拜耳法系統(tǒng)中石灰直接苛化法除碳?jí)A研究與應(yīng)用

趙志強(qiáng)

（廣西田東錦鑫化工有限公司，廣西 百色 531500）

1 前言

在拜耳法氧化鋁生產(chǎn)工藝中，由于礦中碳在溶出過程中生成碳酸鈉以及鋁酸鈉溶液吸收空氣中CO2，導(dǎo)致流程中碳?jí)A濃度的升高，造成系統(tǒng)溶出率降低、母液蒸發(fā)的能耗升高[1]。目前，拜爾法氧化鋁生產(chǎn)流程中碳?jí)A的排除方法是排鹽和苛化，排鹽是采用蒸發(fā)強(qiáng)制效濃縮蒸發(fā)母液達(dá)到一定濃度，使得溶液中的碳酸鈉結(jié)晶析出，再經(jīng)沉降分離后，底流經(jīng)過濾脫水后，用熱水溶解再加石灰乳進(jìn)行苛化，苛化后的溶液經(jīng)過濾后，濾液返回蒸發(fā)母液槽，濾餅送沉降末洗隨赤泥外排[2-4]。其工藝流程如圖1。

圖1 強(qiáng)制效排鹽苛化工藝流程圖

由圖1可以看出，排鹽和苛化涉及到很多工序及設(shè)備，并且還需使用蒸汽，采用這種方式去除流程中的碳?jí)A工藝復(fù)雜、工序繁多、能耗高、人工成本高。因此，如果能夠在生產(chǎn)流程中直接添加石灰乳去除碳?jí)A，就不需要運(yùn)行或減少運(yùn)行排鹽和苛化這些工序，以達(dá)到節(jié)能降耗、節(jié)約成本的作用。

采用石灰苛化的方法降低系統(tǒng)中的碳?jí)A含量，其反應(yīng)如下[5]：

在不改變各工序工藝條件的情況下，尋找合適的石灰乳添加點(diǎn)，確定最佳的石灰添加量，以達(dá)到較高的苛化率和較低的氧化鋁損失。本文通過實(shí)驗(yàn)研究拜耳法生產(chǎn)流程中不同的鋁酸鈉液中Al2O3、Na2CO3與CaO反應(yīng)規(guī)律，考察石灰添加量、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間對苛化率、氧化鋁損失的影響，確定生產(chǎn)中用石灰苛化的方法降低系統(tǒng)中的碳?jí)A的最佳環(huán)節(jié)和加入量，從而有效去除拜耳法流程中的碳?jí)A，減少氧化鋁損失。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及原料

（1） 恒溫水浴的溫度為99±0.5℃，攪拌強(qiáng)度為120轉(zhuǎn)/分鐘。

（2）實(shí)驗(yàn)溶液為工廠生產(chǎn)流程中的分解母液、成品洗液、一次洗液、二次洗液、三次洗液、四次洗液。

（3）石灰乳有效鈣為133.9g/l，固含為190g/l，比重為1088g/l。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

根據(jù)溶液中含有的Al2O3、Na2CO3的量計(jì)算出CaO的理論加入量（即按反應(yīng)式（1）（2）），并折算成石灰乳加入量[6]。取250ml錐形瓶，加入100ml鋁酸鈉溶液，蓋上橡膠塞，放入恒溫水浴中，在實(shí)驗(yàn)溫度下先恒溫30分鐘，然后加入石灰乳，反應(yīng)30分鐘后，取出過濾，對濾液進(jìn)行分析。

添加石灰乳后，實(shí)驗(yàn)溶液被稀釋，依據(jù)實(shí)驗(yàn)后溶液的Al2O3及Na2CO3濃度來計(jì)算Al2O3損失率及苛化率不夠準(zhǔn)確，因此，Al2O3損失率及Na2CO3的苛化率按A/NT和Nc/NT計(jì)算（A和NT分別為溶液中Al2O3及全堿濃度，NT=Nk+Nc）。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

3.1 Nk對苛化效率的影響

成品洗液的實(shí)驗(yàn)溫度為60℃，其他溶液的實(shí)驗(yàn)溫度為90℃，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 不同樣品添加石灰苛化實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由表1中可以看出，同樣倍數(shù)的石灰添加量，低濃度的一次洗液、二次洗液、三次洗液、四次洗液的苛化率大大高于種分母液和成品洗液，石灰添加量為理論值的0.5倍時(shí)，一次洗液、二次洗液、三次洗液、四次洗液的苛化率較高，且氧化鋁損失也相對要小，尤其對二次洗液，石灰添加量為理論值的0.5倍時(shí)，其苛化率達(dá)到96.58%，氧化鋁損失率只有16.18%。因此，后續(xù)實(shí)驗(yàn)針對二次洗液進(jìn)行。

