氧化鋁生產中石灰消化殘渣高效回收利用技術研究與實踐

張天星 曾憲飛

(貴州華錦鋁業有限公司, 貴州 貴陽 551405)

0 前言

在拜耳法生產氧化鋁過程中,鋁土礦所含的碳酸鹽(如方解石、白云石、菱鐵礦等)會發生反苛化反應,生成碳酸鈉。根據測定,在拜耳法每一循環中,因為碳酸鹽發生反苛化反應,系統的碳酸鈉含量增加2%以上［1］。碳酸鈉在生產系統中的累積對拜耳法生產危害極大,既影響生產作業效率,又影響產品質量,嚴重時甚至會導致生產難以運行,因此需要將碳酸鈉排出生產系統?，F有排鹽技術是利用石灰乳經苛化反應,將碳酸鈉轉化成碳酸鈣沉淀予以排除,苛化過程需要消耗大量石灰乳,石灰乳制備過程會產生部分殘渣,且石灰質量越差,殘渣量就越大。因此,生產流程中通常配置石灰消化工序來制備石灰乳,主要用于排鹽苛化,也有少量用于葉濾機助濾劑。對于石灰乳制備過程中產生的石灰消化殘渣,傳統處理工藝通常簡單地將消化殘渣轉移進入生產流程,這種方法會帶來二次危害,例如反苛化反應、環境污染等,而直接丟棄則會造成浪費。因此,探索石灰消化殘渣的高效回收利用對遏制危害生產、降低成本、環境保護有著重要意義。

1 石灰消化殘渣產生機理

氧化鋁生產用石灰主要成分見表1。由表1可知,石灰以氧化鈣為主,同時含有雜質碳酸鈣以及少量的硅、鎂、鋁、鐵等。在使用熱水消化石灰的過程中,有效成分氧化鈣與水發生溶解反應生成熟石灰,其他雜質基本不溶解,形成殘渣。殘渣主要成分為氫氧化鈣和碳酸鈣(表2),同時夾雜部分氧化鈣。石灰品質越好,在消化過程中產生的殘渣越少。通常情況下,石灰經消化過程產生的殘渣量為5%～7%,主要發生的化學反應見式(1)。

表1 石灰主要成分 %

表2 石灰消化殘渣主要成分 %

(1)

傳統石灰消化工藝流程如圖1所示。

圖1 傳統石灰消化工藝流程

2 石灰消化殘渣傳統處置方法存在的問題

對于石灰消化工藝產生的殘渣,傳統處置方法是轉運到礦石堆場回收利用,或者直接轉運至赤泥堆場丟棄,另外還可以用作石灰石原料產品低價銷售。這種方法主要存在以下問題。

1)揚塵污染周邊環境。消化殘渣在渣池臨時堆存一天以上的時間就會出現部分粉化現象,致使轉運裝卸時極易出現揚塵,對周邊環境造成不同程度的污染,同時存在一定安全隱患。另外,轉運消化殘渣,會產生人工費、車輛費用及運輸燃油費等費用,無疑增加投資及環保設施運行相關費用。

2)消化殘渣進入礦石堆場回收利用造成反苛化危害。消化殘渣混入礦石堆場或石灰系統后,作為石灰摻配料回收利用,由于含有大量石灰石(碳酸鈣),在礦石濕磨到溶出階段,碳酸鈣會不同程度發生反苛化反應［1-2］,生成碳酸鈉。隨著碳酸鈉在生產系統的累積,拜耳法生產的作業效率和產品質量受到較大的影響［3］。主要發生的反苛化反應如式(2)～(4)所示。

(2)

(3)

(4)

3)消化殘渣丟棄造成資源浪費或低價銷售經濟性差。消化殘渣含有效成分氧化鈣,若直接丟棄會造成氧化鈣流失而浪費資源,同時占用赤泥堆場儲存空間,既增加工程機械轉運費用,又增加赤泥堆場負擔。另外,消化殘渣可以當作石灰石原料產品低價銷售,與石灰石摻配經干法磨制成石灰石粉,應用于熱力鍋爐煙氣脫硫,但經濟性較差,不利于企業降本增效。

3 石灰消化殘渣回收新工藝

3.1 石灰消化殘渣回收利用原理

石灰消化殘渣主要成分為氫氧化鈣和碳酸鈣,可經過破碎和細磨與石灰乳混合用于排鹽苛化和葉濾助濾劑。在排鹽苛化過程,殘渣中的氫氧化鈣將與碳酸鈉發生苛化反應生成碳酸鈣(式(5)),從而對殘渣中有效成分進行回收利用。葉濾過程通常需要添加石灰乳作為助濾劑,其實質是石灰乳中氫氧化鈣與鋁酸鈉反應生成疏松多孔的鋁酸鈣物質,從而起到助濾的作用,而石灰消化殘渣中含有氫氧化鈣,能與鋁酸鈉反應生成疏松多孔的鋁酸鈣物質(式(3)),因此,消化殘渣也能起到助濾的作用。

(5)

