分离沉降槽高效化改进及应用.pdf

某公司氧化铝生产工艺采用拜耳法工艺，设计产能 140 万 t/a，采用深锥高效沉降槽，其特点是设备规格小但产能高，一台 准16 m 槽相当于准40 m 的普通沉降槽；底流固含高，溢流浮游物少；洗涤效率高，末次附损低；液固分离快，停留时间短，氧化铝水解损失少。但随着铝土矿品味的残次不齐，溶出赤泥量增大，使得赤泥沉降分离任务加重，分离槽逐渐出现跑混、技术指标恶化等情况，导致分离槽产能越来越低，无法高效运行。本文通过研究现有分离沉降槽的技术及设备1、拜耳法赤泥的相关特性2，提出一种提高分离沉降槽产能的改进方式。1生产现状1.1工艺及设备状况拜耳法氧化铝生产过程中，溶出后矿浆经过稀释后进入到分离沉降槽，在沉降槽内实现液固分离，制得质量合格的粗液以及高固含的底流。采用的分离沉降槽为 准16 伊 18 m（有效高度为18m）的单层悬挂式中心传动深锥高效沉降槽3，如图 1 所示。该沉降槽的工作过程是：稀释矿浆通过进料管进入中心进料桶内，同时加入絮凝剂进行混合，将细小的赤泥颗粒进行絮凝增大，在重力作用下*收稿日期：2023-06-05作者简介：谢强业（1989-），男，云南砚山人，工程师，主要从事氧化铝研究工作。Apr.2024Vol.53.No.2（Sum 305）2024 年 4 月第 53 卷第 2 期（总第 305 期）云南冶金YUNNAN METALLURGY分离沉降槽高效化改进及应用*谢强业，李小波，范超，李何，何清（云南文山铝业有限公司，云南 文山 663000）摘要：介绍了一种高效提升分离沉降槽产能的方式，通过对分离沉降槽的槽体外部、内部的进料流程以及絮凝剂添加点的工艺优化，将分离槽产能提升约 85%，清液层高度维持在 9 m 以上，粗液浮游物能够稳定控制在0.4 g/L 以下，解决了分离沉降槽跑混的问题，提高了企业对低品位矿石的处理能力。同时 5 台分离沉降槽减少至3 台，降低成本约 20 万元/a。关键词：氧化铝；分离沉降槽；产能中图分类号：TF351.5+1文献标识码：A文章编号：1006-0308（2024）02-0135-04High Efficient Improvement and Application of Separation and Sedimentation TankXIE Qiang-ye,LI Xiao-bo,FAN Chao,LI He,HE Qing(Yunnan Wenshan Aluminum Co.,Ltd.,Wenshan,Yunnan 663000,China)ABSTRACT：It introduced a kind of method for highly efficient improvement yield of separation and sedimentation tank,theprocess operation of the internal and external feeding flow of separation and sedimentation tank,of flocculant addition point was done,therefore,the yield of separation tank was increased by 85%,the height of supernatant layer was kept over 9 m,the floating substance ofcrude solution can be stabled below 0.4 g/L,then the mixing problems of separation and sedimentation tank were solved,the