刘光华
身份证号：45262419750618****
摘 要：本文就如何减少溶出矿浆稀释时Rp下降值，从而减少水解、提高种分产出率和产品强度进行了实验室研究。本试验表明：当稀释后矿浆NK控制在180 g/l时RP为1.133，与溶出矿浆的差值为0.016；170 g/l时RP为1.128，差值为0.021；160 g/l时RP为1.112，差值为0.037；溶出矿浆NK稀释到160 g/l时Rp下降最大，170时次之，180时最小。也就是说，本试验条件下，只一次稀释到Nk=160g/l与二次稀释（先稀释到NK=180 g/l，二次再稀释到NK=160 g/l）相比，可使Rp下降值减少0.037-0.016=0.021。此二次稀释工艺不增加叶滤机负荷。
关键词：氧化铝；溶出矿浆稀释；种分产出率；铝酸钠溶液；二次稀释工艺
一、引 言
我国铝土矿资源特点是高铝、高硅的中、低品位的一水硬铝石矿，绝大多数氧化铝企业采用的是纯拜耳法生产工艺。目前，我国氧化铝市场处于日趋饱和状态，导致氧化铝价格呈悬崖式下降，但成本大幅度升高，对氧化铝企业的发展很不利。为了降低氧化铝生产成本，使企业在氧化铝行业占有一定的竞争优势，各企业在氧化铝新技术和新装备开发上做了大量的工作，如：圆锥破代替磨机磨矿，管道化溶出，沉降槽、蒸发器、焙烧炉大型化，综合过滤等技术在氧化铝上的全面推广和使用。虽然，通过不断开发新技术降低了生产成本，但是仍不能满足氧化铝价格下降对氧化铝市场的影响，因此，探索新技术、新装备、新工艺之路仍不能停止。
二、氧化铝发展概述
（一）氧化铝工业的发展
由于铝以及其合金具有许多优良性能，而且铝的资源又非常丰富，因此，铝工业自问世以来发展十分迅速，1890年至1900年，全世界金属铝的总产量约为2.8万吨，到20世纪50年代中叶，铝的产能已超过铜而居有色金属之首位，产量仅次于钢铁，1990年世界原铝产量为1600多万吨（此外还有占铝总消耗量20%左右的再生铝），约占世界有色金属总产量的40%；而2003年世界原铝的产量达到2800万吨；建国以来我国氧化铝工业从无到有，从小到大，取得了很大成绩，先后建立了山东、郑州、贵州三个氧化铝厂；特别是在国家优先发展铝的方针的指导下，陆续建成了山西、中州、平果等重点氧化铝企业；从2000年左右国家逐步开放民营企业参与有色金属行业到现在，具有代表性生产氧化铝的民营企业有：杭州锦江、山东魏桥、山东茌平等氧化铝企业，彻底打破了国企的垄断地位。
三、创新技术的研究及重点剖析
（一）拜耳法的原理
所谓拜耳法是因为K.J.拜耳在1889-1892年提出而得名的。拜耳法用于处理低硅铝土矿，特别是用在处理三水铝石型铝土矿时，流程简单，作业方便，其经济效果远非其他方法所能媲美。目前全世界生产的氧化铝和氢氧化铝有90%以上是用拜耳法生产的。
拜耳法包括两个主要过程，也就是拜耳提出的两项专利：一项是他发现Na2O与AL2O3摩尔比为1.8的铝酸钠溶液在常温下，只要添加氢氧化铝作为晶种，不断搅拌，溶液中的AL2O3便可以呈氢氧化铝徐徐析出，直到其中Na2O与AL2O3的摩尔比提高到6为止，这也就是铝酸钠溶液的晶种分解过程，另一项是他发现已经析出了大部分氢氧化铝的溶液，在加热时，又可以溶出铝土矿中的氧化铝水合物，这也就是利用种分母液溶出铝土矿的过程。交叉使用这两个过程就能够一批批地处理铝土矿，从中得出纯的氢氧化铝产品，构成所谓拜耳法循环。
（二）溶出矿浆稀释
1、溶出矿浆稀释的目的
（1）降低铝酸钠溶液的浓度，便于晶种分解；
（2）使铝酸钠溶液进一步脱硅；
（3）有利于赤泥分离；
（4）便于沉降槽的操作；
2、溶出矿浆的稀释浓度
