影响拜耳法赤泥分离因素分析

影响拜耳法赤泥分离因素分析

潘敏

(沈阳铝镁设计研究院,辽宁沈阳110001)

摘要:氧化铝厂生产中,赤泥分离直接关系到氧化铝的产量和质量以及碱和氧化铝的损失量。影响拜耳法赤泥分离的因素主要有以下几方面:稀释浓度、稀释浆液的温度、絮凝剂的使用、稀释浆液粘度及底流液固比。本文从以上几方面探讨拜耳法赤泥分离达到最佳工况的问题。关键词:拜耳法;赤泥分离

中图分类号:TF803.23　文献标识码:B　文章编号:10021752(2000)11001804

　　稀释后的溶出浆液是由铝酸钠溶液(液体)和赤泥(固体)组成。其中的铝酸钠溶液即是将要得到的产品有用物质,而赤泥是生产中所要弃掉的废物。因此,把浆体中的液体与固体彻底分离是我们的目的。在大型氧化铝生产中,一般是采用沉降槽作业(即沉降分离)来实现液、固分离的。影响这一过程的主要因素有以下几个方面。

水解反应。我们即可利用这一介安状态把铝酸钠溶液和赤泥分离开。因此,在生产中溶液的氧化铝浓度在中等浓度段较为合适。

1　溶出浆液的稀释浓度

铝酸钠溶液的稳定性与氧化铝浓度之间存在着

1〕

一种特殊的规律〔。在一定的温度下苛性比值相同的铝酸钠溶液,氧化铝浓度低于25g/l或高于250g/l时,都有很高的稳定性,而中等浓度(70～200g/l)的氧化铝溶液的稳定性较差。

溶出后的浆液一般用前一周期的赤泥洗涤液来进行稀释,从而降低铝酸钠溶液的浓度。因此高压溶出的浆液浓度高比较稳定,而稀释后稳定性降低使分解速度加快,且可以达到较高的分解率使拜耳法生产的循环效率提高。但如果过度稀释溶液会使其稳定性急剧下降,造成铝酸钠溶液水解,而使赤泥中的氧化铝的损失增大。同时,由于进入流程的水量增大,也会增加蒸发工段的负担和费用。

1〕

如图1〔假设溶出浆液(对应于3点)用赤泥洗液稀释到一个中等浓度Na2O=150g/l、Al2O3=

αk=1170(对应于4点)。连接3、145g/l、4点的直线为稀释线。当溶出液用洗液稀释后,温度下降到95℃。可知4点溶液处于过饱和区域。但距离平衡

图1　Na2O-Al2O3-H2O系溶解度等温线及拜耳法过程循环

总之,稀释后的溶出浆液合适的浓度应从全局

出发,通过实践来决定。浓度过高或过低都将影响赤泥分离洗涤的效果。

2　稀释浆液的温度

料浆稀释时的温度在很大程度上影响铝酸钠溶液的稳定性,从而引起赤泥中Al2O3损失量的变化。

2〕

表1〔为温度在74℃、84℃和94℃,浓度在2819g/l～180g/l范围下铝酸钠溶液达到平衡的条件及平衡成分。根据所得的数据绘出苛性比值与浓度关系的

点不远,溶液处于介安状态,具有一定的稳定性。实验证明,这样的溶液存放一定时间不会发生明显的

收稿日期:2000-09-04

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等温曲线(因这一温度、浓度范围适合一般的生产),见图2。

表1　不同浓度的溶液苛性比与浓度的关系

Na2O浓度溶液温度平衡铝酸钠溶Na2O浓度溶液温度平衡铝酸钠溶

℃液的苛性比值℃液的苛性比值g/lg/l

140

948474

130

948474

120

948474

100

948474

1197211621572103213216521092141218021221563109

406080

948474948474948474

21332166311721442187313221531063142

3　赤泥的沉降性能及人工合成絮凝剂

的使用

　　自从80年代初找到了适合于我国赤泥沉降的

絮凝剂-聚炳烯酸钠后,大大地提高了赤泥的沉降速度(比天然絮凝剂的效果好得多),避免了拜耳法沉降槽经常跑浑、冒槽而影响生产的状况。那么,聚炳烯酸钠为什么能显著提高赤泥的沉降速度呢?

