烧结法赤泥和硅渣沉降槽的运行和探讨

崔艳波

中铝山东有限公司生产管理部山东淄博255000

摘要：本文简单介绍了烧结法赤泥、硅渣的物料性质，以及用于分离两种物料的沉降槽运行情况总结和进一步的探讨，并且对于影响物料沉降的疏水性物料进行了分析。

关键词：赤泥硅渣沉降疏水性

前言

重力沉降槽作为一种料浆处理能力强、操作方便、工作效率高的液固分离设备逐步地为化工、冶金等行业所认可。在氧化铝的生产中，沉降槽也逐渐地以其便于自动化操作、劳动强度小、物料适应能力强等优势逐渐取代以滤布为介质的过滤机，众多工程技术人员根据物料的性质对沉降槽的结构、传动等进行改进，以提高沉降槽的各项运行性能参数。沉降槽的规格也随着对物料的适应和指标优化作着大量的改动，诸如：用于拜尔法氧化铝生产中的高帮深锥沉降槽，锥底的夹角、悬筒的长径比、絮凝剂的添加方式、帮高以及压缩锥底都根据物料性质和运行要求作了大量的改进。烧结法氧化铝生产中用于赤泥、硅渣的沉降槽也进行了大量的改进和探索，并根据经验对老式沉降槽改造取得了较大的成功。

1赤泥沉降槽的运行和探讨

1.1物料性质和化学反应

1）、化学反应

2CaO.SiO2不溶于水而进入赤泥，试验与实践证明会被NaOH分解，因此有部分SiO2以Na2SiO3的形式进入溶液。熟料中游离的钙和上述反应生成的Ca(OH)2能使赤泥的沉降性能变坏，但在有Na2CO3的条件下则发生苛化反应，抑制反应的进行，达到一种平衡。β－2CaO.SiO2被分解的产物Ca(OH)2，能与溶液中的NaAl(OH)4和Na2SiO3发生相互反应，生成难溶的含水铝酸三钙和水化石榴石固溶体。

3Ca(OH)2＋2NaAl(OH)4→3CaO.Al2O3.6H2O＋2NaOH

3Ca(OH)2＋2NaAl(OH)4＋xNa2SiO3→

3CaO.Al2O3.xSi02.(6-2x)H2O+2xNaOH

在Na2Oc浓度足够时，可减少上述反应。当溶出温度过高如大于95℃，溶液还会发生脱硅反应，而生成钠硅渣。

2）、物料性质

在熟料溶出、赤泥分离工序，通过各种手段抑制脱硅反应，降低氧化铝的损失，达到提高熟料溶出率的目的。这种参数控制不但对指标的优化有益，而且对于沉降工序的稳定运行有着极为重要的意义。

在正常的氧化铝生产中，通常控制赤泥粒度（一段赤泥＋60＃筛小于10％，＋170＃筛大于10％；二段赤泥＋60＃筛小于10％，＋170＃筛大于10％）、粗液AO浓度（125g/l左右）、溶出液温度（95℃）和（1.20—1.25）等参数来达到控制物料性质的目的。物料粒度过细沉降槽会出现浮泥，粒度过粗沉降槽进料会迅速沉降，进而堵底流或形成积泥；粗液AO浓度过高、苛性比过高或温度过高均会引起二次反应剧烈，游离的钙或反应生成的Ca(OH)2使赤泥的沉降性能变坏，在沉降的过程中，由于Ca(OH)2呈疏水性，难以沉降，造成长时间的跑浑，长时间跑浑进而形成浮泥粘结，直至变硬、垮槽。

1.2赤泥高效沉降槽的运行和探讨

1）、高效沉降槽

工作原理：

浆液经进料管按切线方向进入下料筒，浆液在进入下料筒时，带入大量的清液同时将料液稀释，并在絮凝剂的作用下，赤泥与溶液快速分离，聚集在槽底逐渐浓缩，经耙机刮到排泥锥底连续排出槽外，而清液从溢流口不断流出。

分离沉降槽：

进料方式：单管切线进料；进料筒ø2.5m×2.5m；槽体：内径12m有效高度3.0m；锥体斜度：两极斜度，上锥体斜度1：6（15°）下锥体斜度1：1（45°），锥体直径：6m；电机功率：11KW，耙机：1转/5分