3.2 溫度對苛化效率的影響

在實(shí)驗(yàn)3.1基礎(chǔ)上，選用低濃度的二次洗液，研究溫度、石灰添加量對碳酸鈉苛化效率及氧化鋁損失的影響，反應(yīng)時(shí)間30min，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 不同溫度下苛化的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由表2可知，90℃碳酸鈉的苛化率比100℃高，氧化鋁的損失率比100℃低。可見，低濃度苛化時(shí)，較低的溫度有利于苛化反應(yīng)。對二次洗液，從經(jīng)濟(jì)上考慮，反應(yīng)溫度90℃，石灰加入量為理論量的0.5倍的條件下，進(jìn)行下一步實(shí)驗(yàn)研究。

3.3 時(shí)間對苛化效率的影響

用低濃度的二次洗液研究時(shí)間對苛化效率的影響，石灰加入量為理論加入量的0.5倍，苛化溫度為較低的90+1℃。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3。

表3 苛化時(shí)間對苛化的影響

由表3可知，隨著反應(yīng)時(shí)間的增加，碳酸鈉的苛化率逐漸升高，由53.04%升高到96.58%，而A2O3損失變化不大。可見，CaO加入量為理論加入量的0.5倍，苛化溫度為90℃，反應(yīng)時(shí)間對苛化率的影響較大，隨著反應(yīng)時(shí)間的增加苛化率增加，氧化鋁損失變化不大。

4 工業(yè)應(yīng)用

拜耳法氧化鋁生產(chǎn)工藝中，隨著生產(chǎn)的進(jìn)行，流程中的碳?jí)A逐漸積累，降低系統(tǒng)循環(huán)效率、分解率，影響蒸發(fā)換熱效率和蒸水量，母液蒸發(fā)的能耗升高。碳?jí)A達(dá)到一定濃度后，在溶出閃蒸系統(tǒng)析出，造成管道堵塞，閃蒸帶料，生產(chǎn)無法正常運(yùn)行。因此，碳?jí)A在拜耳法氧化鋁生產(chǎn)流程中必須保持平衡，即進(jìn)出流程的量要保持平衡，防止碳?jí)A在流程中積累導(dǎo)致溶液中碳酸鈉濃度升高，就非常重要。目前采取的方法是強(qiáng)制排鹽和苛化，流程比較長，工序比較多，涉及到的設(shè)備多，因此這種碳?jí)A的去除方式，工藝復(fù)雜，成本較高，據(jù)計(jì)算，排除一噸碳酸鈉的成本達(dá)4000-4500元（隨蒸汽價(jià)格而變化）。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，選擇在沉降二次洗滌槽中添加石灰乳進(jìn)行苛化，石灰添加量為理論計(jì)算量的50%，溫度90℃左右，反應(yīng)時(shí)間30分鐘以上，溶液中的碳?jí)A去除率可達(dá)95%以上。在現(xiàn)有沉降二次洗滌槽的工藝運(yùn)行條件下，可以滿足石灰苛化的要求，在不需要增加任何設(shè)備和改變工藝條件的情況下，處理1m3的二次洗液，可以排除約1.5kg碳酸鈉，基本可以保持生產(chǎn)流程中碳?jí)A的平衡，一般不需要再運(yùn)行排鹽和苛化這些工序。

5 結(jié)論

（1）在相同的試驗(yàn)條件下，處理低濃度的鋁酸鈉溶液，Na2CO3的苛化效率高，Al2O3損失率小。處理二次洗液，最佳的反應(yīng)條件為，石灰添加量為理論值的0.5倍，溫度90℃，時(shí)間30min。此條件下，Na2CO3的苛化率達(dá)95%以上，氧化鋁損失率在20%以下。

（2）現(xiàn)有二次洗滌沉降槽的運(yùn)行條件下，可以滿足石灰苛化的工藝條件，處理1m3的二次洗液，可以排除約1.5kg碳酸鈉，此法可保持生產(chǎn)流程中碳?jí)A的平衡，碳酸鈉對生產(chǎn)基本不產(chǎn)生危害。