3.2 消化殘渣回收利用試驗

石灰消化過程中產生的細殘渣和粗殘渣的細度指標見表3。由表3可知,消化殘渣的粒度較大,如果直接利用于葉濾和苛化工序,既影響葉濾助濾劑制備和苛化反應,又可能會導致輸送管道堵塞,同時粗顆粒殘渣進入槽罐后會在底部沉積,增加攪拌阻力,甚至使攪拌無法運轉,因此需要對殘渣進行磨細或者破細。

為回收利用石灰消化殘渣,進行破碎試驗,破碎后的細度見表4。

表4 石灰消化殘渣破碎后粒度指標 %

然后采用破碎后的殘渣進行葉濾助濾劑制備試驗和苛化試驗,葉濾助濾劑制備試驗結果見表5,排鹽苛化試驗結果如圖2所示,其試驗條件為精液100 mL、溫度105 ℃,苛化原液100 mL、苛化溫度95 ℃、苛化時間4 h。

圖2 石灰消化殘渣對碳酸鈉苛化效率的影響

表5 石灰消化殘渣與石灰乳制備的助濾劑濾餅成分對比 %

由表5可知,利用石灰消化殘渣和石灰乳制備助濾劑產生的濾餅成分基本一致。試驗過程采用的是純消化殘渣,實際應用中將消化殘渣摻配石灰乳,殘渣占比較小,不會對精液精制過程產生影響。

圖2為石灰消化殘渣對碳酸鈉苛化效率的影響。從圖2可知,隨著石灰消化殘渣添加量的增加,苛化效率逐漸增大。當石灰消化殘渣添加量從5 g增加至25 g,苛化效率由8.73%增加到了43.69%。說明石灰消化殘渣有效成分CaO能夠進行苛化反應,可以取代部分石灰,減少石灰消耗。

3.3 石灰消化及殘渣回收利用流程優化

經過試驗研究分析,石灰消化殘渣經破碎后可以摻配石灰乳進入生產流程,綜合回收利用于葉濾和苛化工序。為此,對化灰機出渣方式進行技術創新,實現殘渣在線連續封閉加工處理,直接回收利用進入后端葉濾和苛化,充分利用殘渣中的有效成分氧化鈣。優化后的生產流程如圖3所示。

對比圖1和圖3可知,石灰消化殘渣回收處理新工藝取消了傳統化灰機的螺旋提渣和皮帶出渣工藝,增設殘渣處理工藝,使得殘渣由完全開放堆存轉運處理方式轉變為連續封閉再處理方式,既解決了殘渣堆存轉運的安全環保問題,又能實現殘渣粒度調控,使其粒度滿足生產使用要求,再混入石灰乳流程進入葉濾和排鹽苛化系統,實現殘渣的回收利用,同時避免大量雜質碳酸鈣返回生產流程前端造成反苛化帶來的危害。

4 實施效果

某氧化鋁企業利用新工藝對石灰消化殘渣進行回收利用,取得較好的應用效果。

1)回收殘渣中有效成分氧化鈣,減少葉濾和排鹽苛化過程石灰消耗。采用該工藝,化灰機產渣率按6%測算,每天石灰進料約360 t,則每天可回收利用的殘渣折算為12.41 t石灰,石灰單耗降低2.82 kg/t-AO。每年可節約石灰消耗4 531 t,節約費用149.52萬元,折算成氧化鋁成本,可降低0.93元/t-AO。

2)殘渣直接投入生產使用,不再需要堆存和轉運,減少堆存和轉運過程的人工費、燃料消耗費、損耗費等,每年節約11萬元,折算成氧化鋁成本,可降低0.07元/t-AO。

3)該項目一次性投資7.5萬元,每年運行費用約為12.8萬元,運行成本為0.08元/t-AO,每年可產生經濟效益334萬元。該項目投資少,效益高,可降低氧化鋁成本2.09元/t-AO。

4)避免殘渣返回生產系統前端發生反苛化,減少碳酸鈉進入系統,降低排鹽消耗。某氧化鋁企業每年可減少2 152 t碳酸鈉進入生產系統,節約蒸汽消耗10 286 t,節約石灰消耗約1 593 t,減少費用186萬元,折算成氧化鋁成本,可降低1.17元/t-AO。

5)解決石灰消化殘渣現場臨時堆存及轉運堆存在的安全風險及粉化揚塵導致的環境污染問題,改善現場作業環境,同時避免殘渣直接堆存丟棄造成的氧化鈣流失,減少資源浪費。

5 結束語

本文提出了石灰消化殘渣回收處理新工藝,并以國內某氧化鋁企業為例,進行消化殘渣回收實踐,取得了較好的效果。對于配置有排鹽苛化工序的氧化鋁企業,制備石灰乳產生的消化殘渣量相對較大,如果不進行資源化回收利用,對周邊環境有影響,本新工藝可為消化殘渣處置提供參考借鑒。該新工藝沒有產生新固廢,實現殘渣資源化循環回收利用,具有流程簡單、投資少、效益高等優勢,在國內氧化鋁企業具有一定的推廣應用價值。