底流混合槽：

ø2.7m×2.8m，容积16m3，搅拌转数25转/分，减速电机5.6kw，转数50转/分

洗涤沉降槽：

槽体：直径15m，槽体高6.9m（有效高6.0m），槽底斜度1：6(15°)；下料筒ø4.5m×2m，溢流口：420mm，排泥锥体直径2m；电机11KW/台，耙机1转/5分

2）、运行、优化和探讨

由于烧结法赤泥存在众所周知的二次副反应损失，所以在赤泥分离过程中，工程技术人员一直在致力于研究“减少赤泥和粗液的接触时间，亦即减少二次反应的时间”，所以分离沉降槽倾向于使用容量小的小直径矮帮单层沉降槽进行赤泥分离，同时在操作上也强调拉大底流，减少存留时间。高效分离沉降槽在设计时，考虑到减少二次反应的时间和压缩底流L/S的需要，在槽底增加一个斜度1：1（45°），锥体直径为6m的下锥体，减少赤泥在槽内的存留量，进而减少在槽内的存留时间。分离沉降槽进料悬筒和进料方式采用：带有文丘里自稀释循环系统的单管切线进料方式，该进料方式和二级尖锥的采用使得赤泥分离沉降槽帮高（3.5m）和尖底（3.5m）之和达到7m左右，大大地提高了分离沉降槽的沉降高度，提高了单槽料浆处理能力。在近3年的运行过程中，文丘里进料装置在分离沉降槽上并未表现出优势，根据文丘里进料装置的特点，应该在高帮沉降槽能发挥优势，洗涤沉降槽就表现出其应有的料浆处理和底流压缩的能力。

絮凝剂的添加采用进料管道一点、悬筒两点的三点加入，并且为了均匀絮凝采用以沉降溢流进行稀释的方式。在实际的运行过程中，由于沉降槽的溢流（粗液）结疤快，絮凝剂管道堵塞频繁，影响絮凝剂的加入，改为赤泥洗液，仍然受到洗涤沉降槽运行的困扰。当洗涤槽跑浑时，造成赤泥回头，影响絮凝剂的加入，并且进料管道由于存在压力（在分离槽上的文丘里装置结疤太快，达不到满周期运行），影响絮凝剂加入。经过几个周期的摸索，絮凝剂的添加改为：只在悬筒内加入，仍选为两点，不加稀释液。

在老单层沉降槽的改造过程中，充分吸收高效沉降槽的优点和两年来运行的心得体会，重点对原单层沉降槽进行了加强传动装置负荷能力，增加耙机底瓦和絮凝剂添加方式的改造工作，以及在线监控能力的提高。经改造后，年龄近半个世纪的老单层沉降槽重新焕发了青春，表现出了和高效分离沉降槽相近的处理能力和运行参数。

洗涤沉降槽设计赤泥处理能力为100吨-干赤泥/小时，目前洗涤沉降槽已远超设计能力，其中末次洗涤槽赤泥处理能力近140吨-干赤泥/小时，底流压缩L/S为1.90-2.00。

高效沉降槽投运以来，可以说明两个方面的情况：①、烧结法赤泥也可以使用高帮深锥的沉降槽进行液固分离，在以后的设计中，完全可以增加帮高以压缩底流L/S，尤其是反应速度较慢的洗涤沉降槽；②、烧结法赤泥分离沉降槽完全可以使用大直径单层沉降槽，只要平衡好进出料泥量和保证低于30分钟的赤泥存留时间。

2硅渣沉降槽的运行和探讨

2.1物料性质和化学反应

1）、化学反应

粗液脱硅反应过程中，其中一次脱硅反应生成钠硅渣，主要在脱硅机内高温高压的条件下进行：

Na2O·Al2O3+2Na2O·SiO2+4H2O=

Na2O·Al2O3·1.7SiO2·2H2O+4NaOH

二次脱硅反应（在缓冲槽内加入适量石灰乳进行二次脱硅）：

3Ca（OH）2+2NaAl（OH）4=3CaO·Al2O3·6H2O+2NaOH

3CaO·Al2O3·6H2O+xNa2SiO3=

3CaO·Al2O3·xSiO2·YH2O+2xNaOH

加入石灰乳脱硅发生以上反应时，同时与溶液中的Na2CO3发生苛化反应，增加石灰乳的用量，当苛化反应使得NaOH之间以及和Ca(OH)2达到平衡时，通过这种反应平衡进行二次脱硅反应。