treatmentcapacity of low-grade ore was increased too.Simultaneously,5 separation and sedimentation tanks were decreased to 3 tanks,the cost wasdecreased by about 预200,000 yuan per year.KEY WORDS：alumina;separation and sedimentation tank;yield135Apr.2024Vol.53.No.2（Sum 305）2024 年 4 月第 53 卷第 2 期（总第 305 期）云南冶金YUNNAN METALLURGY传统系统入孔排料筒入孔耙机搅拌轴冒槽管支架进料箱溢流管平衡管进料管桥架图 1深锥型沉降槽结构简图Fig.1The structure simple diagram of deep conesedimentation tank快速沉入底部，清液则延径向逐渐通过进料桶底部向周边溢出，通过溢流管进入下一道工序。该沉降槽的结构及工作特点是：淤有二次稀释装置，通过文丘里装置，物料在管内得到稀释并与絮凝剂混合，进入中心进料桶后料浆得到进一步稀释，快速进行液固分离；于有专门的絮凝剂添加系统，通过“三点加入”的方式，使料浆在进料管和沉降槽内与絮凝剂充分接触并混合均匀，使细小的赤泥颗粒相互聚集便于沉降；盂有耙机系统，由特殊的驱动装置控制，能够承受较大扭力，该耙机可将锥面上沉积的高密度赤泥向底部出料桶耙泥，可起到推挤压缩赤泥的作用；榆槽底具有大锥角的底面结构，能够产生较大的重力压缩效果，因此能够得到较低液固比的底流；虞具有测量及控制系统，自动化程度较高。1.2存在的问题1.2.1分离沉降槽产能低一期分离沉降槽是按照年产 80 万 t 氧化铝设计的，分离槽选型及设计依据浓度低，设备运转率低（备用槽子较多），长期使用 4 个分离槽，单台分离沉降槽进料量最高只能达到 600 m3/h。随着该公司氧化铝生产的快速发展，多台分离槽同时运行已不符合实际生产要求，其导致的能耗高、氧化铝水解严重等问题也成为了制约高效发展的瓶颈，亟需解决。1.2.2指标难操控赤泥的沉降性能差，槽子易跑混，粗液浮游物波动大；随着管道化运行日趋平稳，赤泥细化导致该问题愈加严重。分离沉降槽由于进料量增大后跑混，底流液固比波动大；目前最优液固比可做到 1.45 以下，但此种情况大大限制了沉降槽产能，进料量跃650 m3/h则分离沉降槽极易跑混，产能受到极大限制。1.2.3洗涤效率低由于分离沉降槽产能低，导致底流液固比控制不稳定，附液量大，加重了洗涤槽的负担。洗涤效率低，末次附损增加，成本上升。2技术改造的理论依据2.1沉降机理沉降槽的产能及其溢流量可表示为：Q=F伊V（1）式中：Q 为沉降槽的溢流量，m3/h；F 为沉降面积，m2；V 为沉降速度，m/h。根据（1）式可知，沉降槽的产能与沉降面积及沉降速度成正比关系，而沉降面积的大小已经固定，只能通过提高沉降速度来实现分离沉降槽的提产目标。溶出矿浆经稀释后进入沉降槽，其固体颗粒的匀速沉降运动符合斯托克斯定律：Ut=gdp2（籽p-籽）18 滋（2）式中：Ut为匀速沉降速度，m/s；g 为重量加速度，9.8 m/s；dp为固体颗粒直径，m；籽p为固体颗粒密度，kg/m2；籽 为流体介质密度，kg/m2；滋为流体介质的粘度系数，N s/m2。根据（2）式可知，赤泥颗粒的沉降速度与固体颗粒的直径 dp、固体颗粒的密度 籽p、流体介质的密度 籽、流体介质的粘度系数 滋 有关。因此，可通过优化以上几个参数来提高沉降速度。2.1.1提高固体颗粒的直径 dp提高赤泥颗粒的直径是一种较为常见的调整方法。