大型沉降槽浮游物控制研究及应用.pdf

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沉降槽是依据固体颗粒的密度较液体大，固体颗粒由于重力作用而从悬浮介质（液体）中沉降下来的原理进行沉降分离的设备。在氧化铝生产中，沉降槽主要应用于沉降工序中赤泥沉降分离，利用沉降槽的重力沉降作用，将溶出料浆进行液固分离，清液层将精液进行精液精制，底流经过多次反向洗涤将赤泥送到赤泥大坝。该工序最直接的生产指标是外排赤泥的附损，一般以每吨赤泥带入赤泥堆场的 Na2O 量为考核标准1。在氧化铝两段法分解生产工艺中，沉降槽应用于细颗粒 Al（OH）3晶种的分离，以提高晶种活性。主要工艺是将域段分解后的浆液进行旋流分级，分解末槽的浆液进入槽顶种子旋流器进行分级，底流自压至粗晶种立式圆盘过滤机过滤，滤饼作为粗种子；溢流进入细种子沉降槽进一步浓缩，沉降槽底流经细种子立式圆盘过滤机过滤后作为细晶种。但此工艺比较复杂，且对晶种活性改善效果不明显，于是将两段法分解工艺改为一段法，沉降槽不再作为细晶种分离设备。根据实际生产工艺需要，为降低分解工序母液中的浮游物，将直径 40 m 的沉降槽就改为用于降低分解工序浮游物的沉降槽2。但直径 40 m 大型沉降槽投用后，分解工序两个问题仍然较为突出：淤浮游物仍然偏高，虽由原来的 5 g/L 降低到 3g/L，但未达到工艺要求的 1 g/L；于沉降槽运行不稳定，经常出现沉降槽底流物料出料不正常，沉*收稿日期：2023-06-05作者简介：李俊福（1983-），男，青海湟中人，高级工程师，主要从事氧化铝生产技术管理工作。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大型沉降槽浮游物控制研究及应用*李俊福，杨成龙，张云峰，杨敬，赵粉（云南文山铝业有限公司，云南 文山 663000）摘要：针对拜耳法生产中大型沉降槽在分解工序上存在浮游物偏高的问题，投用了两台沉降槽，采取了进料出料方式改造、增加物料沉降时间、降低沉降槽耙机控制扭矩等措施，将分解工序浮游物由原来的 5 g/L 降低至 1 g/L 以下，回收氢氧化铝产生经济效益 260 万元/a。关键词：拜耳法；氧化铝；大型沉降槽；分解工序；浮游物；沉降效果中图分类号：TF351.5+1文献标识码：A文章编号：1006-0308（2024）02-0192-05Study and Application of Floating Substance Control in Large Settling TankLI Jun-fu,YANG Cheng-long,ZHANG Yun-feng,YANG Jing,ZHAO Fen(Yunnan Wenshan Aluminum Co.,Ltd.,Wenshan,Yunnan 663000,China)ABSTRACT：The decomposition working procedure of the large settling tank by Bayer process production has a high floatingsubstance content,so the following measures were taken,such as two sets of settling tanks were put into operation,the feeding anddischarging ways were transformed,the settling time of materials were increased,the raker control torque of the settling tank wasdecreased,and so on,then the floating substances in decomposition working procedure was decreased from 5 g/L to below 1 g/L,theeconomic benefit of recovery of aluminum hydroxide is 预2.6 million yuan per year.KEY WORDS：Bayer porcess;alumina;large settling tank;decomposition working procedure;floating substance;sedimentationresults192降槽耙机扭矩升高导致耙跳停沉槽，造成液量波动，影响生产。