拜耳法生產氧化鋁中脫除有機物的研究

易武平

(貴陽鋁鎂設計研究院有限公司，貴州 貴陽 550081)

0 引 言

近十年來，我國的氧化鋁行業高速發展，全國氧化鋁的產能由2010年的3 620萬t劇增到2019年的8 614萬t。目前，我國新建氧化鋁廠基本上都采用拜耳法生產。

拜耳法生產氧化鋁過程中，鋁土礦中的有機物會進入溶出礦漿中，并在循環母液中不斷積累。近年來，我國部分氧化鋁廠有機物含量高的問題逐漸顯現出來，比如平果氧化鋁廠分解母液中有機碳含量就達到7 g/L。當生產中有機物含量累積到一定程度后，將對生產帶來一系列不利的影響。因此，拜耳法生產氧化鋁中有機物的脫除研究具有十分重要的意義。

1 氧化鋁生產過程中有機物的來源及種類

氧化鋁生產過程中有機物的來源主要有以下幾個方面：

1.1 鋁土礦

鋁土礦尤其是三水鋁石礦通常含有萬分之幾至千分之幾的有機物。這些有機物可以分為腐殖酸及瀝青兩大類。鋁土礦帶入的腐殖酸類有機物約占系統中有機物總量的96 %，是拜耳法溶液中有機物的最主要來源。

1.2 有機添加劑

有機添加劑主要有：用于赤泥沉降分離及洗滌的高分子絮凝劑、分解分級過程中添加的消泡劑和結晶助劑等。

拜耳法生產氧化鋁系統中有機物的種類復雜，至今為止，有機物的成分也沒徹底統計出來。C.Sato等人指出，拜耳法溶液中的碳，大概96%來自于鋁土礦，其中26 %是碳酸鈉，18 %是草酸鈉，56 %是有機鈉鹽。

2 有機物對氧化鋁生產過程的影響

拜耳法生產氧化鋁過程中，有機物含量過高將對生產帶來很多不利的影響，主要體現在以下幾個方面。

2.1 溶液物理性質的改變

鋁酸鈉溶液中有機物含量增加會使溶液的沸點、粘度、比重和比熱增加，溶液粘度增大會導致物料輸送阻力增大，增加泵的揚程。

2.2 影響產品質量

有機物含量增大，會導致成品氫氧化鋁產品略帶紅褐色，有機物夾雜在產品內部會降低氧化鋁產品的白度，有機物濃度增大，氫氧化鋁產品容易變細易碎。

2.3 對分解分級工序的影響

(1)溶液中有機物濃度的增大，會降低晶種分解率；

(2)有機物過多會生成細粒子氫氧化鋁；

(3)溶液中腐殖酸鹽等有機物含量較高時，晶種分解槽內容易產生大量氣泡和泡沫；

(4)溶液中有機物容易飽和析出，會加速晶種分解槽內的結疤速率。

2.4 對溶出、蒸發等工序的影響

在氧化鋁溶出工序，有機物會阻礙鋁土礦與溶液接觸而降低鋁土礦的溶出率。溶液中有機物的存在導致溶液的粘度增加，會降低赤泥的沉降速率。

在蒸發工序中，草酸鹽容易在蒸發設備內析出結疤，降低設備蒸水產能。

2.5 增大堿損失量

溶液中有機物會與堿反應生成各種有機鈉鹽，造成生產系統堿的損失。

2.6 減少設備的有效容積

溶液中有機物含量太高時，系統的料漿在生產中會產生大量泡沫，從而減少設備的有效容積。從某氧化鋁廠現場了解到，分解槽中泡沫的高度高達5 m左右，占到了分解槽體積的1/6，已嚴重影響到了生產的正常運行。

3 拜耳法生產氧化鋁過程中脫除有機物的主要方法

拜耳法生產氧化鋁過程中脫除有機物的研究一直是氧化鋁行業的一個重要課題。國內外也有關于這方面的大量試驗與研究，下面介紹幾種有機物的脫除方法。

3.1 鋁土礦焙燒法

鋁土礦焙燒法是通過焙燒鋁土礦中有機物，從源頭上脫除鋁土礦中的有機物的方法。

通過此法可脫除鋁土礦中的絕大多數有機物，然而此法存在熱損失大，能耗高，生產成本高等問題，此法在氧化鋁行業并未得到工業化應用。

3.2 離子交換法

離子交換法是采用離子交換樹脂將有機分子被交換到樹脂上而實現分離的方法。

Pierre發明了讓母液通過陽離子交換樹脂，除去鐵、硅、鈦、鋅等陽離子以及溶液中的有機物。然而此法成本較高，也存在樹脂再生困難的問題。因此，此法在氧化鋁行業并未得到工業化應用。

