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拜耳法分解槽內(nèi)結(jié)疤分析及防治

2015-01-02 02:44周定方徐良振
山東冶金 2015年4期
關(guān)鍵詞:草酸鹽結(jié)疤槽內(nèi)

周定方,趙 瑜,徐良振

(龍口東海氧化鋁有限公司,山東 龍口 265700)

生產(chǎn)技術(shù)

拜耳法分解槽內(nèi)結(jié)疤分析及防治

周定方,趙 瑜,徐良振

(龍口東海氧化鋁有限公司,山東 龍口 265700)

結(jié)合山東某氧化鋁廠在使用澳洲礦進(jìn)行拜耳法生產(chǎn)中種分槽內(nèi)過(guò)快結(jié)疤導(dǎo)致沉槽的狀況,對(duì)槽內(nèi)結(jié)疤的成分和表面形貌進(jìn)行分析,確定種分槽內(nèi)結(jié)疤以單斜晶系的α-Al(OH)3為主。分析認(rèn)為,泡沫夾帶、降溫幅度過(guò)大、草酸鹽大量析出、添加劑使用不當(dāng)?shù)染稍斐山Y(jié)疤過(guò)快生長(zhǎng)。根據(jù)生產(chǎn)情況,可以從降溫幅度、泡沫夾帶、有機(jī)物脫除、堿洗頻率和效率、設(shè)備適當(dāng)改進(jìn)等方面減緩結(jié)疤的生長(zhǎng)速度。

拜耳法;分解槽;結(jié)疤;α-Al(OH)3

1 前言

拜耳法種分過(guò)程中,受物料、化學(xué)反應(yīng)、設(shè)備以及生產(chǎn)作業(yè)等影響,鋁酸鈉溶液中的各種析出物很容易在分解槽槽壁上形成結(jié)疤,若不及時(shí)清理,就會(huì)威脅到分解槽的安全運(yùn)行。

山東某氧化鋁廠采用兩段法分解工藝生產(chǎn)砂狀氧化鋁,其種分槽為Intermig改型多層槳葉式大型機(jī)械攪拌分解槽(Φ14 m×30 m),槽內(nèi)安裝有垂直擋板和提料筒,采用壓縮風(fēng)提料。在使用澳洲礦進(jìn)行生產(chǎn)的過(guò)程中,分解槽的槽壁、擋板以及提料筒等料漿浸沒(méi)部位,出現(xiàn)了大量結(jié)疤,厚度多在0.3~1.0 m,導(dǎo)致實(shí)際槽存減少,攪拌電流偏高。嚴(yán)重的是,部分分解槽在運(yùn)行或退槽過(guò)程中,結(jié)疤脫落,壓停攪拌,發(fā)生沉槽事故。由于部分結(jié)疤塊重達(dá)數(shù)百公斤至數(shù)噸,甚至出現(xiàn)了脫落結(jié)疤扯裂擋板、砸斷槳葉的重大事故,同時(shí)脫落的小結(jié)疤塊在分解系統(tǒng)中循環(huán),又造成寬板流道和旋流器大量堵塞,給生產(chǎn)帶來(lái)極大被動(dòng)。因此,為了穩(wěn)定生產(chǎn),對(duì)分解槽結(jié)疤原因進(jìn)行系統(tǒng)分析,以便采取相應(yīng)的措施減少結(jié)疤,確保分解槽正常穩(wěn)定運(yùn)行。

2 結(jié)疤的物相分析

2.1 結(jié)疤的化學(xué)組成

對(duì)分解槽槽壁上脫落的結(jié)疤進(jìn)行多元素化學(xué)組成分析,其XRF半定量分析結(jié)果如表1所示。結(jié)合XRD物相分析結(jié)果(見(jiàn)圖1),分解槽中的結(jié)疤主要以單斜晶系的α-Al(OH)3為主,并含有少部分堿,結(jié)晶度略有區(qū)別。這種類型結(jié)疤也稱為三水鋁石,從能量角度看,在與晶種分解直接相關(guān)的三水鋁石、拜耳石和諾耳石中,三水鋁石能量較低,具有熱力學(xué)意義上的穩(wěn)定性[1]。

