拜耳法工藝沉降高效沉降槽進料系統改造

馬向陽， 和逸飛， 趙江濤， 王莉莉

(洛陽香江萬基鋁業有限公司， 河南 洛陽 471800)

0 前言

沉降槽是氧化鋁生產中常用的一種液固分離設備，廣泛應用于赤泥分離洗滌工序[1]。高效沉降槽具有處理量大、占地小、溢流清、底流固含大和洗滌效率高等優點[2]。隨著生產的快速發展，某氧化鋁廠根據生產實際運行情況先后對氧化鋁連續生產流程中管道化溶出等工序中工藝設備進行了提產改造，同時隨著礦石資源的逐漸貧乏，礦石品位日益下降，而赤泥沉降工序卻仍維持原兩套沉降分離系統(沉降槽配置一期有5臺平底槽、2臺高效深錐槽，二期有6臺深錐槽。其中一期1～4#平底槽規格為Φ40×6 m，一期5#平底槽為Φ40×8 m，一期6#高效深錐槽為Φ24×22.5 m。二期1～4#高效深錐槽規格為Φ22×16 m，二期5～6#高效深錐槽規格為Φ22×18 m，二期7#高效深錐槽規格為Φ24×22.5 m)，故赤泥分離洗滌工序逐漸成為生產中的“瓶頸”。另一方面國家用能管控政策日益嚴格，生產企業節能降耗改造項目推進便愈發緊迫。該公司于2021年開始對二期6#槽、4#槽進料系統進行改造，投產后運行良好，提高了赤泥沉降工序的產能，降低了沉降車間用電能耗。

1 項目實施的意義和必要性

隨著鋁土礦品位的持續下降，拜耳法氧化鋁生產工藝中沉降槽處理泥量不斷增加，沉降槽能否通過成為氧化鋁生產中制約提產的主要瓶頸，為解決在低鋁硅比條件下沉降槽通過能力，實現高產、穩產，同時最大限度降低生產成本，因而提出本改造項目。

原沉降槽設計礦石品位A/S在6.0，而目前氧化鋁廠入磨礦石A/S均值4.0左右，沉降槽運行單分離四次洗滌(沉降槽規格：分離槽、公備槽、一洗槽22×16 m；二三洗槽22×18 m；四洗槽24×22.5 m)，沉降槽平均處理泥量大于原設計的190 t/h；隨著礦石A/S下降，給沉降分離洗滌系統造成了很大壓力，成為公司生產中制約提產的主要瓶頸環節。因此，對沉降系統進行高效化改造，以提高其處理能力，對改善赤泥的分離和洗滌，提高氧化鋁生產的技術經濟指標尤為迫切和重要。

2 沉降分離相關原理

在氧化鋁生產中，一般采用重力沉降分離的方法對稀釋漿液進行液固分離[3]。沉降速度的大小決定生產能力的大小。顆粒在有限空間中的沉降稱之為干涉沉降[4]，其中赤泥粒群在礦漿中的沉降就是典型的干涉沉降。

干涉沉降速度的通用公式為：

(1)

(2)

式中λ—容積濃度，以單位體積的液體含有固體的量的濃度體系稱為容積濃度；

k、a、b—常數。

可以看出干涉沉降速度與赤泥漿液容積濃度λ有關[5]，赤泥容積濃度λ越高，稀釋礦漿密度就越大，粘性也隨之增加，沉降速度越小。即沉降速度隨著沉降漿液液固比的升高而升高。僅采用洗液降低稀釋礦漿濃度，會對清液層造成影響，導致沉降性能變差，只有保持稀釋礦漿進料密度不變條件下，利用上清液進行二次稀釋，進而提高沉降性能，達到高效沉淀提高產能目的。

3 改造總體思路

沉降槽進料原有流程為：前一沉降槽的底流赤泥與后一沉降槽的溢流經過混合，進入該沉降槽進行赤泥沉降液固分離。因沉降槽的進料在槽頂的位置，因此底流、溢流均需要使用離心泵輸送至槽頂位置。因二期1～4#高效深錐槽規格為Φ22×16 m，二期5～6#高效深錐槽規格為Φ22×18 m，7#高效深錐槽為Φ24×22.5 m。從沉降槽規格可以看出，二期5#槽至4#槽有2 m的高度差，二期7#槽至6#槽有4.5 m的高度差。

高效沉降槽進料部分是高效沉降的重要組進料部分，為充分利用洗滌段沉降槽高度落差、提高沉降槽處理能力、降低用電能耗，計劃對沉降槽洗滌段二期4#槽、二期6#槽的進料系統逐步提升改造，將中心井進料系統由文丘里改為溜槽式進料系統，實現管道自溢流，優化原后一臺槽溢流通過溢流泵打到前一槽的流程。退出共5臺洗滌槽溢流泵，其中3臺75 kW、2臺110 kW。為增加沉降槽處理泥量能力，在溜槽式進料系統中增加虹吸管、虹吸泵，實現沉降槽內強制虹吸清液內循環稀釋，提高沉降槽中心井內料漿液固比，增加赤泥顆粒干涉沉降速度，由此來提高沉降槽赤泥處理能力。

