某氧化鋁廠采用不同溶出溫度處理低硅幾內亞鋁土礦比較

楊亮華

(國家電投山西鋁業有限公司,山西 原平 034100)

中國鋁土礦年開采量已經達到世界年開采總量的29%,開采水平遠遠高于儲量保有水平,尤其是隨著近年來氧化鋁行業的高速發展,過度開采和生產加工致使中國鋁土礦資源日趨匱乏,資源保有儲量快速下降,按照目前氧化鋁產能推算,中國鋁土礦的靜態保障年限不足10年,高品質鋁土礦供給矛盾更加突出。隨著國家對國內鋁土礦開采政策的收緊,國內鋁土礦供應量持續下降,而氧化鋁新建產能不斷釋放,導致國內鋁土礦供需矛盾愈發突出,對海外鋁土礦資源的依存度持續上升,進口鋁土礦數量逐年增長[1]。據相關數據顯示,2022年中國鋁土礦進口數量上漲至12 547萬噸,同比上漲16.97%;同時鋁土礦進口來源地主要集中在幾內亞、澳大利亞和印尼三個國家,占總進口量的94%以上,呈現三足鼎立的局面;其中幾內亞是我國最大的鋁土礦單一來源國,2022年由幾內亞進口鋁土礦7 035萬噸,占到我國進口鋁土礦數量的56%,所以如何更好的使用幾內亞鋁土礦是眾多使用進口鋁土礦企業共同的課題[2]。

目前國內使用低硅幾內亞鋁土礦的氧化鋁企業所采用的工藝有低溫溶出和高溫溶出,以低溫為主,企業的最佳工藝還需要結合自身的工藝設計、地域原料價格以及用礦結構綜合確定。本文主要是基于該企業同時采用低溫溶出和高溫溶出處理低硅幾內亞鋁土礦的生產實踐所進行的對比分析。

1 幾內亞鋁土礦主要化學及物相組成

幾內亞鋁土礦儲量達74億噸,占全球總儲量的26.4%,排名世界第一[3]。主要分布在福里亞(Fria)、金迪亞(Kindia)、博凱(Boké)、拉貝(Labé)、高瓦爾(Gaoual)以及圖蓋(Tougué)等地區[4],不同礦區的鋁土礦差異較大,其氧化鋁含量35%～52%、二氧化硅1.5%～9%之間不等,本文主要研究低硅幾內亞鋁土礦的溶出性能[5],其化學和物相組成如表1和表2所示。

表1 低硅幾內亞鋁土礦化學組成 %

表2 低硅幾內亞鋁土礦物相組成 %

從表1化學成分分析可以看出,該幾內亞礦屬于低鋁、低硅、高鐵型鋁土礦,從表2物相成分分析看,主要含三水鋁石和鋁針鐵礦,還含有部分一水軟鋁石和高嶺石。不同的礦物溶出性能各不相同,一般來說,三水鋁石在150℃以下的溶出溫度即可溶出,一水軟鋁石則需要加熱至235～250℃,而鋁針鐵礦更是需要采用260℃以上的反應溫度,具體采用什么溶出條件,要結合生產實際確認,選擇最佳的溶出溫度來達到最好經濟性。

2 現場工藝設備流程

鋁土礦經汽車運輸入廠,或通過火車翻車機翻卸后經皮帶輸送至原料堆場或直接進入生產流程;鋁土礦、循環母液按比例進入由棒磨、球磨和水力旋流器組成的兩段閉路磨礦分級系統;合格礦漿經單套管預熱器加熱后送入預脫硅槽停留8小時,出料配入適量循環堿液由高壓隔膜泵送入溶出系統,經套管預熱器、壓煮器加熱至溶出溫度,停留溶出60分鐘后,高溫料漿經多級自蒸發器閃蒸降溫降壓、稀釋后在Φ42 m大型平底分離沉降槽內進行液固分離,底流進入由Φ42 m大型平底沉降槽和Φ20 m高效深錐沉降槽組成的四次赤泥逆流洗滌系統,末次洗滌槽底流用隔膜泵送往赤泥堆場壓濾,濾餅送至堆場進行干法堆存,分離沉降槽溢流送控制過濾;合格精液經精母換熱降溫、添加晶種分解及水力旋流器分級,粗顆粒氫氧化鋁料漿送成品過濾,洗滌后氫氧化鋁經氣態懸浮焙燒爐脫水得到氧化鋁產品,通過汽車和鐵路發往下游用戶。