表1 槽壁結(jié)疤的化學(xué)組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù))%

圖1 分解槽內(nèi)結(jié)疤的X-RD圖譜

2.2 結(jié)疤的表面形貌

槽內(nèi)結(jié)疤的表面形貌如圖2所示,從SEM圖上可以看出結(jié)疤的表面形貌有較大的差異,槽頂部結(jié)疤中細(xì)粒子數(shù)量較多,細(xì)顆粒相互集合、粘結(jié)和包裹在一起,顆粒間界面清晰,團(tuán)聚現(xiàn)象比較明顯(圖2a);中槽壁上的結(jié)疤,則呈現(xiàn)棱角分明的“鑲嵌”式多晶體,Al(OH)3粒度相對(duì)較粗(圖2b);槽壁底部的部分結(jié)疤,呈板片狀的粒子完全聚集在一起,結(jié)合得非常致密,顆粒間無(wú)明顯界面,幾乎看不出晶粒鑲嵌痕跡(圖2c),此類結(jié)疤強(qiáng)度很大,非常結(jié)實(shí),容重多在1 830~2 140 kg/m3。

3 結(jié)疤的成因分析

1)槽壁頂部結(jié)疤。由于澳洲礦有機(jī)物含量高,料漿在沖擊和料風(fēng)等作用下,容易產(chǎn)生大量泡沫。尤其是在固含相對(duì)較高的長(zhǎng)大段分解槽內(nèi),一些細(xì)小的顆粒極易存在于泡沫中,形成海綿狀的鮮橙色或黃褐色的泡沫夾帶,這些泡沫夾帶粘稠,流動(dòng)性差,長(zhǎng)期漂浮在料漿表面,厚度可達(dá)10~30 cm。由于分解槽內(nèi)料漿長(zhǎng)期保持高液位,頂部帶料泡沫既不流走也難消散,就極易粘附在頂部槽壁上,和料漿逐漸連結(jié)、長(zhǎng)大成結(jié)疤塊,部分難以自行剝落溶解,懸在分解槽頂,最終結(jié)疤過(guò)大而整塊脫落。分解槽頂部結(jié)疤容重小,約在1 280~1 510 kg/m3,部分相對(duì)較酥,用熱水長(zhǎng)期泡洗后,即可散開(kāi),結(jié)疤與正常料漿中Al(OH)3激光粒度對(duì)比結(jié)果如表2所示(質(zhì)量分?jǐn)?shù)),結(jié)疤中-45 μm粒子約占30%,而正常料漿中約占10%,一定程度上證實(shí)了頂部結(jié)疤中細(xì)粒子含量較多,即多是泡沫夾帶形成的,這與圖2a中的SEM形貌對(duì)應(yīng)一致。