但是从溶出段提高赤泥颗粒的直径 dp是有限度的，过高的颗粒导致溶出效率降低，且容易导致管道堵塞，不利于生产。通过合理的絮凝剂调整，提高絮凝剂的凝聚136效果，使赤泥颗粒形成较大絮团而加快沉降速度4。2.1.2降低流体介质的密度 籽p降低稀释浆液的密度，其粘度 滋 也会相应降低，沉降速度相应提高。但在降低料浆密度的同时，其浓度、温度都会相应降低，这将导致分离槽温度降低，氧化铝水解增加；同时低浓度的料浆意味着液量将会增大，这会导致系统运行效率降低。3高效化改进3.1高效化改进方向根据实际生产考虑，初步认为分离沉降槽提高产能目前最优方式为提高赤泥颗粒凝集效果，以提高固体颗粒的直径 dp的方式提高沉降速度，从而达到分离沉降槽提产的目的。在氧化铝生产中，赤泥具有很大的分散度，大部分粒径在 520 滋m 之间，而且有一部分是接近胶体的微粒5。赤泥粒子由于表面具有较大的剩余价力、分子力和氢键作用，导致赤泥难以聚集形成较大的颗粒团而沉降。而高分子絮凝剂可以通过吸附架桥、电荷中和等作用引起赤泥颗粒的有效凝聚，形成较大颗粒的絮团从而加速沉降。但絮凝剂形成的絮团并不稳定，在流速较大的物料冲刷过程中，由于流体介质拥有较大的剪应力，又会导致絮团破裂，使沉降速度降低；同时，物料流速过快，还容易带入气体，导致进料桶内产生气泡，形成附着赤泥颗粒的泡沫，致使沉降槽混槽。从经济及技术角度来看，认为对进料系统、絮凝剂添加系统进行高效化改进，从而提高絮凝剂的凝聚效果，加快赤泥颗粒的快速沉降，是提高分离沉降槽产能比较快速、成本较低的一种办法。3.2槽体外部进料管优化加大沉降分离槽外部进料管尺寸，降低物料流速，使物料进入沉降槽趋于平稳，在中心进料桶内无激烈的湍流，使赤泥颗粒形成稳定絮团并快速沉降，减少因流体剪应力导致的絮凝剂失效。现有沉降槽外部进料管采用的是一根 DN300的进料管，当进料量达到 600 m3/h 时，流速可达到 2.36 m/s，该进料与中心进料桶内物料形成较大速度差，导致各流层间的相对运动产生了粘性切应力；同时由于湍流质点存在脉动6，导致相邻流层之间存在质量交换，中心进料桶内低速流层的质点由于横向的运动进入高速流层，对高速流层起到阻碍作用，反之高速流层的质点进入低速流层，对低速流层起到推进作用。也就是质量交换转换为动量交换，从而在流层的分界面产生了湍流切应力。由于这两种剪应力的存在，导致絮凝剂与赤泥颗粒在成团过程中受阻，亦或是将已经成型的赤泥絮团破坏、导致沉降速度降低。同时，在激烈的湍流过程中，物料还夹杂着部分气体，带入的气体形成泡沫，泡沫表面同时附着大量细小的赤泥颗粒，随着湍流现象的不断进行，泡沫将不断积累不断破裂，最终翻出中心进料桶影响沉降槽上层清液，导致清液层跑混。通过将外部进料管管径由 DN300 改为 DN600，当进料量达到 1 000 m3/h 时，经计算此时进料流速仅为 0.98 m/s，此时高低速流层之间的剪应力将会大大减少，絮凝剂对赤泥颗粒的絮团效率大幅提升，沉降速度加快；同时湍流现象也得到进一步减轻，泡沫减少，有利于沉降槽内清液层的稳定，这对沉降槽的产能提升也是至关重要的。3.3槽体内部进料管优化将槽体内部进料管改造为一个流槽装置，溜槽大小根据进料量初步设定为宽 1.5 m，高 2.5 m的方形溜槽，上部为开放式。该溜槽将连接外部进料管至中心进料桶，并在槽顶开设天窗。此种设计用于释放料浆中的空气以及部分蒸汽，同时继续降低物料进入中心进料桶的流速，减少中心进料桶内湍流的发生。现有沉降槽内部进料管设有文丘里装置，其主要目的是为了降低进料固含，提高液固分离效率。但在实际生产过程中，文丘里管要达到稀释矿浆的目的，必须保证物料达到一定流速，流体的动能和势能才能相互转换。现通过外部进料管的改造，内部文丘里装置已不适合本次改造后的生产情况，所以将现有文丘里流程改造为溜槽，其目的是通过降低进料流速，稳定物料状态，提高液固分离效果。