本次研究的目标是应用直径 40 m 大型沉降槽，根据氧化铝生产工艺需求，将分解工序浮游物控制在 1 g/L 以下并保持沉降槽生产运行稳定。1浮游物在拜耳法生产中的危害1.1影响循环效率浮游物的主要成份为细粒子 Al（OH）3，在经立式圆盘过滤机过滤时，透过滤布或其他缝隙进入分解母液。分解母液在经过板式换热器升温后，由 4550 益升至 7585 益，这一过程见（1）式：Al（OH）3+NaOH+aq葑NaAl（OH）4+aq（1）Al（OH）3细粒子会返溶入铝酸钠溶液中，使溶液中的氧化铝含量增加，造成蒸发原液苛性比值降低。而蒸发是高温浓缩的过程，氧化铝的溶出率随温度、碱度的升高而增大。蒸发原液中残留的浮游物在这一过程中，进一步返溶入酸钠溶溶液，进而使循环碱液苛性比值降低，导致溶出循环效率降低。1.2设备及流程管道严重结疤分解工序中的浮游物极易沉淀，会造成分解区域的槽体、管道、阀门、考克严重结疤。当用水清理时，会使大量污水进入生产流程，增加下一道工序蒸发器负担。由于细粒子 Al（OH）3增加，会造成精液板式换热器母液相堵塞，造成精液板式打垫子，影响液量通过。同时，浮游物还会使铝酸钠溶液粘度增大，在蒸发过程中增加蒸发器汽耗3。综上，如何降低分解工序浮游物成为迫在眉睫的问题，将沉降槽投用研究进一步降低浮游物。2沉降槽原理及结构2.1沉降槽原理连续性重力沉降槽，适宜处理固液相密度差比较大、固体含量不太高而处理量比较大的悬浮液，但无法将液体中的固体微粒完全分离干净。料浆于沉降槽中心液面下连续加入，然后在整个沉降槽横截面上散开，液体向上流动，清液由四周溢出，固体颗粒在槽内逐渐沉降至底部。槽内底部设有缓慢旋转的耙齿，将沉渣慢慢移至中心底流箱（底流口周围），从底部出口管经底流泵连续排出4。颗粒在沉降槽中的沉降大致可分为两个阶段。在加料口以下一段距离内，颗粒浓度很低，颗粒大致作自由沉降。在沉降槽下部，颗粒浓度逐渐增大，颗粒大致作干扰沉降，沉降速度很慢，沉降槽清液产率取决于沉降槽的直径。2.2沉降槽的结构沉降分为重力沉降和离心沉降。氧化铝生产中的沉降大多采用较经济的重力沉降，重力沉降最适宜处理固液相密度相差比较大、固体含量不太高、处理量较大的悬浮液，但无法将液体中的固体微颗粒完全分离干净。沉降槽按其结构可分为：锥底型沉降槽、平底型沉降槽、深锥型沉降槽；按工作方式可分为：间歇式沉降槽和连续沉降槽；按用途可分为：赤泥分离沉降槽、洗涤沉降槽、氧化铝分离沉降槽等。分解工序的 2 台直径 40 m 的大型锥底沉降槽。规格为 准40 伊 5 m，设计进料量为 886 m3/h。每台沉降槽主要由电机、耙机转动及驱动装置、中心柱、槽体、工作桥架、进料筒、底流箱、溢流井、进料管、人孔、排气管等组成。结构如图 1所示。驱动装置是由德国道尔进口，通过错环安装在槽内具有特别基础的中心柱上，驱动机构包括具有壳体的减速箱，4 个小齿轮驱动，旋转轴环用螺栓同转盘连接，并同耙架轴连接。进料井直径6.8 m、高 2 m，装有内部挡板，一个进料嘴，在进料井内，将进料分为两个相对切线流动的流体。耙机是有 2 个单独的管臂结构，通过一个具有水平和垂直的销钉的双铰链，同时中心罐笼连接，耙臂上焊有一定布置方式的刮板，可以确保揽索机构的中心沉淀排出。3沉降槽运行影响因素分析3.1颗粒的沉降性质当固体颗粒浓度足够小且颗粒较细（并非呈胶体状态）时，颗粒在广阔的空间中独立沉降，此时颗粒除受重力、介质浮力和阻力作用外，不受其他因素影响，称为自由沉降5。