圖2 分解槽內(nèi)結(jié)疤的SEM形貌

表2 分解槽頂部結(jié)疤與正常料漿中氫氧化鋁粒度分布%

2)槽壁上的結(jié)疤。此類結(jié)疤多出現(xiàn)于分解槽槽壁、擋板及提料筒等處,容重多在1 550~1 910 kg/m3。其中機(jī)械攪拌槳葉距槽內(nèi)壁約2.5 m,攪拌轉(zhuǎn)速較慢(5.1 r/min),在槽壁、擋板及提料筒等處,料漿動(dòng)能消耗較快,攪拌強(qiáng)度偏低,存在攪拌盲區(qū),料漿中的Al(OH)3等析出物很容易粘附、沉積在這些盲區(qū)處,并逐步形成堅(jiān)硬的結(jié)疤。由于分解槽壁處降溫幅度較大,尤其帶有寬板降溫的長(zhǎng)大初期的分解槽,料漿過(guò)飽和度相對(duì)高,鋁酸鈉溶液在大幅降溫和晶種作用下,很容易在分解槽內(nèi)壁、擋板等鋼板上急劇析出,并附聚長(zhǎng)大,加速了結(jié)疤的生成。這也在生產(chǎn)中得到了證實(shí):運(yùn)行同樣時(shí)間的分解槽,寬板降溫槽的結(jié)疤生成速度(月均5~10 cm)明顯快于自然降溫槽(月均3~7 cm);長(zhǎng)大初期槽的結(jié)疤生成速度(月均3~7 cm)快于長(zhǎng)大末段槽(月均2~5 cm)。

3)槽壁底部結(jié)疤。受料漿溫度、黏度及攪拌轉(zhuǎn)速低等影響,分解槽內(nèi)存在固含差,槽底部的固含略高于上部,部分氫氧化鋁在槽底靠近槽壁處長(zhǎng)期沉積形成結(jié)疤。底部沉積的結(jié)疤體積過(guò)大時(shí),也會(huì)影響到攪拌驅(qū)動(dòng)和提料,造成底層槳葉扭曲,電機(jī)負(fù)荷增加,且易導(dǎo)致提料筒堵塞,致使提料困難,反過(guò)來(lái)又易造成槽內(nèi)固含積累過(guò)多,加劇了槽壁上的結(jié)疤。

4)草酸鹽類結(jié)疤。該氧化鋁廠采用澳洲礦,純拜耳法生產(chǎn)工藝,澳洲礦有機(jī)物含量高,經(jīng)過(guò)溶出—沉降轉(zhuǎn)化分離后,部分成為草酸鹽、甲酸、乙酸、腐殖酸等有機(jī)物進(jìn)入分解系統(tǒng)中循環(huán)。拜爾法生產(chǎn)中的分解是ー個(gè)降溫和堿濃度略升高的過(guò)程,也就為某些有機(jī)物的結(jié)晶析出創(chuàng)造了條件。有理論研究表明,在拜耳法鋁酸鈉溶液中,草酸鈉的溶解度與溫度成正比,與堿濃度成反比[2]。因此,鋁酸鈉精液中約占總有機(jī)碳15%~25%的草酸鹽(以草酸鈉計(jì))就成了危害最大的有機(jī)物。

有文獻(xiàn)研究表明,由于草酸鈉結(jié)晶較細(xì),比表面積較大,很容易粘附Al(OH)3或者沉積進(jìn)入長(zhǎng)大的Al(OH)3晶格中,改變氫氧化鋁的表面性質(zhì),加速種分槽內(nèi)的Al(OH)3結(jié)疤生成速度[3]。分解槽內(nèi)草酸鈉、堿濃度、溫度等變化趨勢(shì)如圖3所示,大部分草酸鈉的析出主要集中在固含相對(duì)較高的長(zhǎng)大段,即Al(OH)3逐漸析出并長(zhǎng)大的階段,草酸鈉隨著作為晶種的Al(OH)3在分解槽內(nèi)反復(fù)循環(huán),最終在槽內(nèi)飽和、析出,尤其在降溫較劇烈處,草酸鈉的析出急劇增加。

圖3 不同分解段料漿中各物質(zhì)含量的變化

長(zhǎng)大初期,結(jié)疤表面Na2C2O4含量平均為4.86(0.59、6.37、7.63)kg/t;長(zhǎng)大中間段,平均為11.86(9.20、8.48、18.67、11.09)kg/t;長(zhǎng)大末段,平均為5.74(5.56、5.92)kg/t。對(duì)比圖3中正常料漿表面的草酸鈉含量,結(jié)疤表面的草酸鈉含量還是很高的,多在5.5~11.1 kg/t,比正常料漿中固體表面的草酸鈉(≤3.5 kg/t)多了1倍左右,這表明析出的草酸鈉和部分氫氧化鋁形成結(jié)疤沉積在槽壁上,或者草酸鈉進(jìn)入結(jié)疤中,而非富集在料漿中Al(OH)3表面被帶走。但這從另一方面證實(shí)了草酸鈉的大量析出和槽內(nèi)結(jié)疤的過(guò)快生長(zhǎng)有較大關(guān)系。