在一定的温度下苛性比值相同的铝酸钠溶液，氧化铝浓度低于25g/l或高于250g/l时，都有很高的稳定性，而中等浓度（70-200g/l）的氧化铝溶液的稳定性较差，溶出的浆液含Na2O浓度约230-250g/l，RP为1.14-1.16，AL2O3和Na2O的浓度都较高，这样的铝酸钠溶液非常稳定，无法直接分解；赤泥洗涤液中AL2O3和Na2O都很低（30-60g/l），自身也不能单独分解。所以一般用前一周期的赤泥洗涤液来进行稀释，稀释后溶液稳定性降低使分解速度加快，并且可以使赤泥洗涤液中的碱和氧化铝得以回收，得到较高的分解率，使拜耳法生产的循环效率提高。但如果过度稀释溶液会使其稳定性急剧下降，造成铝酸钠溶液水解，而使赤泥中的氧化铝损失增大。另外，由于进入流程的水量增大，也会增加蒸发工序的负担和生产成本。
3、溶出矿浆在稀释、分离段发生的水解
溶出矿浆经过添加洗液进入稀释后槽进行深度脱硅送往分离沉降槽，分离沉降槽进行液固分离，分离出的底流中固相赤泥即为分离底流赤泥。由于溶出矿浆添加洗液后，物料浓度降低，铝酸钠溶液会在稀释前槽、稀释后槽、分离沉降槽中进行进一步脱硅，生成钠硅渣（Na2O?Al2O3?xSiO2?nH2O），此阶段由于洗液对矿浆进行冷却、稀释，同样伴随着水解损失，生成Al（OH）3。
4、水解的原理
溶出后的矿浆加入低饱和度的铝酸钠溶液（洗液）进行稀释，此溶液在一定温度下放置一定时间后具有自动分解析出氢氧化铝的特征，再加入部分细颗粒作为晶种后分解速度可明显加快。
（二）分解原液的浓度影响
分解和溶出是同一个可逆反应朝不同方向进行的两个过程。从热力学观点出发，AL2O3含量不饱和的种分母液溶出铝土矿，和从过饱和铝酸钠溶液中分解析出氢氧化铝，都是向该条件下的平衡方向运动的自发过程。在铝土矿溶出过程中，采用高温和高浓度、高分子比的母液，有利于矿石中的AL2O3更迅速地溶出。而在种分过程中，为了使AL2O3更快地从溶液中析出，则要求溶液有较低的温度、浓度和分子比，也就是要求溶液具有较大的过饱和度，即较低稳定性。凡使溶液稳定性降低的因素，都将使种分速度加快。分解原液的浓度主要是影响分解速度与分解产物的粒度；当其他条件相同时，中等浓度NK160-165g/l的过饱和铝酸钠溶液具有较低的稳定性，因而分解速度较快，但是在确定合理的溶液浓度时，还必须考虑分解槽的单位产能，并从拜耳法生产全局出发，考虑降低物料流量，减少蒸发水量以降低能。
（三）降低水解损失研究
某氧化铝厂在2005年底投产，从投产至今一直困扰企业的生产技术难题就是：在溶出稀释、深度脱硅、沉降洗涤过程中导致氧化铝大量水解损失，如果不解决氧化铝水解损失较大的问题，不能有效地提高净溶出率，那么单是水解所造成的氧化铝损失就十分巨大。
四、结合某氧化铝厂大数据分析
（一）某氧化铝厂生产现状
某氧化铝厂采用拜耳法生产氧化铝，约从2009年以来随着矿石品位的不断下降，生产氧化铝过程中产出的赤泥量逐渐增大，引起了较大的氧化铝外排损失，降低外排赤泥A/S，提高氧化铝净溶出率对该厂降本增效工作意义重大。
众所周知，同样条件下，精液Rp越高，种分产出率和产品强度越高。因此，大家都希望溶出矿浆稀释时，Rp下降越小越好。为此我们对某氧化铝厂生产现场稀释工序做了调查，列于表4.1。
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从表4.1可知，溶出矿浆与稀释后矿浆Rp的差值约为0.06，比较大（一般在0.03左右）。这与稀释过程中的各种因素有关，例如：一次洗液的温度和其所含的浮游物、碱洗设备的周期、叶滤机滤饼渣及溶出污水的量和温度等，都会导致水解损失量加大。本文不对此做详细研究，只探索如何改进稀释工艺，减少稀释过程中Rp下降量，从而减少水解、提高种分产出率和产品强度。