4 改造主要內容

原有文丘里進料裝置為根據內循環自稀釋技術，采用中心井加文丘里射管結構(如圖1所示)，進料管為DN400，經過文丘里“喇叭口”后變徑為DN600管道。高效沉降槽的進料內循環自稀釋技術是利用文丘里管(即利用流股的動能與勢能相互轉化)使進料稀釋料漿與沉降槽槽內上層清液混合，從而達到最佳進料固含，以提高赤泥沉降速度，提高沉降產能。中心井的作用為與外部清液層隔離，使混合物料能夠直接進入沉降槽的沉降過濾帶。內循環自稀釋技術的特征是不改變溶液成分，不增加沉降槽的總進料量。稀釋液利用沉降槽清液層內的清液，以降低沉降槽內下料筒的固含，從而使沉降速度和處理能力大幅度提高。

圖1 文丘里進料裝置

改造時，溜槽寬度及坡度尺寸根據沉降槽處理進料液量和伯努利方程計算流速確定，二沉降系統的分離槽按照處理2 400 m3/h的液量，根據實際生產清液層高度約6 m，高度差為2 m，溜槽寬度確定為800 mm、坡度確定為12°，如圖2、圖3所示。

1.7.5 kW現場電控柜 4.DWJLXT虹吸泵 5.DWJLXT虹吸槽吊桿 7.DWJLXT進料槽吊桿 9.DWJLXT絮凝劑添加管B 10.六角頭螺栓M20×90 11.六角頭螺母- C級M20 12.平墊圈- C級20 13.六角頭螺栓- 全螺紋M36×70 14.六角頭螺母- C級M36 15.標準型彈簧墊圈36 16.六角頭螺栓- 全螺紋M20×45 17.六角頭螺母- C級M20 18.平墊圈- C級20 19.六角頭螺栓M12×45 20.六角頭螺母- C級M12 21.平墊圈- C級12圖2 溜槽主視圖

2.DWJLXT進料管 3.DWJLXT虹吸管 6.DWJLXT進料槽 8.DWJLXT進料槽接口圖3 溜槽俯視圖

改造時，將沉降槽原文丘里進料系統(圖1)拆除；更換為溜槽式進料系統如圖2、圖3、圖4所示。其中在安裝設計時，為減少高固含、低液固比的底流的加入使得礦漿粘度增大，管道阻力提高，影響自溢流流速。特意將自溢流管與底流管分開單獨進入溜槽系統。為提高虹吸效果，將底流管尾部做縮徑處理，由Φ425變徑為Φ377，增加礦漿流速和清液吸入量，提高沉降效果。

增加沉降自溢流管道(見圖5)，利用沉降槽高度落差，實現后一臺的槽溢流自流進入前一臺槽的溜槽進料系統，停用后槽溢流泵。

改造主要項目：(1)拆除二期4、6#槽原文丘里進料管道；(2)在二期3、4、6#槽內安裝溜槽進料系統(自帶7.5 kW電機稀釋系統)增加3臺7.5 kW設備需實現DCS監控操作；(3)增加二期7#槽自溢流至6#槽管道；(4)增加二期5#槽自溢流管至4#槽自溢流管道。

圖4 溜槽安裝示意圖

圖5 自溢流管改造后流程示意圖

5 改造效果評估

改造完成后，實現自溢流，退出3臺溢流泵，可節約用電4 445 kW·h/天，沉降車間整體電耗下降2 kW·h/t-AO。

從以上看出，進料系統改造投用后，在礦石A/S下降的條件下，單槽絮凝劑添加量較前期下降1.08 m3/h，降幅13%。

表1 改造前后電耗對比表

表2 改造前后絮凝劑加入量對比

主要由于原有文丘里進料管實現清液內部自循環自稀釋，來提高沉降漿液的液固比。而受沉降槽內物料環境影響，文丘里管道會結疤堵塞，影響自稀釋效果。溜槽進料增加了虹吸泵、虹吸管，依靠虹吸泵的強制攪拌，減緩了虹吸管的結疤速度，同樣增加了虹吸量，相較于文丘里管，強化了內部清液自稀釋的效果，提高赤泥漿液液固比，沉降速度增加。

6 結語

綜上所述，拜爾法高效深錐沉降槽進料方式由文丘里管改造為溜槽后，赤泥分離沉降槽原有的文丘里的內循環自稀釋技術改造為強制虹吸內循環自稀釋技術后，由于強化了部分清液內部循環，使沉降漿液的液固比增大，沉降性能變好，使赤泥沉降速度顯著增加，沉降槽產能大幅度提高。同樣充分利用了沉降槽高度差，退出了原有溢流泵，降低了用電消耗。