3 高溫溶出與低溫溶出工藝對比

3.1 礦石特性差異

生產中通常首先是根據鋁土礦中主要氧化鋁物相的類型來選擇合適的溶出工藝制度以達到最佳的溶出效果,對于以三水鋁石、一水軟鋁石和一水硬鋁石為主要氧化鋁物相構成的鋁土礦,三水鋁石型一般采取低溫溶出,一水硬鋁石型采用高溫溶出,而一水軟鋁石混合型溶出溫度介于二者之間,其常見的溶出工藝條件如表3所示。

表3 三種類型鋁土礦溶出工藝條件對比

3.2 生產運行差異

3.2.1 工藝條件

氧化鋁的溶出率是氧化鋁生產中非常重要的工藝指標,而溶出率與溶出溫度、溶出時間、苛性堿濃度、礦石粒度以及攪拌強度等因素密切相關,對于企業所采用的低硅幾內亞鋁土礦,低溫溶出工藝和高溫溶出工藝的工藝條件對比如表4所示。

表4 工藝條件對比

由表4可知,采用高溫溶出工藝時,不僅可以得到更高的溶出率,而且還可縮短溶出時間,提高溶出液Rp值,生產效率更高。

3.2.2 消耗指標

兩種不同的溶出溫度在處理目標鋁土礦時,采用高溫溶出工藝礦耗略低;堿耗、汽耗、工藝電耗、工藝水耗均略高;焙燒燃料耗、循環水耗、壓縮空氣耗相差不大[6]。

3.2.3 裝備差異

低溫溶出采用離心泵喂料,而高溫溶出需要設置高壓隔膜泵,溶出喂料部分的電耗略高一些。

高溫溶出預熱和加熱套管面積大,自蒸發器數量多;高溫溶出閃蒸量大,可以加入更多的赤泥洗水提高洗滌效果,或降低系統蒸發量。

綜上所述,采用高溫溶出工藝可以縮短溶出時間,提高溶出液Rp值,改善赤泥沉降性能,減少氧化鋁水解損失;但堿耗、汽耗、工藝電耗、工藝水耗等方面略高于低溫溶出工藝,溶出部分的設備投入相對也較多。

4 關鍵生產指標對比

該企業在使用進口礦過程中一直在不斷探索最佳工藝,針對低硅幾內亞鋁土礦不配石灰的條件下,分別按照140～145℃低溫溶出和260～265℃高溫溶出組織生產,并對關鍵生產指標進行了對比分析。

4.1 有機物

4.1.1 轉化率

礦石中有機碳TOC在不同溶出條件下的轉化情況見表5。

表5 不同溶出溫度下的有機物轉化率

從表5數據可以看出,礦石中的總有機碳TOC含量為0.2%,在低溫溶出下TOC的轉化率為40%、草酸鹽的轉化率為20%;高溫溶出下TOC的換化率為50%、草酸鹽的轉化率為50%,轉化率的差異主要是由于系統中的有機物多次經過高壓溶出時,高分子化合物降解成低分子化合物,最后形成草酸鈉、碳酸鈉或其他低分子鈉鹽所致。

4.1.2 精液草酸根濃度

某氧化鋁企業一期工程使用國內鋁土礦高溫溶出工藝,二期工程使用低硅幾內亞鋁土礦兩條生產線采用高溫溶出工藝、兩條生產線采用低溫溶出工藝,分別統計了二期工程高溫溶出生產系統和低溫溶出生產系統的精液中草酸根的濃度變化情況,如圖1所示。

圖1 精液草酸根變化趨勢

由圖1可知,低溫溶出由于溶液中的草酸鹽轉化率低,在同等排出能力條件下,系統中的草酸根濃度上漲緩慢,從月初的1.26上漲至月底1.49 g/L,全月上漲0.23 g/L;同期高溫溶出生產系統中草酸鹽上漲幅度較大,由1.20上漲至1.81 g/L,全月上漲0.61 g/L,濃度增加值是低溫溶出的2.65倍。

4.1.3 AH表面析出草酸根

分別統計了二期工程高溫溶出生產系統和低溫溶出生產系統的立盤氫氧化鋁表現草酸鹽的析出量變化情況,如圖2所示。

圖2 立盤濾餅表面草酸鹽變化趨勢

由圖2可知,低溫溶出由于TOC向溶液中草酸鹽的轉化率低,在同等排出能力條件下,系統中的草酸鹽濃度上漲速度低于高溫溶出,而溶液中的草酸鹽濃度越高析出量越大,低溫溶出氫氧化鋁表面草酸鹽析出量從月初的194上漲至月底226 g/t-AH,全月上漲32 g/t-AH;高溫溶出氫氧化鋁表面草酸鹽析出量從月初170上漲至350 g/t-AH,全月上漲180 g/t-AH,漲幅是低溫溶出的5.6倍。氫氧化鋁表面草酸鹽析出量越大,越容易造成分解槽泡沫厚度增加,同時也會造成產品粒度控制難度加大。

