拜耳法氧化铝生产过程中粉尘治理技术的应用

2022-02-23张顺飞

大科技 2022年7期

张顺飞

（贵州华锦铝业有限公司，贵州贵阳 551405）

1 新时代下国家环保要求

随着我国“十四五”规划的实施，对工业生产提出了更高的环保要求，应以“推动绿色发展，促进人与自然和谐共生”为基本原则，通过尊重、顺应、保护自然，落实节能减排措施推动可持续发展。而基于当前经济社会的发展进步，铝制产品市场的规模不断扩大，相关生产过程尤其是氧化铝的生产随之增加，而且规模越来越大。在氧化铝生产过程中，会产生直径在10～300μm 的空气粉尘，呈固体微型颗粒状，对环境造成了污染，尤其对生产现场的环境造成了严重污染，尽管采取了防护措施，但是部分设备操作人员对粉尘的防护不当，导致长期与高浓度粉尘直接接触，容易诱发矽肺等职业病，危害人体健康。所以在氧化铝生产过程中，必须合理应用粉尘治理技术，有效防范粉尘扩散和传播，降低对职工以及生态的不利影响。

因此在新时代下，国家环保要求则是开展污染防治行动，改善环境质量。针对氧化铝生产过程中会产生大量粉尘污染，对环境造成严重负面影响的现状。必须落实生态保护观念，积极采取有效的治理技术，重点防控粉尘传播，保证生态环境质量。

2 拜耳法氧化铝生产工艺概述

2.1 生产流程分析

拜耳法起源于1887 年，是由奥地利化学家发明的一种针对优质铝土矿制取氧化铝的工艺技术。该工艺发展到现代阶段已经得到比较完善的改进和优化，可实现大型化和连续性操作、自动化生产、节省能源消耗等，适用于低硅铝土矿、三水铝石型铝土矿等生产处理活动。该工艺相比其他技术具有流程简单、作业操作便捷等优势，并且制取获得的氧化铝产品质量相对较高，经济效益显著。在开展氧化铝制取生产工艺时，应用拜耳法主要有以下工序流程。

（1）对进厂后的铝矿石进行破碎、均化以及贮存。破碎时保障铝矿石的粒度不超过15mm，促使其化学成分能够比较均匀地向湿磨供料。然后对铝矿石进一步磨细，并实施铝矿石、石灰、循环碱液三组分配料，确保获得产品原矿浆能够满足下道工序的操作要求。这一阶段主要控制指标为石灰加入量约为干铝矿石量的7%，循环碱液配入量应为溶出液苛化系数的1.4 倍，对铝矿石的磨细度控制在-315μm100%、-63μm70%～75%。

（2）高压溶出是拜耳法制取氧化铝产品的关键步骤，通常是将原矿浆输送到套管预热器中，借助二次蒸汽设备将其进行预热，控制温度在160～180℃，然后在预热压煮器中开展二次蒸汽间接加热和机械搅拌，提升矿浆温度达到220℃。并用6.0MPa 新蒸汽间接加热，促使达到溶出温度260℃。停留30～40min 后完成全部间接加热，溶出率可达95%以上。

（3）对矿浆实施降温和减压、稀释降温后，对常压下的赤泥进行分离和洗涤。应用深锥沉降槽的溢流作用，将过滤后所获得的精制液送到种子分解，此时底流呈固体残渣状，经过4～5 次沉降和反向洗涤后，能够回收附液中的碱，然后运输到堆场贮存。为保证赤泥沉降分离洗涤工艺的有效性，应当保证物料温度不低于95℃、分离沉降槽内的底流固体质量分数需大于41%且溢流中悬浮物含量小于200mg/L。

（4）种子分解即在铝酸钠溶液中加入适当的细氢氧化铝，在降低温度以及长时间搅拌后，自行分解并析出固体氢氧化铝、液体苛性碱等。实践操作中需保证分解初始温度在70℃、终了温度为45℃，控制分解时间55～60h。

（5）通过种子分解后，可获得氢氧化铝与苛性碱液混合物，在开展分级过滤和分离后，获得细氢氧化铝及产品氢氧化铝、苛性碱溶液等。针对产品氢氧化铝实施洗涤并进行焙烧，苛性碱溶液则送往蒸发站实施相应处理。

