秦国红   马卫民

 

摘要 中州分公司处理低品位铝土矿采用的是烧结法生产氧化铝工艺，为了减少原料中的杂质危害，获得合格质量的产品，对物料脱硅处理是烧结法生产氧化铝所特有的工艺，是整个生产工艺中能源消耗的主要环节之一，同时该流程的效能也对整个烧结法系统的整体产能有着巨大的影响。而脱硅过程总是伴随着大量结垢的产生，对脱硅机组的稳定运行和生产指标的控制有着极大的不利影响。在生产操作和工艺条件调控中如何减少和避免结垢的危害，对于提高脱硅机组运转率，优化工艺指标有着积极的意义。

关键词： 结垢  脱硅工艺  含水铝硅酸钠  含水铝硅酸钙  台时产能  

 

1 结垢产生的原因、机理和特点分析

烧结法生产氧化铝工艺处理的是低品位的铝土矿，粗液中含有5－6克/升的SiO2，必须通过单独的脱硅工序处理将杂质去除，才能获得经济的分解率，得到合格的氧化铝产品，并减少后道蒸发工序的结垢使蒸发作业顺利进行。

脱硅机组是通过将物料在中压的条件下加热到150℃，保温1小时使SiO2在溶液中析出而使铝酸钠溶液得到精制。在这个过程中主要的反应有：  2Na2SiO3+2NaAl(OH)4+aq===Na2O•Al2O3•2SiO2•nH2O+4NaOH+aq

中州分公司为进一步提高物料的纯度来获得更高的分解率和产品等级，在此基础上开发了预脱硅、一次压煮脱硅、添加石灰乳深度脱硅的三段脱硅工艺。添加石灰乳脱硅的反应为：

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

3CaO•Al2O3•6H2O+xNa2SiO3+aq===3CaO•AL2O3•xSiO2(6-2x)H2O+2xNaOH+aq

主要的脱硅产物有含水铝硅酸钠和溶解度更小的含水铝硅酸钙。目前精制后的物料硅量指数稳定在600－750g/l的范围之内。由以上工艺条件看在整个脱硅生产是一个固相从液相中析出的过程。对结垢有影响的因素众多，但主要有以下几个方面:
⑴温度和温差

结垢过程一方面受温度影响，而另一方面更关键的是受壁温与溶液温度间的温差的影响。通常热流密度与温差成正比。在工业设备中，为达到大的热流密度需要大的温差，因而也相应有一个大的浓度差。局部的过饱和有利于晶核的生成和生长。

⑵流体中溶解物质的浓度

在通过化学反应而结垢的情况下，例如反应壁面的聚合反应，液体中反应物质的浓度是起决定性作用的。对于结晶过程，如前所述，浓差(过饱和)是关键的，因为随浓差的增大，物质传递和垢生成的速率也提高。
⑶饱和浓度随温度的变化关系

饱和浓度随温度的变化关系直接影响操作条件的选择和结垢的行为。这里可能出现各种情况，例如饱和浓度随温度而上升、下降或保持不变。
⑷材料的性质和表面状况

通常结垢情况与材料类型和表面状态很有关系，一般讲，光滑的、不腐蚀的材料表面比粗糙的、腐蚀表面不易结垢。

 ⑸流体的流速

流体的流速可通过对热质传递的影响和机械作用力使结垢受到影响。流速在可阻碍固体颗粒在壁面的沉积，并使晶粒不易附着，从而可减轻结垢；但是，如果壁面上已经结了垢，则流速的增大会促进传质，因而在扩散决定的结晶过程时，则有利于垢的增长。

⑹垢层的厚度和剪切强度

随着垢层厚度的增加使流速增加，因而相应地提高了剪切力，这样有助于使垢层脱落，倘使垢层的剪切强度不太大，则两者处于平衡状态。
⑺界面应力和产生晶核的接触角

随着界面应力的减小，晶核生成的可能性就增大。由于界面上存在杂质组分也可使界面应力降低，从而有利于结垢过程。Mersmann [4]研究了晶核的生成功与接触角间的相互关系，并认为晶核生成功随接触角的增大而增加(接触角增大表示润湿不良)，从而阻障了结晶的生成。
⑻设备的结构