3.3 分解母液焙燒法

分解母液焙燒法是將分解母液與氫氧化鋁混合，混合后礦漿通過高溫焙燒后除去其中有機物雜質，并生成固體鋁酸鈉。該法存在能耗較大，設備投資高且易結疤、腐蝕等問題，此法僅在國外部分氧化鋁廠得到應用。

3.4 結晶法

結晶法是通過蒸發濃縮和添加晶種等方法使鋁酸鈉溶液中的有機物主要是草酸鈉失穩而結晶析出的方法。

國內某采用三水鋁石礦生產氧化鋁的廠脫除草酸鹽的流程為：部分蒸發母液經蒸發站濃縮至Nk約260 g/L，先經板式換熱器與循環水換熱至約55 ℃，再經多級降溫槽自然降溫并析出草酸鹽結晶，部分草酸鹽結晶作為晶種返回至首臺自然降溫槽，其余草酸鹽漿液經泵送入壓濾機進行固液分離，濾液送至化清液制備工序，濾餅經廠內小堆場暫存后，定期外銷處理，其流程見圖1。

圖1 某氧化鋁廠結晶法脫除有機物流程圖Fig.1 Flow chart of organics elimination by crystallization process from an alumina refinery

結晶法工藝簡單成熟，設備運行要求低，草酸鹽脫除率高，易于工業生產，工業應用廣泛，但是存在蒸發濃縮需消耗能量，結晶會帶走部分氧化鋁和苛性堿，有機物脫除不徹底等問題。

3.5 細種子洗滌-石灰苛化法

細種子洗滌-石灰苛化法是利用草酸鹽析出時極易吸附細顆粒氫氧化鋁、易溶于熱水的特點，生產上對細種子進行冷熱水交替洗滌，洗滌后向洗液中加入石灰乳進行苛化反應去除草酸鹽的方法。

國內某氧化鋁廠采用進口澳大利亞鋁土礦生產氧化鋁，該礦總有機碳含量較高，經過一段時間的運行，有機物的積累已經影響了生產的正常運行。該廠采用二段分解生產砂狀氧化鋁的技術，一段附聚、二段長大，該工藝附聚效率的高低直接影響產品的質量，而有機物極易附聚在細種子上，因此，對細種子進行洗滌可提高細種子的活性，提高附聚效率。

“細種子洗滌-石灰苛化法”具體流程為：從分解來的富含草酸鹽的細種子漿液進入細種子過濾立盤，第一級過濾采用冷水噴淋洗滌，分解母液返回分解，過濾的濾餅富含大量草酸鹽，過濾的濾餅進入細種子洗滌立盤，采用熱水噴淋洗滌，去除細種子表面的草酸鹽，草酸鹽富集在細種子洗液里面，細種子洗液進入草酸鹽苛化槽，往苛化槽中加入石灰乳，石灰乳與草酸鹽發生反應生成草酸鈣固體，苛化反應后的漿液經沉降過濾分離后濾渣送往赤泥堆場，其流程見圖2。

圖2 某氧化鋁廠細種子洗滌-石灰苛化法脫除有機物流程圖Fig.2 Flow chart of organic elimination by fine-seed cleaning - lime causticization from an alumina refinery

該系統采用間斷運行的方式，當細種子表面草酸鹽富集到一定程度后開啟草酸鹽苛化系統，低于一定數據時停止運行該系統。通過該系統，可以將草酸鹽的脫除率控制在60 %以上，維持了系統中草酸鹽類的平衡，同時又將生產過程中氧化鋁的損失率控制在50 %以下，穩定了生產，降低了運行成本。

細種子洗滌-石灰苛化法工藝簡單成熟，易于操作，設備運行要求低，在國內外氧化鋁廠應用廣泛，易于工業化應用，但是石灰用量大、利用率低、鋁損失等問題。

4 結 語

拜耳法生產氧化鋁過程中有機物的脫除方法較多，各有利弊，大多數方法還處在研究階段，只有少數已經取得工業化應用。從上述比較可以看出，結晶法和細種子洗滌-石灰苛化法適合草酸鹽類有機物的脫除，是目前較易實現工業化應用的方法。