絮凝的主要作用机理是由于外加高分子化合物(絮凝剂)的架桥作用,即借助絮凝剂的大分子(或离子)将粒子串联起来的结果。

絮凝剂的种类很多,在氧化铝生产上都采用高分子有机絮凝剂。高分子有机絮凝剂有淀粉类天然高分子有机絮凝剂和人工合成高分子有机絮凝剂。近年来,人工合成高分子有机絮凝剂发展很快。与天然絮凝剂相比,它的特点是用量少,效果好,往往能使赤泥沉降速度增加几倍、几十倍。聚炳烯酸钠就是其中的一种。

聚炳烯酸钠的分子式为〔CH2CHCOONa〕n。它的分子量、它在水中的水解度及其离子类型以及悬浮液的组成和性质对其絮凝效力影响很大。

拜耳法稀释浆液主要由铝酸钠溶液和赤泥组成。拜耳法赤泥具有很大的分散度,半数以上是小

μm的细粒子。而且有一部分是接近于胶体的于20

微粒。因此拜耳法赤泥浆液属于细粒子悬浮液。它与胶体分散系具有许多相同的性质。在这种胶体于悬浮液体系中,赤泥粒子具有极其扩展表面。它的表面显示出较大的剩余价力、分子力以及氢键等力。可以或多或少地吸附分散介质中的水和Al(OH)4-、OH4-及Na+离子。它使赤泥离子的表面生成一层

α图2　k与Na2O浓度的关系

一般在拜耳法过程中,稀释后的铝酸钠溶液浓

度约为125～135g/lNa2O苛,苛性比值为118～210,即相当于图中矩形范围。在温度94℃时只有矩形

α右上角一点(35g/lNa2O苛,k=210)与等温线接触。即该种成分铝酸钠溶液在94℃时是稳定的。

为使较低浓度及低苛性比值的铝酸钠溶液在稀释后保持其稳定性,必须将溶液温度提高到94℃以上。

另外,从表2〔3〕的数据中可以看到,对于相同浓度的溶出液,由于溶出的温度不同,稀释成相同浓度的溶液后(稀释浆液的温度不相同)赤泥的沉降速度也不相同,温度高的沉降速度比较快。也就是说,在赤泥分离及洗涤的过程中,提高温度在减少水解损失的同时,又可以加快赤泥颗粒的沉降速度,利于分离、洗涤过程的进行。

表2　拜耳法赤泥不同条件下的沉降结果

溶出温度

℃250260

Nkg/l140140

Al2O3g/l110110

溶液化膜。赤泥粒子选择吸附某种离子后,在它与溶液的相介面上便出现双电层结构。这样就使赤泥

粒子带有电荷。(这一点可以通过电泳实验得到证

)赤泥表面上的溶液化膜阻碍粒子相互接近。赤明。

泥粒子都带有同名电荷。使它们之间还发生相互排斥的作用。这些作用都阻碍赤泥聚合成为大的颗粒,使赤泥难于沉降和压缩。

这是由于与赤泥颗粒正好相反,聚炳烯酸钠在水中溶解时,电离成大量的羧根离子〔-COO-〕和Na+。当羧根离子与悬浮液固体粒子的电荷符号相反时,具大的分子链上的大量的-COO-就产生了有效的吸附。此时,粒子的电荷被中和而发生絮凝作用。从而大大地提高了赤泥的沉降速度。

聚炳烯酸钠是长链状分子。其分子伸展度的大小对絮凝效果影响很大。伸展度越大,其吸附的固

沉降L/S242312

平均沉降速度5minm/h01930162

5minm/h01550141

60min60min沉淀高度压缩

%L/S2110522120

4184188

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　轻　金　属　　　　　　　　　　　　　　　2000年第11期・20・体粒子越多,絮凝效果越好。聚炳烯酸钠为强碱弱酸盐。其在水、碱溶液中溶解的同时,发生水解反应。其水解度直接影响着其分子伸展度。其水解反应式为:

