降低拜耳流程碳酸钠含量实践

毛 鹏，陆 玉

（中国铝业山东分公司，山东 淄博255052）

1 前言

中国铝业山东分公司氧化铝厂一直采用碱石灰烧结法工艺生产氧化铝。2008年底，受世界金融危机影响，加之烧结法流程长、成本高的弊端，造成氧化铝厂严重亏损，被迫大面积限产。为了适应新形势，创建资源节约型企业，实现大幅度节能减排，山铝氧化铝厂经过大量的研究试验，对闲置烧结法流程进行了重新配置与优化组合，采用“一间断、一连续”新技术，形成了一条新拜耳法氧化铝生产线，并于2009年7月投产运行。

2 拜耳流程碳酸钠升高原因分析

2.1 铝矿石中的碳酸盐分解

山铝氧化铝厂使用的矿石主要来自印尼。印尼矿不同程度地含有一定量的方解石CaCO3和白云石CaCO3·MgCO3，这部分碳酸盐在溶出过程中极易分解，将苛性碱转变为碳酸碱，造成苛性碱的损失。主要发生反应如下：

式中：Me表示Ca或Mg。

2.2 铝酸钠溶液吸收CO2

拜耳法氧化铝生产过程中，铝酸钠溶液会吸收空气中的CO2形成Na2CO3。氧化铝厂拜耳法生产线由原烧结法闲置设备改造而成，流程布局较长，种分槽体积大小不一，且种分槽之间距离较远，造成铝酸钠溶液更容易吸收空气中CO2。另外，由于部分种分槽使用的是空气搅拌，在空气搅拌过程中，大量CO2进入铝酸钠溶液中发生碳酸化反应，形成了Na2CO3。主要反应如下：

实践中发现，每进行一次拜耳循环，大约有3%～4%的苛性碱变成Na2CO3［1-2］。

2.3 流程防护不到位

山铝氧化铝厂拜耳法生产线投用后，与部分烧结法流程并联运行，随着拜耳法氧化铝生产规模的不断扩大，烧结法不能完全消化拜耳法赤泥，大部分拜耳法赤泥与烧结法赤泥混合压滤堆存，滤液返回拜耳法洗涤系统循环使用。由于烧结法滤液与拜耳法滤液不能彻底分开，造成了烧结法流程中的碳酸钠进入拜耳法流程，使拜耳法流程碳酸钠含量升高。

3 降低拜耳流程碳酸钠普遍方法

3.1 赤泥苛化法

赤泥苛化是将拜耳法赤泥加入少量石灰乳进行浆化反应，将赤泥附液中的碳酸钠苛化，然后通过压滤（过滤）分离，苛化液回收利用于洗涤系统。赤泥苛化在苛化反应时需补充一定的水对赤泥进行稀释［3-4］，在赤泥综合利用方面不失为一个赤泥脱碱的好方法，但在降低拜耳流程溶液中碳酸钠含量方面得不偿失。为了筑坝需要，山铝氧化铝厂烧结法赤泥与拜耳法赤泥是混合压滤的，因此，赤泥苛化法不适合氧化铝厂应用。

3.2 赤泥洗液苛化法

赤泥洗液苛化通过石灰苛化的方法，选择合适的赤泥洗液进行苛化，使得洗液中的碳酸钠大量苛化析出，苛化后的滤液返回洗涤系统循环利用，从而达到补充苛性碱的目的。赤泥洗液苛化在拜耳法氧化铝生产中普遍被采用。

山铝氧化铝厂拜耳法生产中，赤泥洗涤为6次洗涤流程，分别选取2洗、3洗及4洗进行苛化试验。通过试验数据对比分析，影响赤泥洗液苛化的因素主要由赤泥洗液的浓度、苛化反应时间、苛化温度以及苛化钙碳比等。赤泥洗液苛化有工艺流程简单、运行费用低等优点，但降低拜耳流程溶液中碳酸钠含量见效缓慢，且在追求苛化率的同时氧化铝损失率相应升高。应用赤泥洗液苛化法很难在短期内达到预期效果。

3.3 高浓度蒸发析盐（结晶析盐）法

高浓度蒸发析盐（结晶析盐）法是通过强循蒸发器将种分原液蒸发至高浓度，使得碳酸钠达到过饱和状态结晶析出，来去除拜耳流程溶液中碳酸钠的方法。参照拜耳母液碳酸钠在铝酸钠溶液中的溶解度曲线可知，碳酸钠是以一水碳酸钠的形式结晶析出的。

该方法在应用方面较灵活，山铝第二氧化铝厂通过直接将拜耳种分母液蒸发至高浓度，使得母液中的碳酸钠达到过饱和浓度析出，而中国铝业郑州分公司则通过在拜耳种分母液蒸发器上增加外挂效，用外挂效二次浓缩使得溶液中的碳酸钠过饱和结晶析出。高浓度蒸发析盐的方法效果较显著，是目前降低拜耳流程溶液中碳酸钠含量的普遍方法，但其运行成本较高，不利于长时间运行。