（6）开展焙烧将氢氧化铝的附着水、结合水进行脱除，经过分解反应可形成氧化铝。在对其实施晶型转变，促使生成带有一定物理和化学性质的氧化铝产品。

2.2 生产影响

虽然拜耳法对氧化铝的制取具有较为明显的优势，但在实际操作中，仍存在比较突出的问题。该工艺在生产过程中产生大量的粉尘，对周边环境以及操作人员会造成极大的危害。例如，在矿石系统的输送和破碎、制备取用过程中，主要有运输、卸矿、喂矿、破碎、均化堆存、输送转运等环节，这些环节由于遮盖防护措施不严密，会导致大量的扬尘，而较为严重的主要是卸料点、皮带输送转接点等，这些扬尘很容易导致人体呼吸道吸入，造成严重的职业病。石灰系统的输送和破碎、制备取用过程中，主要有卸灰、喂灰、破碎和输送转运等环节，尤其是露天储存风化后的石灰在喂灰过程中扬尘更为严重，这些扬尘不仅对操作人员身体健康产生威胁，还会扩散到空气中，在风的作用下污染周边自然环境[1]。

3 氧化铝生产过程中粉尘治理技术应用

3.1 常见粉尘除尘方法

从气体中除去或收集固态或液态粒子的设备称为除尘装置，可分为湿式除尘装置和干式除尘装置，按分离原理分类可分成重力除尘装置、惯性力除尘装置、离心力除尘装置、洗涤式除尘装置、过滤式除尘装置、电除尘装置、声波除尘装置等。每个大类中又包含多种除尘方法，因此总体来说粉尘的治理技术较为丰富。但介于氧化铝生产的特殊性，本文重点介绍布袋除尘器、旋风除尘器、电收尘、电袋收尘及微动力除尘等，具体如下。

3.1.1 布袋除尘器

布袋除尘器主要构成部分包括高压风机、过滤布袋、进风管、风道、集尘抽以及电路装置等。在工作状态下，粉尘气体会经由风管进入到布袋中，粉尘粒会在惯性或者自然沉降等作用下，落入到下方滤袋，通过过滤尘粒可被滞留在滤袋的外侧，经过净化的气体则由滤袋内部进入上箱体中，最后从排风口排出，有效实现除尘目的。铝土矿破碎环节可设置袋式除尘器，利用其具有的过滤和吸附净化功能，对粉尘进行有效处理，能够顺利捕集1μm以上的粉尘颗粒，减少工人与粉尘的直接接触，有利于改善劳动条件，高效控制粉尘扩散范围，保证周边环境健康发展[2]。

袋式除尘器除尘效率的影响因素有：粉尘负荷、过滤速度。过滤速度是一个重要的技术经济指标，一般来讲，除尘效率随过滤速度增加而下降，过滤速度的选取还与滤料种类和清灰方式有关。丹尼斯（Dennis）和克莱姆（Klemm）提出了一系列方程，以预测袋式除尘器的粉尘出口浓度。

式中：C2——粉尘出口浓度，g/m3；Pns——无量纲常数；v——表面过滤速度，m/s；C1——粉尘入口浓度，g/m3；CR——脱落浓度（常数），g/m3；W——粉尘负荷，g/m2。

清灰是袋式除尘器运行中十分重要的一环，多数袋式除尘器是按清灰方命名和分类的，常用的清灰方式有3 种：机械振动式、逆气流清灰、脉冲喷吹清灰。

机械振动袋式除尘器的过滤风速一般取1.0～2.0m/min，压力损失为800～1200Pa，此类型袋式除尘器的优点是工作性能稳定，清灰效果较好，缺点是滤袋常受机械力作用，损坏较快，滤袋检修与更换工作量大。逆气流清灰过滤风速一般为0.5～2.0m/min，压力损失控制范围1000～1500Pa，这种清灰方式的除尘器结构简单，清灰效果好，滤袋磨损少，特别适用于粉尘粘性小，玻璃纤维滤袋的情况。脉冲喷吹清灰，利用4～7atm 的压缩空气反吹，压缩空气的脉冲产生冲击波，使滤袋振动，粉尘层脱落，必须选择适当压力的压缩空气和适当的脉冲持续时间（通常为0.1～0.2s），全部滤袋完成一个清灰循环的时间称为脉冲周期，通常为60s。脉冲喷吹清灰实现了全自动清灰，净化效率达99%，过滤负荷较高，滤袋磨损轻，运行安全可靠。脉冲喷吹耗用压缩空气量可以通过公式计算。