同时为了降低进料固含，优化沉降槽运行条件，在溜槽内部安装了二次稀释装置，该装置通过提料泵使稀释矿浆固含调整至合谢强业，等：分离沉降槽高效化改进及应用137Apr.2024Vol.53.No.2（Sum 305）2024 年 4 月第 53 卷第 2 期（总第 305 期）云南冶金YUNNAN METALLURGY表 1工业试验期间数据对照表Tab.1The comparison of data from industrial experiment浮游物/（g/L）清液层/m1.450.520.26410序号进料量/（m3/h）赤泥量/（t/h）底流/（L/s）26501 000621021.45改造后改造前改造后改造前改造后改造前改造后改造前改造后改造前160090060951.521.350.320.28791.480.480.2761036201 100641151.4466101 160641151.431.520.350.356976201 200631171.421.430.510.3651086161 200631211.471.450.430.3261046101 100631181.531.480.380.3161056001 150621201.481.440.420.40511适范围并温和地进入中心进料桶内，得到较低固含的稀释矿浆，有利于清液的向上运动，固体可以向下运动并沉积于底部。3.4絮凝剂添加方式优化在氧化铝行业内，通过向沉降槽添加高分子絮凝剂7来促进液固分离是比较通用方式。国外将合成絮凝剂应用于赤泥沉降分离过程是从 1968 年开始8，国内从 80 年代后开始逐步使用。随着合成絮凝剂分子量由最初的几十万元提高到目前的100 万元以上，絮凝剂的制备工艺已经基本成熟，各生产厂家的差异性已经很小。所以，对生产流程上的优化，如添加点、添加量、配比浓度等，更能决定其使用效果。此次改进以优化絮凝剂的添加点为主，将絮凝剂添加点调整为进料管、中心进料桶及上层清液面下 0.5 m 位置的“三点”加入方式，可进一步提高絮凝剂与物料的混合程度，保证絮凝剂的有效性，快速地实现赤泥的沉降分离。目前分离沉降槽清液层的浮游物可达到 0.35 g/L 以下，清液层高度可维持在 8 m 以上，同时能够有效避免因沉降槽起泡沫导致的混槽现象。4实施效果高效化改进后的 1#分离沉降槽，在沉降工序进行了赤泥分离工业试验；工业试验期间，产能和产品质量情况见表 1。从表 1 可以看出，改造后的分离沉降槽产能提高约 85%，粗液浮游物约0.4 g/L，清液层高度跃9 m。5结 语通过本次改进，分离沉降槽的各项指标均得到了大幅优化：1）单台分离沉降槽进料量由 616 m3/h 提升至1 100 m3/h，赤泥处理量由 63 t干赤泥/h 提升至117 t 干赤泥/h，产能提升近 85%；2）溢流浮游物降低了 25.6%，清液层高度提高了 66.7%，运行更稳定；3）分离沉降槽投入运行的台数由 5 台减少至3 台，降低成本约 20 万元/a。参考文献：1 样重愚.氧化铝生产工艺学M.北京：冶金工业出版社，1993.2 王颖.新型沉降槽及赤泥沉降性能的研究D.沈阳：东北大学，2014.3 有色金属冶炼设备编委会.湿法冶炼设备M.北京：冶金工业出版社，1993.4 陈巧英，午新威，李彩贞.拜耳法赤泥沉降分离系统絮凝剂的选型研究J.甘肃冶金，2004，26（1）：45-47.5 柳健康.高效沉降槽的应用与研究J.轻金属，1991（8）：17.6 刘建军，张宝华.流体力学M.北京：北京大学出版社，2006：82-84.7 张琨瑜.高分之絮凝剂作用下的拜尔法赤泥沉降行为研究D.长沙：中南大学，2008.8 张玉敏，刘桂华.赤泥分离中的絮凝剂J.轻金属，2002（4）：10.138