量過多造成漿料發稠發黏,同樣不利于沉降性能的提升。實驗表明,將絮凝劑添加量標準控制在200 g/t-干赤泥時,沉降速度最大且上清液最清亮,此時浮游物濃度保持在最低狀態。在燒結法生產氧化鋁工藝中展現出極大的優越性,這對于實際生產具有一定的指導意義。

圖4 不同絮凝劑添加量對沉降性能的影響

2.3 絮凝劑的添加方式的影響

在實際的生產操作工藝中,對于相同用量的絮凝劑,其在沉降系統中的添加方式也是至關重要的。在上述實驗中發現,將絮凝劑添加量標準控制在100～200 g/t-干赤泥的范圍時,會展現出良好的沉降效果。因此,選取了如下實驗策略:取適宜量的溶出漿液置于沉降管中,先加入100 g/t-干赤泥的絮凝劑添加量并且采用邊攪拌邊加入的策略,使其充分與漿液混合均勻、相互接觸。當觀察到含有細小的絮團生成時,再向系統中加入相同的100 g/t-干赤泥的絮凝劑,依舊采用邊攪拌邊緩慢加入的方式進行,混合均勻后進行計時。與此同時,向另一組相同條件下的沉降系統中一次性加入200 g/t-干赤泥的絮凝劑量作為對照實驗。

如圖5得到的曲線趨勢可以看出,在沉降漿液中加入絮凝劑可以有效提升沉降效果,在短時間內可以進入壓縮階段并完成沉降過程。當設置絮凝劑總加入量相同時,將等量的絮凝劑一次性加入,沉降漿液中粒子與絮凝劑結合的過程中,絮凝劑分子之間也存在著相互作用,擾亂粒子與絮凝劑的結合。相比于一次加入,絮凝劑分兩次加入可以明顯提高赤泥的沉降速度,并能獲得更好的底流壓縮效果。主要原因在于,先加入一部分絮凝劑,使得漿料粒子與部分絮凝劑首先相互接觸凝聚,絮凝劑含量相對較低,可以有效避免絮凝劑分子之間的相互作用;而當第二次加入絮凝劑又可以使赤泥二次絮團[7],增大絮團直徑,提升沉降速度,從而獲得優異的沉降效果。

圖5 絮凝劑添加方式對沉降性能的影響

2.4 熟料粒度的影響

本實驗選取了在不同碾磨時間下磨制的熟料,研磨時間不同,粒度組成分布也是不同的。具有代表性的是以下4種系列:未研磨的熟料為1#;磨制時間為1,2,3 min后的熟料為2#～4#,隨后開展沉降實驗。

由圖6可知,在沉降反應初期,1#～4#之間的沉降性能存在著顯著的變化:隨著研磨時間逐漸延長,熟料粒度隨之逐漸減小。在10 min內迅速達到赤泥壓縮狀態,漿液壓縮高度比在20%～40%。通過曲線趨勢還發現,粒度越小,在一定程度上可以有效提升沉降效果,但粒度過小,使得沉降性能相對較差。這主要是因為:一方面,粒度小、比表面積大,可以大大提升粒子與絮凝劑的接觸位點,有利于沉降反應的持續進行[8];另一方面,粒度過細,由于溶劑化效應的存在,它使粒子表面形成一層液膜,這層液膜阻礙粒子互相靠近凝聚成大的顆粒,使漿液難以沉降和壓縮[9]。此外,實驗發現,熟料粒子越細,上清液越渾濁,即溢流的浮游物濃度越高,因此,熟料粒度不宜太小[10]。

圖6 不同粒度對溶出漿液沉降性能的影響

2.5 固含的影晌

將溶出后的漿料加入沉降管中并進行抽濾,預先配置不同固含的漿液進行沉降性能實驗。

從圖7可以看出,一定的固含有利于沉降反應的發生,10 min內沉降速度很快,進而達到赤泥壓縮階段。在沉降時間相同的條件下,隨著溶出漿液的固含從50 g/L依次提高至80 g/L,漿液壓縮高度比依次上升。這表明在其他條件保持不變的情況下,漿液固含越高,沉降性能越差。主要原因在于:沉降系統內熟料粒度相同,隨著漿液的固含逐步緩慢升高,單位體積內顆粒數逐漸增多,從而絮團間距越小,相互之間的排斥作用或空間位阻越大,嚴重干擾顆粒或絮團的沉降性能,故赤泥沉降速度降低[11]。在實際生產中,控制溶出漿液的固含在50 g/L～60 g/L之間,沉降效果可以達到最佳狀態。

圖7 不同固含對溶出漿液沉降性能的影響

3 結論

本文重點對拜耳法高濃度溶出漿液的沉降分離進行了系統的研究,得到如下主要結論:

(1)在拜爾法熟料高濃度溶出漿液分離中,對于Al2O3濃度為180 g/L的溶出漿液,相比于無機復合高分子絮凝劑,有機高分子絮凝劑具有較好的沉降效果,且有機高分子絮凝劑A11可以實現固液快速分離,經過60 min壓縮,漿液壓縮高度比保持在30%～40%之間,能夠滿足生產的需要。

(2)絮凝劑的添加量對赤泥沉降性能的影響較大。在Al2O3濃度為180 g/L,固含為80 g/L左右的溶出漿液中,在一定的范圍內,絮凝劑添加量增大可達到較好的沉降效果,1 min內就能進入赤泥壓縮階段,且60 min內沉降高度比保持在較低的范圍。

(3)在絮凝劑相同使用量的條件下,相比于一次加入,絮凝劑多次加入可以得到更好的沉降效果。

(4)熟料粒度越細,沉降效果越差,實驗證明,粒度越細,沉降效果越好。鑒于熟料顆粒越細會加速溶出過程中的二次反應,同時對沉降性能也有不利影響,所以在濕磨過程中控制赤泥粒度,不宜過細。

(5)溶出漿液的固含越高,赤泥沉降速度越慢。