-COO+HOΖ-COOH+OH在水解过程中,部分羧根离子〔-COO-〕和水分子作用生成羧基〔-COOH〕没有与H+结合的羧根离子〔-COO-〕相互排斥,使分子伸展开来。-COO-越多,分子越伸展,联结的固体粒子越多,这样就成为大粒子使赤泥沉降速度大大加快。当聚炳烯酸钠过度水解即羧根离子〔-COO-〕减少,而羧基〔-COOH〕过多时,相邻羧基之间产生氢键而构成如图3所示的环状结构。

图3　聚炳烯酰胺分子卷曲示意图

这样就不能吸附更多的固体粒子,从而降低了

絮凝效力。从上面羧酸根离子水解的反应方程式不难看出,要使羧根离子〔-COO-〕增加,就需要提高其溶液的碱性。因此,在工业上,制备絮凝剂时,通过加入NaOH或Na2CO3来达到此目的。(此时的聚炳烯酸钠即为改性的聚炳烯酸钠)。表3数据为郑州铝厂用相同拜耳法赤泥做的不同絮凝剂的对比试验结果〔4〕。表3　拜耳法赤泥不同絮凝剂的沉降结果序号123

絮凝剂类型麦麸聚炳烯酸钠聚炳烯酸钠+NaOH取样点稀释槽稀释槽稀释槽试样数量323232

浆液比重液体比重赤泥含量g/lt/m3t/m3

1132112794113211279411321127105

絮凝剂5min清液高取样总高H

赤泥,%度H1,mmmm01470101101004

35218670

910910910

5min

H,%31823197314

分钟平均沉降速度,m/h

014221628104

　　从表3可见,5min赤泥平均沉降速度,加聚炳烯酸钠是加麦麸的6124倍。而加改性的聚炳烯酸钠(即聚炳烯酸钠+NaOH)是加麦麸的19114倍,是加聚炳烯酸钠的3107倍。这就不难看出人工合成高分子絮凝剂聚炳烯酸钠和改性的聚炳烯酸钠比天然絮凝剂的絮凝效果好得多。改性的聚炳烯酸钠之所以比聚炳烯酸钠的效果好,是因为加入NaOH后,控制了聚炳烯酸钠溶液的水解度,从而达到了更好的絮凝效果。

溶液浓度的提高而增大,并与氧化铝的浓度成指数关系。即随铝酸钠溶液浓度的提高溶液的粘度剧烈增加。当溶液中氧化铝的浓度从260g/l稀释到130g/l～140g/l时,溶液的粘度下降2～3倍。

4　粘度的影响

铝酸钠溶液的粘度对赤泥沉降速度的影响也是不可忽视的。溶液的粘度过大必然要使赤泥的沉降速度变小。也就是说不能使赤泥与铝酸钠溶液迅速分离,从而不利于沉降槽的作业。同时还增加溶液的二次损失。

根据研究可知铝酸钠溶液的粘度遵循以下的关

5〕系式〔:

η=ηη10Ka或者lg(/η0×0)=Ka

图4　铝酸钠溶液的lgη=f(1/T)关系

实验证明铝酸钠溶液粘度的对数与绝对温度的

倒数成直线关系,即lgη=f(1/T)直线关系。铝酸钠溶液的粘度随溶液温度的升高而减小。图4为不同温度下铝酸钠溶液的粘度与浓度的关系。从图中可以看出对于相同浓度的铝酸钠溶液,当温度升高时,溶液的粘度下降;温度相同时,溶液粘度随着浓度的增加而增大。

在生产中铝酸钠溶液的浓度取一个适当的范围(一般为130g/l～140g/l)。如果铝酸钠溶液的浓度过高,粘度过大,则不利于沉降作业的进行。但如果过分强调降低溶液的粘度,也会使溶液的浓度过小,

式中:a———溶液中氧化铝的浓度;