5)添加劑的影響。在目前的氧化鋁行業(yè)中,一些工廠為了強(qiáng)化分解率、粗化粒度或者消除泡沫,使用一些結(jié)晶助劑、消泡劑等添加劑。這些添加劑大多為表面活性劑,可以改變氫氧化鋁和溶液的界面性質(zhì),甚至種分過(guò)程各物質(zhì)的平衡狀態(tài),使用不當(dāng)也可能造成Al(OH)3、草酸鹽等在槽壁上過(guò)快結(jié)疤。不同類型的添加劑在界面上的作用機(jī)理不同:

①?gòu)?qiáng)化鋁酸根離子的締合或者與Al3+形成新的締合物[4-5];

②改變Al(OH)3表面的zeta電位[6]和潤(rùn)濕性,從而改變粒子在溶液中的分散性;

③強(qiáng)化氫鍵的形成和吸附架橋作用,促進(jìn)細(xì)顆粒的析出和聚集[7];

④改變草酸鈉在槽內(nèi)料漿中的平衡及晶體形態(tài)[2,8],使草酸鹽結(jié)疤增加。

以上機(jī)理均可能改變種分過(guò)程的平衡狀態(tài)或界面性質(zhì),添加不當(dāng)會(huì)引發(fā)粒子的非正常聚集、粘結(jié)或生長(zhǎng),故在選擇添加劑時(shí)應(yīng)做出詳細(xì)的論證。

目前文獻(xiàn)報(bào)道的各種影響因素大多為實(shí)驗(yàn)結(jié)果建立的經(jīng)驗(yàn)?zāi)P?,其?yīng)用有一定的局限性。在工業(yè)生產(chǎn)中,分解料漿處于動(dòng)態(tài)連續(xù)變化中,各反應(yīng)的實(shí)際平衡狀態(tài)和生產(chǎn)控制較為復(fù)雜,分解料漿溫度、濃度、固含、粒度以及非草酸鹽類有機(jī)物等也可能相互影響。因此Al(OH)3在分解槽內(nèi)過(guò)快結(jié)疤的原因還有待長(zhǎng)期觀察和進(jìn)一步研究。

4 結(jié)疤的預(yù)防

氧化鋁生產(chǎn)中,受物料、設(shè)備、礦漿流動(dòng)、化學(xué)反應(yīng)等影響,結(jié)疤不可避免,已被國(guó)際鋁業(yè)協(xié)會(huì)列為優(yōu)先發(fā)展領(lǐng)域之一[9]。對(duì)于分解槽內(nèi)結(jié)疤來(lái)說(shuō),如何有效地減少或減緩結(jié)疤的生成,是今后工作的重點(diǎn)。

1)加強(qiáng)生產(chǎn)操作,根據(jù)生產(chǎn)條件精細(xì)控制好降溫幅度,減少單槽大幅降溫;控制好液量,減少泡沫夾帶;保證分解槽正常提料,防止槽內(nèi)固含長(zhǎng)期過(guò)高,減少沉積型結(jié)疤和攪拌負(fù)荷。

2)采用適當(dāng)?shù)墓に嚸摮到y(tǒng)中積累的有機(jī)物,尤其是維護(hù)系統(tǒng)中草酸鈉的平衡,目前工業(yè)上較為成熟的減少有機(jī)物積累的方法有:草酸鈉結(jié)晶法,晶種洗滌—石灰苛化法,對(duì)鋁土礦進(jìn)行煅燒、氧化等預(yù)處理。

