降低拜耳法氧化鋁生產系統碳堿濃度的探索與實踐

李峰杰

（河南中美鋁業有限公司，河南 登封 452477）

拜耳法氧化鋁生產中，碳堿濃度是一項重點監控指標，氧化鋁廠一般都設計有排鹽苛化工序，專門進行碳堿排出及苛化。河南中美鋁業2019年8月份開始系統碳堿濃度逐漸升高，8月前循環母液Nc/Nt維持在12.5%以下，8月份循環母液Nc/Nt短時間內升高到15%以上，最高值接近18%。2019年8月～10月期間，溶出閃蒸間斷出現帶料現象，以正常進料量生產難以為繼，為防止溶出閃蒸帶料公司被動開始低產運行，且間斷轉水沖洗溶出機組。為扭轉被動局面，經過近四個月探索與實踐，終于將循環母液Nc/Nt控制到12.5%以內。

1 氧化鋁生產中碳堿的形成

拜耳法生產氧化鋁過程中，鋁土礦中含有的少量碳酸鹽(如石灰石、菱鐵礦等)以及在添加石灰時混入的石灰石，在溶出過程高壓高溫條件下會與高濃度的苛性堿反苛化生成Na2CO3。鋁酸鈉溶液吸收空氣中的CO2也會生成碳酸堿。每進行一次拜耳法循環，大約有3%的苛性堿轉化為碳酸鈉。

反苛化反應式：CaCO3+2Na0H-Na2CO3+Ca(OH)2

鋁酸鈉溶液苛性堿與空氣中CO2反應式：2NaOH+CO2→Na2CO3+H2O

2 系統碳堿升高的原因及危害

在氧化鋁生產過程中，鋁酸鈉溶液在不斷地進行循環，流程中的各種雜質含量隨著循環過程的反復積累不斷升高，特別是鋁酸鈉溶液中碳堿濃度不斷升高，給氧化鋁生產造成了極大的危害。目前國內鋁土礦資源儲量和礦石品位逐年下降，礦石鋁硅比已經降至4.8以下，AO含量低于57%，礦石中所含Si、C、S、Ca等雜質含量相應升高，尤其是C、S、Ca等雜質含量過高將導致氧化鋁生產中碳堿濃度升高，甚至出現短期內碳堿急劇升高，溶出機組自蒸發器E8、E9罐內及出料管內大量碳堿結晶析出，造成E8、E9出料不暢，溶出機組被迫減產或轉水沖洗碳堿結晶，嚴重者造成停車事故，對氧化鋁生產的穩定運行造成惡劣影響。

氧化鋁系統中的碳堿被視為無效堿，長期在流程中積累，增加了單位能耗，碳堿達到平衡濃度時，以固體析出，結疤后和鋁硅酸鈉和芒硝堿混雜在一起的所形成的不溶性的致密結構，造成設備的傳熱效率下降，過程能量增加。在溶出礦漿自蒸發器后幾級造成出料不暢，對溶出系統的穩定運行及溶出指標的優化造成不良影響；對沉降葉濾、種分的影響，增加了鋁酸鈉溶液的粘度，不利于沉降的分離及葉濾的過濾，增加了鋁酸鈉溶液的穩定性，造成分解率下降；在蒸發過程中會在加熱管壁上形成結疤，不僅降低了蒸發器的換熱系數，也縮短了蒸發器的運行周期，增加了蒸發汽耗。

3 降低系統碳堿的措施

系統碳堿濃度升高，影響氧化鋁生產多個工序的工藝指標和穩定運行。因此，如何有效降低系統碳堿已經成為國內各大氧化鋁廠攻關的課題之一。拜耳法生產中的碳酸鈉，根據它在循環堿液中的溶解度變化規律，可以在蒸發過程中使其析出，再用沉降或過濾的方法進行分離，一般拜耳法氧化鋁廠均設置專門的苛化工序對這部分碳酸鈉進行苛化處理，以回收這部分堿，降低堿耗。中美鋁業為降低系統碳堿濃度采取的主要措施：基本可概括為“少進多排”，一是控制系統帶入的碳酸鹽，減少碳堿生成；二是提高系統排鹽量，加大碳堿從系統排出。結合公司實際情況，主要實施以下措施：

3.1 加強源頭控制，把住原材料進口關，控制少進抓落實

公司嚴把礦石、石灰進口關，通過同行業對標，對礦石Ca、C、S含量和石灰有效鈣指標等幾個關鍵指標，嚴格控制采購標準。將礦石指標由原來的Ca含量小于3.0%，C小于1.0%，S小于0.3%調整至Ca含量小于2.0%，C小于0.4%，S小于0.25%，石灰有效鈣大于80%。在收購過程中對不合格礦石、石灰采取拒收、扣減、報廢等措施，使進廠礦石和石灰指標得到明顯好轉。進入系統的碳酸鹽量大大降低，有效緩解了系統碳堿的持續升高。