3.1.2 旋风除尘器

旋风除尘器是由进气管、筒体、锥体和排气管等组成，气流沿外壁由上向下旋转运动（外涡旋），少量气体沿径向运动到中心区域，旋转气流在锥体底部转而向上沿轴心旋转（内涡旋），气流作涡旋运动时，尘粒在离心力作用下逐步移向外壁，达到外壁的尘粒在气流和重力共同作用下沿壁面落入灰斗。影响旋风除尘器效率的因素有：二次效应、比例尺寸、烟尘的物理性质和操作变量。例如二次效应即被捕集的粒子重新进入气流，在较小粒径区间内，理应逸出的粒子由于聚集或被较大尘粒撞向壁面而脱离气流获得捕集，实际效率高于理论效率。在较大粒径区间，粒子被反弹回气流或沉积的尘粒被重新吹起，实际效率低于理论效率。通过环状雾化器将水喷淋在旋风除尘器内壁上，能有效地控制二次效应。

此外，除尘器下部的严密性也是影响除尘效率的一个重要因素。如果除尘器下部不严密，漏入外部空气，会把正在落入灰斗的粉尘重新带走，使除尘效率显著下降。因此，在不漏风的情况下进行正常排灰是旋风除尘器运行中必须重视的问题，如表1所示。

表1 旋风除尘器尺寸变化对性能的影响

3.1.3 电收尘

电收尘是通过电场作用实现对气体含尘进行捕集的方法，其一般是由电晕极、沉淀极、振打装置和气体均布装置、排灰装置等组成。是利用高压直流电源形成的电场促使气体发生电离碰撞，产生大量的正负离子，大部分粉尘可与负离子相撞而带上负电，通过集尘极将粉尘吸附在灰斗中，经过振打可将粉尘落入到卸灰装置中。

该方法具有运行可靠、维护简单、收尘率高等优势，适用于微细粉尘的收集。主要优点有：压力损失小，一般为200～500Pa，处理烟气量大，可达105～106m3/h；能耗低，0.2～0.4kWh/1000m3；对细粉尘有很高的捕集效率，可高于99%，可在高温或强腐蚀性气体下操作。但其常见故障较多，维护管理工作量大。

3.1.4 电袋收尘

电袋收尘即是将电除尘与袋式除尘进行结合，形成一种新型的高效复合式除尘器。工作原理是含尘烟气在进口位置气流分布板的作用下，均匀进入收尘电场中，通过在电场中荷电，截留大部分粉尘。并向收尘极沉积，振打收尘极后，粉尘可掉落到下部灰斗，再进入袋收尘区。该方法具有结构简单、运行维护便捷的优势，但其运行费用较高，滤袋的寿命较短，应合理选择应用场景。

3.1.5 微动力收尘

微动力收尘器主要是利用气流运动所产生的动力，实现正负压交替循环。在运行过程中可将产生的冲击粉尘等在多功能消尘装置中得到充分释放。通过利用气体压力并加速循环桩基，可有效抑制、缓解和撞落含尘气体，将粉尘捕集到脉冲负压吸尘器内。该方法具有自动化程度高、环保、占用空间小、成本低等优势。但在维护管理时，对技术要求较高。

3.2 矿石粉尘、石灰粉尘除尘方法

矿石以及石灰粉尘是工业生产中常见的粉尘类型，对环境会产生较大的污染影响，而且对工作人员的身体健康也会造成严重损伤，长期会出现尘肺等疾病。因此针对矿石粉尘以及石灰粉尘需要采取有效的除尘方法，而根据其粉尘产生特性以及扩散特点，主要选用袋式除尘器。选择不易粘糊的光面除尘布袋，如涤纶针刺毡除尘器布袋等，并合理利用吸尘罩控制尘源，避免出现粉尘外逸。基于袋式除尘所收集的粉尘，部分可进行回收利用，减少对环境的污染。

3.3 氧化铝粉尘除尘新方法

电袋除尘器是一种新式的复合型除尘设备，其将电除尘与布袋除尘进行串联，能够提高收尘效率。是现阶段氧化铝粉尘除尘的主要方法之一，其优势是可承受不同特性粉尘、过滤效率高。不过其运行费用较高、滤袋的寿命较短，耐高温问题还需要进一步解决。通常情况下可在氧化铝生产系统的物料加工、输送环节，针对无组织发散性粉尘进行收尘，通过在各个散尘点加强密闭措施，分别设置集尘罩和机械抽风装置，并布置高效布袋除尘器，可达到99%以上的除尘效率，经检测，排气中的含尘浓度可降低到规定的限值范围内。

