高性能無水氟化鋁生產技術研究

張保平(多氟多新材料股份有限公司，河南 焦作 454000)

0 引言

目前，國際上關于氟化鋁的生產技術已經比較成熟，例如德國的魯奇工藝、法國的彼施涅工藝、瑞士的布斯工藝等。雖然它們在技術細節上有所不同，但是本質上都屬于干法工藝。使用干法工藝生產氟化鋁，具有能耗與成本較高的弊端。文章提出的一種氟硅酸無水氟化鋁聯產白碳黑生產工藝，是利用磷肥副產物氟化硅作為原材料，不僅降低了生產成本，而且產品性能更好、節能減排效果明顯，成為工業制備氟化鋁的新方法[1]。電解過程中消耗更多的電能。在節能減排要求日益嚴格的背景下，干法氟化鋁生產工藝逐漸被淘汰。

1 常見的氟化鋁生產工藝

1.1 干法氟化鋁生產工藝

該工藝中以硫酸、螢石(氟石)作為原材料，在高溫爐中進行加熱反應，將生成的高溫氣體氟化氫收集起來并經過粗洗工藝后，排入充填有干氫氧化鋁的流化床。高溫氣體與氫氧化鋁接觸、反應后，可以得到產物氟化鋁[2]。該工藝雖然可以得到氟化鋁，但是存在諸多缺陷，例如經過粗洗之后，氣體中氟化氫的含量也只能維持在96%左右，仍然含有較多的雜質。而含有雜質的氟化氫氣體與氫氧化鋁反應后生成的最終產物，也會存在純度不高的問題。工業制鋁工藝中使用這種含有較多雜質的氟化鋁，會造成電解鋁質量不高，并且

1.2 無水氟化鋁生產工藝

該工藝中仍然以硫酸和螢石作為原材料，在高溫環境下進行反應生成的氟化氫氣體，依次經過粗洗、冷凍、精餾、脫氣等一系列處理工藝后，排入蒸發器中。經過前置處理工藝后，進入到蒸發器的氣體中，氟化氫含量可以維持在99.5%以上。經過蒸發器的蒸發處理后，氟化氫的含量接近于100%，然后再經導管排入充填濕氫氧化鋁的流化床中。在高溫、高濕環境下可以得到純度較高的氟化鋁。通常情況下，最終產物中二氧化硅等雜質的含量≤0.02%，使用這種氟化鋁進行工業制鋁，電解鋁的質量能夠得到可靠的保障。無水氟化鋁生產工藝兼顧了節能減排和質量，是目前主流的氟化鋁生產工藝[3]。

1.3 氟硅酸無水氟化鋁聯產白碳黑生產工藝

氟硅酸與氨水混合后發生化學反應，可以得到氟硅酸銨溶液，向該溶液中繼續加入更高濃度的氨水，可以制得晶種，過濾之后，可以實現固液分離。固體部分經過干燥處理后，得到白碳黑，液體部分(氟化銨)則通過蒸發熔融進行濃縮，得到氟化氫銨。向熔融狀態的氟化氫銨中，加入適量的氟化鈉母液，充分攪拌使兩種產物充分接觸、反應，可以得到氟化氫鈉。將氟化氫鈉依次經過洗滌、干燥、煅燒這三道工序，可以制得氟化氫氣體。收集該氣體，再次經過除塵、冷凝、精餾等幾道工序，可以得到純度在99.5%以上的氟化氫氣體。繼續用蒸發器對氟化氫氣體進行處理，得到含量接近100%的高純度氟化氫氣體，然后通入到充填濕氫氧化鋁的流化床，在高溫環境下制得最終產物無水氟化鋁。

2 氟硅酸無水氟化鋁聯產白碳黑生產技術

2.1 工藝流程

氟硅酸無水氟化鋁聯產白碳黑生產工藝流程如圖1所示。

圖1 氟硅酸無水氟化鋁聯產白碳黑生產工藝流程

2.2 設備選型

相比于常規的干法氟化鋁制備工藝，該生產工藝流程更加復雜，使用到的設備也更加多樣，因此設備的合理選型就顯得尤為重要。主要設備(系統)的規格型號如下：(1)濃縮系統，由2臺蒸發水量為23 t/h的濃縮設備組成；(2)干燥系統，由2臺干燥能力為6 t/h的烘干機組成；(3)全自動離心機4臺，功率為60 m3/h；(4)磁力驅動泵40 臺，流量20 m3/h，揚程32 m；(5)冷凍機3 臺，進水溫度0 ℃，出水溫度-5 ℃；(6)水冷設備3 臺，進水溫度30 ℃，出水溫度25 ℃，循環量2 400 m3/h。除了上述設備外，還包含了洗滌槽、燃燒爐、精餾塔、尾氣吸收塔、磁力驅動泵、流化床反應器等若干設備。在實際生產時，應根據相關要求進行設備的科學選型，并按照說明書進行組裝，保證整個裝置可以滿足無水氟化鋁的制備需要。