李俊福，等：大型沉降槽浮游物控制研究及应用193Apr.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当悬浮液中的颗粒浓度增大后，体系逐渐转为浓相，即使颗粒仍处于分散悬浮状态（即所谓的散式系统），但颗粒间的干扰、器壁对颗粒运动的影响增加，而且单个颗粒下沉形成的尾涡亦将影响后续颗粒的沉降运动。这种情况下颗粒的沉降称为干涉沉降。由地球引力作用而发生的颗粒沉降过程，称为重力沉降。而对于由更小颗粒及黏度较高的溶液构成的悬浮液，仅靠絮凝技术仍难以达到固液分离的要求时，则需要引入离心力以增强固体颗粒的沉降推动力，即为离心沉降。3.2沉降槽的时间和温度由于重力沉降的沉降速度小，沉降时间在沉降过程中起着至关重要的作用，尤其是细小颗粒，所以在沉降时间相对较长的情况下越有利于沉降效果。温度越高，槽内浆液的粘度越小，固体颗粒在沉降的过程中所有的阻力也就越小，越有利于沉降。温度对沉降槽沉降效果的影响也很大，进入沉降槽的非正常用水如果温度较低，波动大，就会引起沉降槽槽内温度持续降低，一方面加速沉降槽铝酸钠溶液水解，造成氧化铝水解损失严重，降低氧化铝回收率。另一方面使氢氧化铝的沉降速度变慢，同时低温度会严重影响沉降槽的正常运行。4沉降槽运行控制措施4.1进料出料方式改造中心进料筒的作用为与外部清液层隔离，使混合物料能够直接进入沉降槽的沉降过滤带。内循环自稀释技术的特征是不改变溶液成分，不增加沉降槽的总进料量。稀释液利用沉降槽清液层内的清液，以降低沉降槽内下料筒的固含，从而使沉降速度和处理能力大幅度提高6。2018 年 4 月 25 日对 1#沉降槽进料方式进行改造。使将原来的两端平均进料改为同相逆流进料，如图 2。在相同进料方式下，尽量使干扰沉降速度比自由沉降速度小，随着液量的大小，出料浮游物有所升高或者降低，但两者变化不明显。如表 1 所示。改造前改造后进料进料旋转方向旋转方向图 2沉降槽中心筒进料方式改造图Fig.2Feed pattern renovation drawingof center tube of settling tank提升装置工作侨架进料箱进料箱转动立轴溢流口耙机转动装置图 1沉降槽结构示意图Fig.1Schematic diagram of settling tank structure1941#槽溢流堰2#槽溢流堰1.3931.6351.3221.6231.3621.529日期母液浮游物6月2.6227月2.5665月2.523表 1沉降槽进料方式的影响Tab.1Effert of feed pattern on settling tankg/L改造前改造后侧部溢流沉降槽溜槽沉降槽溜槽底部溢流图 3沉降槽溢流出料改造图Fig.3Overflow discharging pattern renovation drawing ofsettling tank1#沉降槽2#沉降槽1.0231.5331.1221.6051.1521.617日期进入沉降槽处理前浮游物11月2.59712月2.62510月2.613表 2沉降槽出料方式的影响Tab.2Effect of discharging pattern on settling tank g/L由表 1 可知，通过对两个沉降槽出料浮游物分析初见效果，1#比 2#平均降低 0.2 g/L，但仍未达到约1 g/L 的目标。出料改造：对 1#沉降槽溢流出料进行改造，将原来的底部溢流改为侧面溢流。如图 3。在相同的进料方式下，通过 3 个月的连续跟踪取样统计对比，如下表 2。从表 2 数据分析，沉降槽出料方式改造后的1#沉降槽浮游物比 2#低 0.5 g/L，说明出料改造效果明显。4.2增加物料沉降时间颗粒在静止的液体中下降时，下降速度是逐渐增加的。当下降速度增加到使颗粒由于下降而受到的阻力及颗粒受到的浮力和促使颗粒下降的重力相等时，颗粒即在此速度下匀速下降。此时颗粒的下降速度称为颗粒的沉降速度7。