3.4 氧化铝除尘方法选择

除尘器选用需要考虑多种因素，如处理含尘气流的风量、压力损失、除尘效率、费用、占地空间、运行维护管理、粉尘的化学成分、密度、粒径分布、腐蚀性、亲水性、比电阻等。而除尘器又包括干式和湿式两大类，其中湿式除尘器包括冲击式除尘器、喷淋塔、泡沫除尘器、水膜除尘器等。其一般是通过将气体与液体的密切基础，利用水滴与颗粒的惯性碰撞，实现颗粒增大或捕集。通常用于处理高温含尘烟气，对于氧化铝干燥粉尘的除尘效果较差。因此在氧化铝除尘方案中，主要是利用干法除尘器，具有使用范围广、集中处理和综合利用排出干粉等优势。在氧化铝生产过程中，应用干式除尘器主要是应用旋风分离器，利用离心力将粉尘外旋流转到除尘器下部，再由排尘孔排出。适用于5～10μm 的干燥粉尘收集，在氧化铝破碎环节具有较好的适用性。同时干法除尘器中的布袋除尘能够在机械振动的作用下，捕获0.1μm 的粉尘，对于干颗粒物的捕集和综合利用具有较好成果。此外，可选择静电除尘器，其是借助高压直流电源的阴极线与接地阳极线形成高压电场，通过放电吸附粉尘颗粒，净化效率较高，并可实现自动化控制，在氧化铝自动化生产操作中具有较高的应用价值。

4 氧化铝生产过程中的粉尘治理操作建议

4.1 严格把控氧化铝装卸流程粉尘治理措施

在氧化铝生产过程中产生粉尘量最大的环节是干法破矿工艺和装卸流程，如未采取有效控制措施，则会出现大量扬尘，对环境产生影响较为严重。因此在实践中，相关人员应当针对氧化铝的粉末特性进行了解，其密度一般为3970kg/m3，粉尘颗粒物大小约在0.1～0.5μm 之间，由此相关人员可采取布袋除尘器。由于袋式除尘器可捕集最小0.1μm、最大0.5μm 的细小粉尘，适用氧化铝粉尘回收，除尘效率达到99%。通过借助袋式除尘器能够控制粉尘的飞扬效果，即在产尘区的除尘系统中设置吸尘罩，利用风机为吸尘罩口提供足够的吸气速度，保证氧化铝装卸过程中顺利捕集粉尘，再经过除尘器设备进行净化处理，有利于解决粉尘问题。因此相关人员应当合理设计吸尘罩，结合粉尘流动情况，安装在粉尘源的上方或者侧面，在运动力的作用下提高吸尘效率。比如在氧化铝粉装卸灌包时，抓斗可将铝粉卸入到漏斗中，促使其获得向上的动能，将吸尘罩设置在侧上方，能够形成侧吸风速，控制粉尘向外扩散。

4.2 氧化铝生产流程采取有效粉尘治理措施

为把握粉尘治理，应从全过程角度出发，消除“跑、冒、滴、漏”等情况，尽可能降低粉尘排放浓度。例如在生产过程中可对收尘机的喷吹装置以及收尘电机运行状况进行检查，并适当改造设备，增强防尘收尘效果。又如在下料口位置增加风洞溜槽，利用压缩空气来控制粉尘的下料速度和数量，同时利用风洞溜槽解决垂直下料产生粉尘散落的情况。另外应当在输送环节更换除尘器型号，采用7 台脉冲除尘器，减小吸尘空间、提高除尘效率。

4.3 采用通风配合设备降尘

采用环境治理技术，可结合实际情况制定有效的粉尘治理技术方案，如水雾降尘、隔离膜降尘等，明确具体措施，并落实责任，实现高效降尘的安全环保目标。在实际生产环节主要的应用方法，则是在生产车间内部营造良好的通风条件，并避免空气过于干燥，实现有效防护。对于不易通风的工作环境，如进入槽罐开展生产作业，可适当增加临时通风机进行通风，并在生产前30min 实施氧含量测试，确保工作人员的舒适性。

4.4 强化氧化铝生产过程的防尘培训

由于氧化铝生产中的粉尘危害程度较大，尤其是在生产作业区内，受设备运作以及材料加工扬尘等影响，经常在卸料区、堆放区等人员活动频繁的地方出现粉尘。为有效消除粉尘影响，相关企业要提高重视程度，注重强化人员培训，掌握防尘收尘技术要点，有效落实相关技术方案。如可向工作人员宣传粉尘危害短视频、知识手册等，引导其养成良好的卫生习惯，在下班后立即脱下粉尘防护服，定期清理口鼻卫生，每天更换防尘口罩等。