4.2 關鍵指標

4.2.1 溶出率與赤泥N/S

不同溶出條件下,實際溶出率、凈溶出率以及赤泥N/S數據如表6所示。

表6 不同溶出條件下的溶出率與赤泥N/S

由表6可知,由于一水軟鋁石、鋁針鐵礦在低溫條件下不與堿反應,在高溫條件下才與堿發生溶出反應;高溫溶出相比于低溫溶出提高氧化鋁實際溶出率約6%,折算凈溶出率高約7.5%,折算為礦耗低約0.26 t/t-Al2O3,同時改善了赤泥沉降性能,減少了氧化鋁的水解損失;以石英相存在的硅在低溫溶出條件下呈惰性,不與堿發生反應,在高溫條件下與堿反應生成鈉硅渣,造成高溫溶出赤泥較低溫赤泥赤泥N/S高0.3,折百堿耗約高18 kg/t-Al2O3。

4.2.2 生產效率與產品質量

由于礦石化學組成中全硅含量只有3%,物相組成中高嶺石只有2.8%,在實際生產過程中精液硅量指數的控制是生產主要難點之一,較低的硅量指數既容易造成氧化鋁產品二氧化硅含量超標,又會使換熱設備表面的結疤速度加快、能耗升高、生產穩定性差。比較了不同溶出條件下生產效率與產品中硅含量的差異如表7所示。

表7 不同溶出條件下的生產效率與產品質量

精液硅量指數的高低與循環母液Nk、預脫硅和溶出條件、稀釋脫硅時間、精液濃度等因素直接相關。較低的循環母液Nk雖然可以得到較高的硅量指數,但也會降低系統的生產效率;石英硅在260℃溶出條件下與堿發生反應生成鈉硅渣,與高嶺石的反應產物相同,均可以作為種子促進溶液脫硅,提高了精液的硅量指數,進而為提高循環母液濃度創造了條件,得到了更高的生產效率,高溫溶出較低溫溶出循環效率提高25 kg/m3,同時產品中的二氧化硅含量也下降了0.013%。

4.3 赤泥沉降性能

不同溶出條件下,赤泥沉降性能數據如表8所示。

表8 不同溶出條件下的赤泥沉降性能

一水軟鋁石和鋁針鐵礦無法在低溫溶出條件下反應,造成赤泥量增加,再加上鋁針鐵礦分散很高,比表面積很大,在沉降過程溶液被強烈地吸附在鋁針鐵礦細分散粒子表面,使得赤泥的沉降和壓縮性能變差,進而造成運行過程中沉降槽的泥層和扭拒控制難度增大,赤泥附液相關的堿和氧化鋁損失增大,沉降槽容易發生事故中斷生產。高溫溶出創造了一水軟鋁石和鋁針鐵礦的反應條件,使針鐵礦轉化為性能更好的赤鐵礦,很好的解決了低溫溶出沉降槽不穩定的問題,扭拒波動值下降50%、附液損失下降60%。

4.4 主要消耗成本對比

企業各項原料及中間產品價格如表9所示。

兩種溶出條件下消耗指標與運行成本對比如表10所示。

從表10數據可知,高溫溶出相比低溫溶出,礦耗和赤泥產出率降低,堿耗、電耗、汽耗和產能增加,由于高溫溶出條件下現有系統生產能力增加,固定成本下降,在企業生產現狀價格體系下,高溫溶出工藝較低溫溶出工藝可實現降本約53元/t-Al2O3,經濟效益顯著。

5 結 論

根據對低硅幾內亞鋁土礦采取高溫溶出和低溫溶出的生產實踐表明,兩種工藝各有優劣,礦石特性是確定溶出工藝的基礎條件,低硅幾內亞鋁土礦,按照高溫溶出條件處理有如下優勢:

(1) 高溫溶出較低溫溶出可降低生產成本約53元/t-Al2O3;

(2) 高溫溶出較低溫溶出可以促進鋁針鐵礦向赤鐵礦轉化,改善了赤泥沉降性能,沉降槽穩定性更好,沉降槽扭拒波動值下降50%、附液損失下降60%;

(3) 高溫溶出較低溫溶出,生產效率更高,循環效率可提高25 kg/m3,氧化鋁產品雜質更低,二氧化硅含量下降0.013%。