2）、物料性质

脱硅反应生成的钙硅渣和钠硅渣，比重较大（硅钙渣2.71kg/l、钠硅渣2.35kg/l），沉降性能比较好。目前，所有钙硅渣全部返晶种，流程中钙渣循环量大，在二次脱硅反应中，在高压脱硅中部分钙硅渣分解产生的物料会重新参与反应，就会造成物料中游离的CaO增多，给物料的沉降性会造成一定的影响。其中未反应完全的Ca(OH)2呈疏水性，难以沉降，造成长时间的跑浑，对叶滤机的液量通过造成了很大的困难。

1.2硅渣高效沉降槽的运行和探讨

1）、高密度沉降槽：

工作原理：

浆液经进料管按切线方向进入下料筒，浆液在进入下料筒时，带入大量的清液同时将料液稀释，并在絮凝剂的作用下，硅渣与溶液快速分离，聚集在槽底逐渐浓缩，经耙机刮到排泥锥底连续排出槽外，而清液从溢流口不断流出。

沉降槽规格：

槽体：直径12m，槽体高6.5m（有效高6.0m），槽底斜度1：6(15°)；下料筒ø2.5m×2.5m，排泥锥体直径2m。

2）、运行和探讨

由于二次脱硅反应在沉降槽中进行，所以沉降槽控制较低的清液层以保证脱硅所要求的反应时间，而晶种量由于波动较大，沉降槽的泥层会相应地波动，泥层的变化造成槽帮上结疤时以钠硅渣为主，时以石灰和钙硅渣为主，槽帮结疤疏松程度不一样容易造成掉块堵底流，给沉降槽的稳定运行带来了隐患，尤其是对于帮高为6米的高效沉降槽更是如此。烧结法硅渣分离工序溶液苛性比为1.45左右，相对于拜尔法1.60以上的苛性比仍然偏低，所以结疤速度较快，这样沉降槽的运转周期较短，正常运转周期大约为4个月。

絮凝剂的添加采用进料管道、悬筒点的两点加入，并且为了均匀絮凝采用以沉降溢流进行稀释的方式。在实际的运行过程中，由于沉降槽的溢流结疤快或跑浑影响，絮凝剂管道堵塞频繁，影响絮凝剂的加入，稀释液改为上水，目前底流压缩L/S为2.5以下，既可以提高运转周期，底流也可以直接进行返晶种。

高效沉降槽投运以来，过液能力和指标优化效果明显，烧结法硅渣分离完全可以使用高帮深锥的沉降槽进行液固分离，在以后的设计中，完全可以增加帮高以压缩底流L/S，并进行晶种过滤机的流程优化，尤其是通过工艺优化后，沉降槽不再加入石灰乳。

硅渣沉降槽属于高温高压脱硅后直接进入沉降槽，物料的温度对沉降槽的运行影响极大。脱硅出料缓冲槽的压力、温度直接影响沉降槽的过料量和稳定运行，当压力过高（超过0.7kg）、温度过高（超过115℃）时，物料进入沉降槽后，产生强烈的自蒸发，细颗粒表面附着气泡，溶液中气泡多，影响固体物料的沉降速度，造成沉降槽跑浑。

3疏水性物料对沉降的影响

3.1赤泥、硅渣中的疏水物料

在赤泥沉降分离和洗涤过程、硅渣分离过程中，均出现了物料不沉降给操作带来了极大的困难，甚至造成垮槽和生产压产事故。尤其是烧结法赤泥变性膨胀更是危害巨大，因为赤泥与溶液分离不开，槽内泥层高，用沉降槽分离时，溢流很浑浊，沉降槽内存泥多，又容易发生粘结硬化，在洗涤沉降槽中更是循环慢，处理时间长，危及面广，甚至因为分离槽溢流浮游物高给后继工序或循环前返工序等带来极大的影响。

众说周知：所谓的赤泥膨胀在显微镜下观察赤泥颗粒变成了大块的模糊不清的胶状物质，因为上主要为赤泥中游离CaO多。产生的原因主要为：熟料黄料多，石灰未反应；钙比过高，生成的3CaO·SiO2较多；一段Nc过低等情况。其中游离CaO以Ca(OH)2形式存在，呈疏水性，疏水性越强物料的沉降性能越差。