η——氧化铝的浓度为零时的苛性钠溶液的0—

粘度;η———铝酸钠溶液的粘度;K———常数。

从公式可以看出铝酸钠溶液的粘度随着苛性碱

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溶液将发生水解,则使更多的氧化铝进入赤泥而损失掉。

⑴控制稀释后浆液的浓度:溶液的浓度宜为

αk=1180～210,使稀释后浆液处在Al2O3=145g/l、

一个介安状态,既要使溶液在赤泥分离及洗涤过程

中的水解损失最小,又要有利于精液分解过程的进行。

⑵保证铝酸钠溶液在稀释后的溶液温度在94℃以上。使溶液具有一定的稳定性,减少赤泥分离、洗涤过程中的水解损失。另外,提高溶液的温度还可以使溶液的粘度减小,有利于提高赤泥颗粒的沉降速度,使赤泥(固体)与溶液(液体)迅速的分离。有利于赤泥分离、洗涤作业的进行。

⑶使用人工合成絮凝剂,使拜耳法细的赤泥颗粒聚合成较大的颗粒。因而,加速赤泥的沉降速度,使赤泥颗粒迅速沉降,从而达到液、固迅速分离的目的。⑷降低分离沉降槽的底流液固比。这样可以大大的减少赤泥的附液量(即可以减少附碱损失),从而提高赤泥的洗涤效率。

参考文献:

〔1〕联合法生产氧化铝编写组.联合法生产氧化铝、基础知识〔Z〕.冶

金工业部出版社,1975,6.〔2〕东北大学等编.专业轻金属冶金学〔M〕.氧化铝.中国工业出版

社,1961,7.〔3〕山东铝厂研究所.山西矿拜耳法赤泥沉降试验报告〔R〕.1983,

12.

5　底流液固比

赤泥分离的目的就是将生产所需要的铝酸钠溶液和溶出的残渣分开,获得工业上认为纯净的铝酸

钠溶液。经稀释后的赤泥料浆送往沉降槽进行沉降分离,沉降底流的液固比约为110～315之间。赤泥的沉降是拜耳法中最复杂、最灵活的生产过程之一。沉降不良会引起产量降低30～40%,洗涤不充分则会显著的增加碱的损失,同时也影响赤泥的用途。

赤泥反向洗涤的实验研究表明溶出后赤泥与溶出液之间的沉降分离过程,对后面的洗涤过程影响极大。因而,必须严格控制进料液固比、分离温度、絮凝剂添加量,特别是要着重控制分离槽的底流液6〕

固比。研究发现〔若沉降时间不够,使沉降槽底流液固比(L/S)>5时,则后面的洗涤过程的技术条件无法得到保证。特别是1#洗涤槽沉降速度大大降低。例如:当L/S=6时,它使1#洗涤槽的Na2OT

浓度增加3315%。这是因为赤泥带入1#槽较多的碱液,使1#槽溶液的浓度、粘度增大,所以赤泥的沉降速度降低。但沉降槽底流过小,则赤泥的流动性差,不利于洗涤过程中泵的输送。

6　结论

综上所述,要提高赤泥沉降、洗涤的效率应从以下几方面入手:

〔4〕郑州铝厂.氧化铝生产中絮凝剂沉降新技术在山西铝厂应用实验

室试验报告〔R〕.〔5〕杨重愚.氧化铝生产工艺学〔M〕.冶金工业出版社,1983,3.〔6〕吴若琼、刘今、尹文运.赤泥反向洗涤的实验研究〔J〕.轻金属.

1985,(11),4～7.

(责任编辑　刘中凡)

・信息苑・

普基公司将采用AP50铝电解技术

法国普基铝业公司将在一些合资的电解铝厂中采用新开发的AP50电解铝工艺,这种工艺采用更高的槽电流———达

500kA,比该公司开发的并已得到应用的AP30工艺的电流强度高得多。试验槽可于9月份处于稳定状态,2001年初开始生

产,这就是说,2004年这种槽可投入工业生产。

据称,如不计氧化铝的成本,采用AP50技术可使原铝的直接生产成本下降10%。在过去的10年内,西方新建铝厂的

80%采用普基铝业公司的技术。一个产能为460kt/a的新建铝厂若采用AP50技术可使原铝产量提高213%。

〔王祝堂摘译自《lightMetalsNews》July2000,P8〕