3.2 提高排鹽苛化效率，加大碳堿排出

3.2.1 提高強制效的出料濃度，增大碳堿析出量

隨著溶液中總堿濃度的提高，碳酸鈉溶解度急劇下降。母液蒸發時，當碳酸鈉超過其平衡濃度，Na2CO3·H2O即自溶液中結晶析出。在生產中，鋁酸鈉溶液中的碳酸鈉是逐漸積累的。當分解母液中經過若干循環積累到一定含量時，將此母液蒸發到要求的濃度，例如300g/LNa2OT，則過飽和的碳酸鈉沿溶解度曲線結晶析出，直到達到該濃度下的平衡含量為止。由于有機物等雜質的影響，碳酸鈉溶解度曲線發生偏移，較理論上溶解度有所上升，在實際生產中，強制效濃度300g/L時碳堿析出量較少。為加快碳堿析出，經過研究決定提高強制效的出料苛堿濃度，由原來的300g/l提升到320g/l，提高以后碳堿析出量大大提高。

3.2.2 創新蒸發器低負荷運行模式，強制效、五效、六效單獨運行，顯著提高撈鹽效率

中美鋁業現有一套400kt/a蒸發機組，該機組為六效逆流，四級閃蒸外加一個強制效蒸發器。現因嚴峻的環保形勢，每年進入冬季10月份至次年3月份進入限產季，溶出機組進料量減半，蒸發器每天都要開停車一次，且蒸發器每天只運行12小時左右，強制效正常運行每天8小時左右，強制效運行時間短造成碳堿打撈量偏少，碳堿進出不平衡，造成系統碳堿居高不下。

為解決這一難題，公司研究決定改變蒸發器運行模式，采取強制效、五效、六效單獨運行，工藝流程為合格母液出料直接進強制效蒸發器，保證強制效出料濃度控制在290g/L以上，原液停止進四效蒸發器而改進六效蒸發器，六效蒸發器通過過料泵打入五效蒸發器，通過五效出料泵出料進母液槽。同時需控制好六效蒸發器原液進料量和五效蒸發器出料量，與苛化沉降槽溢流進母液槽進行混合，調配成合格的循環母液，保證后續液量的供應。

通過創新蒸發器低負荷期間運行模式，有效延長了強制效蒸發器每天運行時間，從每天8小時提高至20小時以上，提高了苛化沉降槽進料量，增加了沉降槽碳堿析出，顯著提高了撈鹽效率，8月～10月每月碳堿打撈量較改造前增加至原來的4倍以上。

3.3 碳堿部分外排，打破碳堿苛化總量受限的瓶頸，進一步提高碳堿打撈量

排鹽苛化工序利用過濾機對碳酸鈉溶液進行液固分離，濾液進入溢流槽打入母液槽，濾餅進入濾餅槽打入苛化槽，苛化槽加入石灰乳用蒸汽加熱對濾餅進行苛化，苛化反應需進行2小時左右，化驗苛化率合格后，用苛化泵把苛化好的苛化渣送到沉降一洗槽。當撈鹽量多，苛化渣送量大時，一是影響沉降赤泥洗水添加量，造成沉降末次全堿升高，而苛化渣過高的苛性比，直接造成精液苛性比及后續分解率等多項關鍵技術指標劣化，二是沉降槽需預留足夠槽存空間接收苛化渣，若槽存不足則影響苛化渣接收，一定程度上限制了排鹽量的提高。為減小對系統指標的影響和提高排鹽總量盡快降低碳堿濃度，公司將部分碳堿進行外排、外售，根據生產情況合理調整苛化與外售比例，實施碳堿苛化與外排并行，最大程度提高碳堿打撈量。

4 改進效果

通過實施以上控制措施，中美鋁業的系統碳堿濃度逐步下降，最終得到有效控制，循環母液Nc/Nt穩定在12%～13%的正常區間，具體情況見下圖。

5 結論

（1）礦石中Ca、C、S、石灰中CaCO3等成分升高，會造成短時間內系統碳堿急劇上升，因此控制進廠礦石和石灰的雜質含量是降低系統碳堿的有利措施。

（2）加大蒸發強化排鹽是迅速扭轉系統碳堿升高的關鍵措施，提高強制效出料濃度，碳堿苛化和外排并行提高總撈鹽量，從而拉大碳堿進入與排出的差值，可快速降低碳堿濃度，穩定生產。

（3）創新蒸發器低負荷生產模式，由六效降膜蒸發加強制效運行改為兩效加強制效運行，兼顧正常生產液量轉移與碳堿打撈，對提高撈鹽效率、降低單位撈鹽汽耗有突破性的效果。

（4）系統碳堿濃度指標對氧化鋁廠的生產穩定與經濟運行影響較大，生產中應密切監控此指標，若發現異常升高，應迅速采取措施降低碳堿濃度，使其穩定在合理的范圍內。