这种情况只是在单个颗粒较大、沉降的颗粒相距很远互不干扰时存在，称为自由沉降。但在实际沉降操作时，悬浮液中的固体颗粒浓度比较大，颗粒之间相距很近，沉降时相互干扰，这种沉降称为干扰沉降。分解工序处理液量 1 800 m3/h，而 1 台沉降槽总容量约 7 000 m3，生产通过液量只有 4 h 的沉降时间。投用沉降槽前分解工序浮游物为5 g/L，投用 1 台沉降槽后，浮游物降到 3 g/L，但仍然偏高。按照设计，两台沉降槽为并联一用一备。为增加沉降时间，经过现场流程改造，将两台沉降槽并联流程改为串联流程，同时投用 2 台细种子沉降槽，沉降时间延长 4 h，沉降效果改善明显，通过前后对比溢流浮游物降到 1 g/L 以下8。4.3降低沉降槽耙机控制扭矩沉降槽自投用后，根据厂家指导要求，沉降槽耙机运行扭矩控制在 30%35%，若超过控制值，必须通过底流泵将底部沉淀氢氧化铝固含外送至种子过滤溢流槽，峰值扭矩不得高于 80%；通过近 3 a 的生产运行发现按照厂家指导的沉降槽耙机扭矩控制，沉降槽易出现超负荷、沉槽、清理周期短等问题。经过长时间的数据摸索和试验，将沉降槽扭矩降低到 5%以下，并以此作为新的工艺纪律执行，沉降槽运行稳定，未出现因超负荷垮槽等情况。调整后，沉槽槽操作也随之调整，停止沉降槽底流泵打循环，减少进入沉降槽中心进料筒的流量，底流泵出料只能外送。出料时间由连续出料调整为间断出料，每班根据沉降槽扭矩情况，出料时间为 1 h。5应用效果5.1回收氢氧化铝的经济效益可观运行一年后，分解工序浮游物从 1.6 g/L 降到了 1 g/L 以下。计算出每立方工序母液中可回收氢氧化铝 0.6 kg，全年处理母液量为 1 108 万 m3，则每年可回收氢氧化铝 6 648 t，折氧化铝 4 345 t。回收氢氧化铝经济效益：4345 伊 600=260 万元。李俊福，等：大型沉降槽浮游物控制研究及应用195Apr.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（600 元/t 为除去原料及焙烧成本估计费用）5.2沉降槽降本增效明显沉降槽节能以及清理检修费用每年节约 62 万元：淤耙机运行稳定，未再出现超负荷情况，负荷降低也带来了电耗降低，每年预计节约电费 9.8万元；于沉降槽清理检修周期也由原来的 1 年延长至 2 年，每年减少清理费用 42 万元，检修及备件费 10 万元。沉降槽应用分解工序降低浮游物以来，不仅工况及生产工艺指标控制稳定，而且作业人员劳动强度大大降低，还降低成本，产生经济效益回收氢氧化铝每年可产生经济效益 260 万元，每年节能及减少检修清理费用降本 62 万元，合计 322万元。6结 语1）沉降槽生产运行更加稳定，生产效率提升。通过对沉降槽进出料流程改造、延长沉降时间、降低沉降槽工艺控制扭矩，使得沉降槽的稳定性得到进一步增强，大型沉降槽没有再出现因垮槽而造成生产不正常的问题；2）沉降槽降低浮游物效果明显。根据沉降槽影响因素制定了 40 m 大型沉降槽的操作规范、工艺控制纪律，以及合理的分配液量，使沉降溢流浮游物控制在 1 g/L 以下；3）降本增效可观。每年回收氢氧化铝产生的经济效益为 260 万元，节约电费以及检修备件费62 万元，合计每年的效益为 322 万元。参考文献：1 齐川.拜耳法赤泥沉降工序工艺指标对生产的影响J.有色冶金设计与研究，2023（4）：19-23.2 毕诗文.氧化铝生产工艺M.北京：化学工业出版社，2006：147-160.3 师树英，史青菊.浮游物对氧化铝生产的影响及应对措施J.轻金属，2002（5）：37-39.4 郭万里.氧化铝制取工M.太原：山西人民出版社，2006.5 孙体昌.液固分离M.长沙：中南大学出版社，2011.6 马向阳，和逸飞.拜耳法工艺沉降高效沉降槽进料系统改造J.有色设备，2022（4）：68-71.7 陈聪.氧化铝生产设备M.北京：冶金工业出版社，2013.8 刘肇翀，王颖莉.影响道尔型连续沉降槽沉降效果的因素探讨J.氯碱工业，2000（9）：21-22.196