3.2赤泥和硅渣浆液中Ca(OH)2的对比

在某厂烧结法氧化铝生产中，赤泥沉降槽和硅渣沉降槽中都因Ca(OH)2过多存在而影响物料的沉降性能，但是对二者沉降槽的影响又有所区别。在赤泥沉降槽中，当Ca(OH)2（游离钙）过多时，由于其存在的溶剂化作用和特有的表面活性，当其被赤泥吸附后，会使全部的赤泥产生溶剂化作用，物料不沉降而悬浮在沉降槽中，从而赤泥附着在耙机、槽壁，甚至在清液层的上方结硬，在溢流口会有大块大块的赤泥飘出，如果处理不及时，这种泥很快充满整个沉降槽，导致垮槽。在硅渣沉降槽中，，当Ca(OH)2（游离钙）过多时，由于其存在的溶剂化作用和特有的表面活性，当其被硅渣（钠硅渣和钙硅渣）吸附后，会使全部的硅渣产生溶剂化作用，物料不沉降而悬浮在沉降槽中，从而硅渣和石灰乳附着在耙机、槽壁，其结硬的速度很快，导致在耙机、槽壁、甚至槽底的结疤都不结实，容易出现掉块堵底流的现象，甚至垮槽。

出现不同的现象主要是因为固体颗粒的大小不同。赤泥粒度偏细，在固体的表面吸附的气泡以及溶液中的气泡会带着赤泥望上漂，由于溶液的苛性比值较低（粗液ακ：1.20-1.25），结硬速度相对较快，从而在耙机、清液层的上方逐渐粘结，其吸附的气泡仍然不会散去，这样就导致粘结的赤泥的比重（假比重）和其所粘结位置的溶液比重相差无几，从而出现从槽底到槽顶全部都是赤泥的现象，而且很难处理。这就是通常所说的赤泥膨胀。而硅渣的粒度相对比较均匀且较大，而且溶液的苛性比值较高（精液ακ：1.45-1.50），结硬速度相对较慢，相比较而言就出现了上述的情况。

3.3表面活性剂的应用

在工业生产中，表面活性剂是不可或缺的化学助剂，其优点是用量少而效益大。随着石油工业的发展，表面活性剂的生产得到很大发展，进一步促进了表面活性剂在各方面的应用。

表面活性剂是能显著降低水的表面张力的一类物质，它在表面上发生强烈的正吸附，表面活性剂因此而得名。表面活性剂分子不仅会吸附在水的表面上，也能吸附在其他表面上，且表面活性剂分子在表面上定向排列。正由于表面活性剂分子的这种定向排列吸附，使得表面活性剂具有改变表面润湿功能（例如选矿剂）、乳化、破乳、起泡、消泡、分散、絮凝等多方面的功能。

目前，氧化铝生产中所用的活性剂众多。如用于沉降槽中絮凝沉降的絮凝剂，其中有高分子类、有机物类；用于种分生产中的消泡剂，种分槽中大量的有机物形成泡沫；在氢氧化铝过滤中使用的降水剂；在选矿中使用的浮选剂等。

结束语

在氧化铝的生产中，沉降槽也逐渐地以其便于自动化操作、劳动强度小、物料适应能力强等优势逐渐取代以滤布为介质的过滤机，众多工程技术人员根据物料的性质对沉降槽的结构、传动等进行改进，以提高沉降槽的各项运行性能参数。沉降槽的规格也随着对物料的适应和指标优化作着大量的改动，诸如：用于拜尔法氧化铝生产中的高帮深锥沉降槽，锥底的夹角、悬筒的长径比、絮凝剂的添加方式、帮高以及压缩锥底都根据物料性质和运行要求作了大量的改进。烧结法氧化铝生产中用于硅渣的沉降槽也进行了大量的改进和探索，并根据经验对老式沉降槽改造取得了较大的成功。目前某铝厂，对烧结法线沉降槽ф10.5*1.8M改造为ф10.5*12M，取得了明显的效果，对于硅渣沉降来说，溶液苛性比为1.45-1.55，该物料使用高帮沉降槽完全可行。深锥高帮沉降槽逐渐以其占地面积小、操作方便等众多优点而为众多的工程技术人员所认可。

参考文献

1.《烧结法赤泥洗涤中的二次反应及全沉降槽洗涤流程的探讨》作者:刘祥民,轻金属1996.10

2.《硅渣与拜耳法赤泥一起洗涤工艺探讨》作者:蔺迎征,邓卫明,王德全,有色矿冶,2001.17

3.《烧结法分离沉降槽降低氧化铝损失的研究》作者:刘今,吴若琼,轻金属1994.11