0 前言

氧化铝生产根据铝土矿存在形态形成两种主要生产方法—烧结法和拜耳法.我国针对高铝、高硅、低铁一水硬铝石型铝土矿的资源特点, 主要采用烧结法工艺生产氧化铝, 该工艺处理的一水硬铝石A/S在3.5~5.0之间, SiO₂含量多在6%~16%, 在熟料溶出过程中, 原硅酸钙引起二次反应, 在溶出液中含有相当数量的SiO₂.这种粗液无论用碳酸化分解还是晶种分解, 大部分SiO₂都会析出进入氢氧化铝中, 使成品氧化铝的质量达不到生产要求, 同时高SiO₂浓度的溶液析出氢氧化铝后的碳分母液中SiO₂含量也高, 蒸发时铝硅酸钠析出造成蒸发器管壁结疤, 传热效率降低, 影响蒸发作业的顺利进行, 为此烧结法氧化铝生产工艺中设置了专门的脱硅工段.

应用于工业生产中的脱硅方法多为两段脱硅工艺, 第一段是向铝酸钠溶液中添加晶种在加压条件下使铝酸钠溶液中的硅酸根自发地转变成固相, 以水合铝硅酸钠的形式从溶液中沉淀出来, 脱除大部分的硅, 脱硅原理如下:

2Na₂SiO₃+2NaAl(OH)₃+aq→Na₂O·Al₂O₃·2SiO₂· nH₂O+4 NaOH+aq

第二段是分离出水合铝硅酸钠后, 加入含钙添加剂在常压下使溶液中的少量的SiO₂以水化石榴石的形式析出, 达到提高脱硅深度的目的, 脱硅原理如下:

3Ca(OH)₂+2NaAl(OH)₃+aq→3CaO·Al₂O₃·6H₂O+ 2NaOH+aq

3CaO·Al₂O₃·6H₂O+XNa₂SiO₃+ aq→3CaO·Al₂O₃· XSiO₂(6-2X)H₂O+2XNaOH+aq

一段加压脱硅分为直接加热连续脱硅工艺和间接加热连续脱硅工艺, 两种脱硅工艺都要消耗大量的热能, 在生产能耗组成中, 所占比例仅次于蒸发工段.因此, 不断探索和改进铝酸钠溶液脱硅新工艺, 也是最大限度地降低我国氧化铝工艺能耗和生产成本的关键途径之一.

1 中州分公司烧结法氧化铝生产脱硅工艺的发展历程

中州分公司烧结法氧化铝生产一段脱硅根据时间顺序和工艺特点大体分为3个阶段:直接加热连续脱硅阶段、直接加热和间接加热连续脱硅及常压脱硅并存阶段、间接加热连续脱硅阶段.

中州分公司1987年开始建厂, 一期规模两台熟料窑年产氧化铝20万t, 其中脱硅工段采用Ⅰ组、Ⅱ组、Ⅲ组直接加热脱硅组, 随着1999年和2000年3^#、4^#熟料窑的相继建成投产, 脱硅能力明显不足.为此, 在不断实现原有直接加热连续脱硅机组提产改造的同时, 又增加了Ⅳ组脱硅机组, 该阶段生产规模提升较快, 但一次脱硅工艺全部局限在直接加热连续脱硅, 2001年以Ⅴ组间接加热连续脱硅工艺并入生产流程为标志进入第二阶段.

为配合2001年3月开工建设的5^#、6^#熟料窑, 脱硅工段Ⅴ组Ⅵ组间接加热连续脱硅作为子项先期开工建设并投入运行, 其中2001年5月份Ⅴ组投用, 2002年2月Ⅵ组投入运行, 随着7^#熟料窑的建成, 2004年9月两组常压脱硅投入运行.基于间接加热连续脱硅在生产中的突出优势, 2005年12月份开始实施Ⅰ组、Ⅱ组、Ⅳ组直接加热连续脱硅整合成两组间接加热连续脱硅技术改造, 改造后的Ⅰ组Ⅱ组间接加热连续脱硅分别于2006年7月、8月并入流程, 形成一组直接加热连续脱硅和四组间接加热连续脱硅及两组常压脱硅并存的生产模式, 此间氧化铝生产处于高产阶段, 也是烧结法生产脱硅工段发展的第二阶段.

进入2008年四季度, 前所未有的金融经济危机冲击氧化铝生产行业, 从四季度开始中州分公司调整生产模式, 进入弹性生产阶段, 生产规模大幅缩减, Ⅲ组直接加热脱硅和常压脱硅退出生产流程处于闲置状态, 给Ⅲ组直接加热连续脱硅技术改造提供了极为便利的条件.为此, 2009年1月开始实施Ⅲ组直接加热脱硅保温罐和常压脱硅预热套管整合成间接加热连续脱硅技术改造, 并于2010年2月11日正式投入运行, 以Ⅲ组实现间接加热脱硅改造为标志, 中州分公司烧结法氧化铝生产脱硅工段实现了历史性转折, 直接加热连续脱硅工艺在中州分公司完成最后使命而退出历史舞台, 自此中州分公司烧结法氧化铝生产脱硅工艺跨入第三阶段.