若设定最终精液的Nk为160g/l，取大部分一次洗液去稀释溶出矿浆，使稀释后的Nk为180g/l，剩余的一次洗液经叶滤并板式换热降温后与叶滤后的精液混合（第二次稀释）去种分。这样可减少稀释过程的水解损失，因为一次稀释后的浓度提高后，液相的稳定性提高了。二次稀释的浓度低，水解比较大，但此时的“水解”，实际上是种分，不造成损失。这便提高了种分产出率。有必要通过试验探索这样的流程改变的效果和可行性。实验室试验可以排除生产过程中很多不确定因素的影响，找到减少Rp下降的办法。
1、试验设备、条件和方法
用带有六个钢弹的熔盐加热釜做本次试验。
试验用的溶出矿浆和一次洗液取自生产现场，其成分见表4.2 和表4.4。
将一次洗液与溶出矿浆按一定比例倒入熔盐炉的钢弹中，使混合后的Nk分别为180 g/l、170 g/l和160g/l。然后将钢弹密封并放入熔盐炉内，在110℃下翻滚10分钟后取出，分析液相成分。做了两次试验，每个试验点都做了平行试验。
2、试验结果
试验结果列于表4.3和表4.5。
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表4.3和表4.5的数据（取该两组数据三个浓度差的平均值±3g/l）表明：当稀释后矿浆NK控制在180 g/l时RP为1.133，与溶出矿浆的差值为0.016；170 g/l时RP为1.128，差值为0.021；160 g/l时RP为1.112，差值为0.037；也就是说：当溶出矿浆NK稀释到160 g/l时Rp下降最大，170g/l时次之，180g/l时最小。这说明原设想是对的，可行的。本试验条件下，只一次稀释到Nk=160g/l与二次稀释（先稀释到NK=180 g/l，二次再稀释到NK=160 g/l）相比，可使Rp下降值减少0.037-0.016=0.021，有利于减少水解，提高种分产出率和产品强度。
3、试验数据分析
在实际生产中溶出矿浆与稀释后矿浆的RP差值为0.06，而在试验中溶出矿浆与稀释后矿浆的RP差值为0.037，两者差为0.023；因为在实际生产中从溶出到稀释后这个环节中会出现以下不确定性因素：稀释洗液的温度、稀释洗液中所含的浮游物高低、叶滤机滤饼渣量和温度、溶出污水的量和温度等等都会导致水解损失量加大；在试验中这些因素几乎都避免发生，包括稀释过程的蒸发量都没有损失，所以从以上分析可以判断实际生产和试验的数据都真实、可靠。要降低溶出矿浆与稀释后矿浆的RP差值，是可以采用减少一次洗液量的方法进行来提高稀释后矿浆的NK浓度，减少该阶段的水解损失量。
（二）某氧化铝厂水解损失控制
目前某氧化铝厂的实际生产情况就是既要降低碱耗，又要控制水解损失，可是两者又不能同时兼得，加上现在的液碱价格居高不下，在两者之中还是选择了以控制碱耗为主兼顾水解损失的生产模式。
在此情况下，我们上面所做的试验结果充分证明可以采用减少一次洗液量的方法进行来提高稀释后矿浆的NK浓度，减少该阶段的水解损失量；为了保证末次洗涤的NK浓度在原来基础上不再升高，所加入的洗水量是不能减少的，最终一次洗液量往溶出稀释减少了多出部分如何处理？去哪里？是我们最关心、也是必须要解决的问题，不然整个生产的水量将无法平衡，前面所做的工作将失去意义；
五、结 论
采用溶出矿浆两次稀释工艺（用部分一次洗液先稀释到NK=180 g/l，叶滤后再用余下的一次洗液（经叶滤后）二次稀释到NK=160 g/l），与常规的一次稀释到Nk=160g/l相比，可使Rp下降值减少0.021，有利于减少水解，提高种分产出率和产品强度。
参考文献
[1]毕诗文，氧化铝生产工艺.化学工业出版社，2006.1
[2]毕诗文、于海燕、杨毅宏、赵福辉、尹中林、翟秀静，拜耳法生产氧化铝.冶金工业出版社，2007.7。
[3]指导老师：上官正.中南大学教授，某氧化铝厂生产技术顾问