4 “一间断、一连续”新技术应用实践

2010年，山铝氧化铝厂通过优化改造原有设备，在拜耳法生产中应用强制循环蒸发器二段蒸发技术形成高浓度蒸发析盐流程，同时增加赤泥洗液苛化流程配合结晶析盐运行，形成结晶析盐间断运行和洗液苛化流程连续运行的“一间断、一连续”新使用技术。

4.1 设计改造结晶析盐流程

山铝氧化铝厂自行设计施工，对原烧结法二段蒸发强循蒸发器进行流程改造，应用于拜耳法生产来降低溶液中的碳酸钠。拜耳法种分母液通过强循蒸发器蒸发至高浓度，使得碳酸钠达到过饱和状态结晶析出，然后经过沉降、过滤分离将结晶碳酸钠彻底分离出拜耳系统。析出的碳酸钠用于烧结法配料。本次结晶析盐改造增加了强循蒸发器“外循环”和沉降槽“内循环”来实现碳酸钠的充分结晶，为提高结晶析盐效率创造了良好的条件，有效缩短了结晶析盐的开车时间。结晶析盐工艺流程如图1所示。

图1 结晶析盐流程

4.2 改造洗液苛化试验及流程

根据洗液成分的不同，分别对2洗、3洗及4洗进行了苛化试验。考虑到洗液浓度对苛化率和氧化铝损失率的影响以及拜耳法氧化铝生产规模及流程中碳酸钠含量情况，最终选择苛化3次洗液配合结晶析盐运行。利用氧化铝厂闲置反应槽作为苛化槽，将3次洗涤溢流进行流程改造。通过添加石灰乳对3次洗液进行苛化，苛化反应完成后，将苛化浆液返回二次洗涤槽，在不影响洗涤的情况下使得溶液中的碳酸钠反应生成碳酸钙后随赤泥一起排出生产流程，而苛化生成的苛性碱通过洗涤系统被回收利用。

4.3 结合使用结晶析盐和苛化流程

根据山铝氧化铝厂拜耳法氧化铝的生产规模以及流程中碳酸钠含量的变化情况，结合结晶析盐和洗液苛化流程各自的优点，扬长补短，通过反复论证计算，应用结晶析盐流程1 a运行1次、每次运行35 d，3次洗液苛化流程连续运行的“一间断、一连续”的新应用技术，来降低拜耳流程溶液中的碳酸钠含量。结晶析盐的运行有效地降低了拜耳流程碳酸钠的含量，而洗液苛化流程配合结晶析盐运行，大大减少了结晶析盐的开车次数以及每次运行的时间，降低了运行成本。

制定结晶析盐主要控制参数：蒸发器进料浓度约240 g/L，蒸发器出料比重约1.39 g/cm3；蒸发器出料晶液比约0.07，沉降槽晶液比约0.12，过滤机滤液量60 m3/h。兼顾到洗液苛化过程中的苛化率及氧化铝损失率，结合结晶析盐开车情况，3次洗液苛化流程主要控制参数：苛化温度约90℃，苛化时间约55 min，钙碳比（CaO/CO2）约1.3。

5 结语

截至2010年2月初，拜耳流程溶液中碳酸钠含量已升高至50.35 g/L，致使拜耳流程碱循环效率降低至98.58 kg/m3，种分分解率仅维持在48%，蒸发器汽耗达0.32 t/tH2O。通过计算，只运行结晶析盐来降低拜耳流程碳酸钠含量至20 g/L，每年需运行结晶析盐2次，每次至少需要运行52 d。2010年2月23日，结晶析盐和3次洗液苛化“一间断、一连续”流程配合应用开车后，拜耳流程碳酸钠含量不断降低，结晶析盐运行35 d后，碳酸钠含量降低至20 g/L以下，碱循环效率提高至130 kg/m3以上（变化趋势见图2），种分分解率升高至54%以上，蒸发器汽耗降低至0.27 t/tH2O。

“一间断、一连续”新技术成功应用后，达到了预期效果，实现了短期内迅速降低拜耳流程溶液中碳酸钠含量的目的，降低了运行成本，为创造了良好的经济和社会效益。

图2 拜耳流程碳酸钠含量及碱循环效率变化趋势

［1］ 毕诗文.铝土矿的拜耳法溶出［M］.北京：冶金工业出版社，1997.

［2］ 杨重愚.轻金属冶金学［M］.北京：冶金工业出版社，1991.

［3］ 毕诗文，于海燕，杨毅宏，等.拜耳法生产氧化铝（高等学校教学用书）［M］.北京：冶金工业出版社，2007.

［4］ 杨重愚.氧化铝生产工艺（修订版）［M］.北京：化学工业出版社，1993.