3)選擇消泡劑、結(jié)晶助劑等添加劑時(shí)要經(jīng)過(guò)詳細(xì)論證、分析和觀察,減少負(fù)面作用,同時(shí)不同種類添加劑不宜頻繁更換或者混用。

4)對(duì)設(shè)備進(jìn)行一些改進(jìn)。如加長(zhǎng)底層2個(gè)攪拌槳葉長(zhǎng)度,以增強(qiáng)攪拌強(qiáng)度,減少槽底部氫氧化鋁結(jié)疤[10];還有研究人員用特殊裝置定期向槽內(nèi)吹送壓縮空氣,使槽內(nèi)周邊的料漿處于均勻的懸浮狀態(tài),防止料漿在槽周邊的盲區(qū)內(nèi)沉積,減輕槽內(nèi)壁結(jié)疤[11]等。

5)加強(qiáng)分解槽的結(jié)疤檢測(cè)和堿洗效率。可使用紅外熱像儀等設(shè)備對(duì)分解槽定期進(jìn)行檢測(cè),根據(jù)槽壁溫差和攪拌電流的變化判斷電解槽的結(jié)疤狀況,同時(shí)對(duì)結(jié)疤較多的分解槽,控制好堿洗溫度和堿液αk,及時(shí)進(jìn)行堿洗,防止結(jié)疤擴(kuò)大。

5 結(jié)論

5.1 物相和化學(xué)分析表明,分解槽內(nèi)結(jié)疤主要以單斜晶系的α-Al(OH)3為主,不同部位結(jié)疤的表面形貌、結(jié)晶度和容重略有區(qū)別。

5.2 分解槽內(nèi)的結(jié)疤主要出現(xiàn)在長(zhǎng)大段槽內(nèi),降溫幅度過(guò)大、泡沫夾帶過(guò)多、草酸鹽析出量偏大、添加劑使用不當(dāng)?shù)染稍斐呻娊獠劢Y(jié)疤速度加快。

5.3 受物料和設(shè)備影響,分解槽內(nèi)的結(jié)疤不可避免,可以從降溫幅度、泡沫夾帶、有機(jī)物脫除、堿洗頻率和效率、設(shè)備適當(dāng)改進(jìn)等方面減緩結(jié)疤的生長(zhǎng)速度。

[1]吳爭(zhēng)平,陳啟元,尹周瀾,等.不同晶型氫氧化鋁的反應(yīng)活性與微觀鍵力分析[J].中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào),2008,18(Z1):251-258.

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Analysis and Prevention of the Scale in Bayer Precipitation Tanks

ZHOU Dingfang,ZHAO Yu,XU Liangzhen
(Longkou Donghai Alumina Co.,Ltd.,Longkou 265700,China)

According to the practical situation of an alumina factory in Shandong Province using Australia bauxite to Bayer process, the excessive scale growth causing some precipitation tanks to sink was researched.The main ingredient of the scale in the tanks, monoclinic α-Al(OH)3was determined by the analysis of ingredient and surface topography.Analysis showed that the excessive scale growth was attributed to the superfluous slurry foam,excessive level in temperature dropping,large amounts of oxalate precipitation,bad use of additive,etc.Based on the actual production,the following measures were suggested to slow down the scale growth:temperature dropping,slurry foam eliminating,organics removing,frequency and effect of soda-washing,and equipment improving etc.

Bayer process;precipitation tank;scale;α-Al(OH)3

TF821

A

1004-4620(2015)04-0021-03

學(xué)會(huì)動(dòng)態(tài)

2014-12-31;

2015-07-15

周定方,男,1987年生,2012年畢業(yè)于中南大學(xué)有色冶金專業(yè),碩士。現(xiàn)為龍口東海氧化鋁有限公司生產(chǎn)部助理工程師,從事氧化鋁生產(chǎn)技術(shù)工作。

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