2.3 消耗定額

該生產工藝中各類材料的消耗情況如表1所示。

表1 氟硅酸無水氟化鋁聯產白碳黑生產的消耗定額

2.4 自動控制系統設計

該生產工藝采用DCS集散控制系統和PLC系統進行雙向調控。其中，DCS系統主要負責生產過程中溫度、壓力、流量等參數的調節，以及閥門、儀表等設備的控制。該系統的主要設備有主機柜、I/O站、繼電器柜、UPS柜等。DCS計算控制系統的前端設備是傳感器、儀表，這些儀器能夠實時采集生產工藝中各類設備的操作狀態和實時工況。例如，溫度傳感器可以采集容器內的溫度信號，并反饋給DCS系統，這樣就能實時掌握工藝介質的溫度。并且通過對比實際生產溫度與標準工況溫度的差值，靈活調控溫度，使其維持在標準范圍之內。同樣的原理，DCS系統還可以靈活調節物料的進給量。技術人員則可以通過顯示器直觀地了解當前的工藝運行狀態，打印生產報表，實現遠程操控。DCS控制系統還可以實現運行自檢，在生產過程中每隔一段時間進行一次工況自檢。如果檢查發現存在異常情況，則自動進行故障報警，并生產相應的故障碼。同時立即啟動聯鎖保護，防止發生停車等事故。維修人員則可以根據故障碼查找問題所在，及時維修，保障生產的安全、順利進行。

2.5 安全生產設計

為確保生產安全，該系統也采取了諸多安全技術：(1)將裝置區機柜室布置在安全位置，并采用了防塵、防潮、防火等安全措施；(2)在可能發生可燃氣體或有毒氣體泄漏的區域，安裝了高靈敏度的可燃氣體或有毒氣體檢測儀，一旦發生氣體泄漏并達到一定濃度后，立即進行報警；(3)使用不間斷電源為生產系統中的各類電氣裝置供電，避免因為電力中斷而影響生產進程的情況；(4)儀表用壓縮空氣設置獨立的空氣儲罐，這樣能確保發生氣源中斷事故后，仍然使儀表繼續正常運行10～15 min；(5)所有儀表的表面均使用了耐腐蝕的儀表材質。對于電子式儀表，防水等級不低于IP65級，對于非電子式儀表，防水等級不低于IP54級；(6)大型電力設備均設置獨立的接地系統。連接控制室與現場的通信電纜，也要采取防雷保護。

2.6 監控系統設計

控制室的監控系統與現場控制系統一樣，均采用DCS系統實現遠程控制。基于控制室的工作需要，監控系統還配備了信息管理、報表打印、記錄查詢、自診斷、報警等一系列功能。為防止誤操作，控制室的監控系統設有登錄權限，需要驗證口令與密碼后才能登錄系統。管理員除了查詢歷史記錄，了解系統狀態外，還可以查看硬件配置，或者對硬件、軟件進行擴展、升級。

2.7 現場儀表選型

無水氟化鋁生產現場使用到的儀表儀器類型較多，各類儀表的選型要求如下：(1)溫度儀表。就地溫度指示儀表選用防護抽芯式雙金屬溫度計，表盤直徑100 mm。根據溫度變化靈活切換測溫元件，高溫時切換至鎧裝熱電偶，低溫時切換至鎧裝熱電阻，外部采用304不銹鋼保護管。用于測定熔融態物料的溫度計，采用的是三線制Pt100鉑熱電阻溫度計，具有耐高溫的特性，在高溫狀態下仍能保持較高的靈敏度；(2)壓力儀表。該生產系統中使用到的就地壓力表，主要包括彈簧管壓力表、膜盒壓力表、差壓表3種類型，適用場景各有不同。在高溫環境、空氣中粉塵、雜質較多的情況下，使用耐高溫隔膜壓力表；在泵出口選用耐震壓力表；(3)流量儀表。該生產系統中主要使用標準法蘭取壓同心銳變孔板配差壓變送器，外部材質選擇不銹鋼。在腐蝕性較強的環境下，或者測定介質中含有固體顆粒的環境下，使用電磁流量計。測定蒸汽、液體寬量程時選擇旋渦流量計；(4)分析儀表。此類儀表主要用于分析生產工藝中物料的組分，根據分析對象的不同，又可以分為氣相色譜儀、紅外線氣體分析儀、pH計、電導儀、黏度計等若干類型。電子式分析儀表在完成分析任務、得到分析結果后，通過通信裝置將結果直接倒入到DCS系統中，并在顯示器上呈現出來，方便技術人員隨時掌握分析結果；(5)其他儀表。除了上述幾種應用較為廣泛的儀表外，該生產系統中還有物位儀表(如液位計)、控制閥(如電磁閥)等。

3 結語

為了滿足工業制備高質量鋁的要求，需要提供高性能、高純度的氟化鋁。使用傳統的干法工藝制作氟化鋁，存在純度低、能耗高的問題，并且生產過程中還會排放出污染氣體，不符合當前提倡的“節能減排”環保要求。

基于此，本文設計了一種氟硅酸無水氟化鋁聯產白碳黑生產工藝，以磷肥副產物氟化硅作為原料，實現了廢物利用，并且從源頭上降低生產成本。在生產過程中，中間產物白碳黑，也是一種常用的工業原材料。最終產物無水氟化鋁具有純度高、性能優的特點，能夠很好地滿足工業制鋁的要求。