2 直接加热连续脱硅工艺与间接加热连续脱硅工艺的区别和对比 2.1 工艺流程对比

为了便于比较将3种脱硅工艺流程列于图 1、图 2和图 3中.

由3种工艺流程可以看出, 直接加热连续脱硅工艺虽然流程比较简单, 但一次脱硅效果较间接加热连续脱硅要差, 新蒸汽直接用来加热浆液, 浆液和新蒸汽之间近200℃的温差使1^#脱硅罐存在振动, 长时间运行导致罐体强度下降, 设备容易出现裂纹的不安全因素; 间接加热连续脱硅工艺采用加热蒸汽和浆液分流的形式, 将90℃左右的浆液逐步加热到155℃以上, 彻底消除了振动的不安全因素, 同时系统乏汽重新返回加热流程, 提高了蒸汽的利用率, 另外相对较高的脱硅温度和停留时间提高了脱硅效果, 但工艺流程相对复杂; 常压脱硅是在强化预脱硅基础上充分利用套管间接加热优良技术, 保持和消除脱硅原液在常压脱硅过程中的温度损失, 并依靠增加的3台停留槽延长反应时间, 使溶液中处于介稳状态的SiO₂基本上在常态下转变成溶解度很小的化合物沉淀析出, 达到生产工艺要求的脱硅新技术.

2.2 设备配置对比

3种脱硅工艺的设备设置对比见表 1.

从表 1可看出, 3种脱硅工艺间接加热连续脱硅工艺最为复杂, 但由于采用浆液和蒸汽分流模式, 同时浆液逐级被加热到工艺要求, 杜绝了保温罐振动的不安全因素, 也消除了由于蒸汽压力波动而造成的倒压事故, 尤其突出的优势是利用两级自蒸发和水系统二次蒸汽, 提高了蒸汽利用率, 降低了生产成本.

2.3 工艺控制参数的对比

3种脱硅方式在正常生产情况下的工艺参数见表 2.

2.4 不同脱硅工艺脱硅效果的对比

3种脱硅工艺的脱硅效果见图 4所示.

由图 4看出, 正是由于直接加热连续脱硅和间接加热连续脱硅在工艺控制上的差别, 间接加热连续脱硅有着更好的脱硅效果.

3 间接加热连续脱硅工艺运行状况和效益

中州分公司脱硅系统Ⅴ组、Ⅵ组间接加热脱硅系整体设计, 其余脱硅组均依照Ⅴ组Ⅵ组模式进行改造, 改造过程中利用了部分固定资产, 节约了初期投资, 但给整个系统在现场布局和设备配置上带来一定的影响.Ⅰ组、Ⅱ组改造成低温溶出机组后, 由于采用了锥底出料方式, 使得操作方法有别于Ⅲ组、Ⅴ组、Ⅵ组.从目前脱硅系统运行情况看, 衡量系统稳定的关键环节是喂料泵运行工况, 历史上脱硅系统曾经使用过串联泵、双级泵、油隔泵等, 但都由于供料稳定性和设备工况不能满足新工艺要求而逐步淘汰，中州分公司于2009年在间接加热连续脱硅喂料泵引进高压变频技术，不但提高喂料泵在启动过程中安全性和稳定性，而且实现流量远程调节，降低了员工劳动强度.

中州分公司套管间接加热连续脱硅设计产能350 m³/h，在同等脱硅原液条件下间接加热连续脱硅的溶液氧化铝浓度比直接加热连续脱硅高出9.03g/L，同时一次脱硅浆液A/S要比直接加热连续脱硅高出68个硅量指数.仅仅考虑浓度方面的变化就可以取得良好的经济效果，以Lm³脱硅原液计算，钠硅渣结合AO按5.75 kg，则套管间接加热连续脱硅比直接加热连续脱硅体积相对减少了0.043 m³；即套管间接加热连续脱硅较直接加热连续脱硅少进流程水量为0.043 m³；按照蒸发器蒸发1t水需新蒸汽0.43t计算，间接加热连续脱硅每小时节约蒸发用汽：0.043× 1×0.43=0.01849t；1t蒸汽按70元计算，每小时每立方米流量节约成本：0.01849×70=1.29元.

4 结束语

套管间接加热连续脱硅较以往脱硅方式在安全性、液量处理、脱硅效果及运行成本上具有较强优势，目前，中州分公司烧结法氧化铝生产脱硅工段全部采用间接加热连续脱硅并取得良好的运行效果.