设备结构对结垢行为有一定影响，例如死区、隙缝部位最易结垢。对于脱硅机组来说在喂料系统、机组内部、机组后面液固分离系统都有大量的固相产出，必然在相关流程管线、设备机组内壁、控制阀门等部位产生结垢，在一定程度内要对操作和生产造成影响，严重时杜塞管线、降低设备产能、磨蚀管道造成跑冒滴漏、设备事故及安全事故。如何减少和避免结垢对生产的影响有着积极的意义。

2 结垢易对流程产生影响的部位及危害

由于结垢在整个脱硅生产流程中都有发生，在影响脱硅机组产能的关键部位如果聚集了过量的结垢将直接影响到流程的稳定。对于脱硅机组而言，从它的工艺条件特点决定了其过料能力、加热效率、有效容积是影响产能的主要指标。目前要求单台机组过料在400m3/h，加热温度达到150-160℃，单台机组φ2.8*12m，73.85m3的容器满罐操作。

 

在影响脱硅机组过料能力方面：首先是喂料系统的影响，结垢在该部位易聚集的部位有粗液槽、粗液槽出口、除渣器和喂料泵的控制阀门等部位，如果结垢聚集过量，将会使喂料泵供料不足，供料压力降低，不能正常向脱硅机送料，严重时发生倒压等事故。在脱硅机组中，易聚集的部位有控制阀门、刷锅管、过料管、汽水分离器、闪蒸槽锥底，易磨蚀的部位有出料弯头、出料管、乏汽系统及各控制阀门，结垢会造成流量提不起来，机组压力控制困难，加热条件恶化，机组内部堵塞沉淀、出料不畅、汽液无法正常分离进而影响到乏汽加热和冷凝水系统的正常运行。在后面液固分离系统中易造成重大影响的部位有沉降槽，该部位结垢主要聚集在耙机、槽壁和篦子上，结垢过量或不正常脱落会使槽子锥底堵塞、机械部件损坏、干扰液固沉降分离，不利于铝酸钠溶液的叶滤精制作业。在影响脱硅机组加热能力方面，结垢易对生产造成影响的有:粗液加热器、套管加热器、机组罐内结垢、冷凝水系统、闪蒸槽内结垢及汽水分离器结垢，由于传热表面的结垢，热阻较大使单位面积、时间内的传热量下降很多，使加热器传热效率下降或堵塞，预脱硅温度达不到要求、增加脱硅机的负担，乏汽无法有效充分利用，间接加热管路结垢减少使用寿命。而脱硅机组内壁结垢则会直接占用机组的有效容积，过多时会影响到机组的脱硅效率和安全运行。 

 

3 操作中如何减小和避免结垢对生产的影响

结垢的产生在脱硅过程中是不可避免的，为了稳定脱硅机组的运行，达到较高的产能和运转率，在日常作业中要尽可能的找出结垢产生的机理和规律，并在操作中尽可能的减少结垢对工艺条件的影响，针对不同的作业环节，找出适合的工艺条件和操作手段。

 

 

3.1 预脱硅系统操作注意事项

预脱硅系统结垢主要产生在粗液槽并附着在槽壁上，对生产影响较大的主要是结垢由于积累而脱落，聚集在槽出口或除渣器影响流程的畅通。预脱硅过程控制的关键环节就是温度，要防止因为温度变化过大使结垢破碎脱落。目前，预脱硅温度一般在90-95℃，如果温度过低应及时打开加热新蒸汽，保证预脱硅系统作业温度在合适范围之内。另外还要维护保温、治理泄漏、减少污水，避免较低温度的污水和种分母液对系统温度的冲击；稳定硅渣种子量控制在60-80g/l；不断实施设备技术改造和流程优化，尽可能使SiO2附聚在种子上析出，减少结垢在槽壁上的附着。

3.2 一次脱硅系统操作注意事项
（1）脱硅机操作中，要经常检查和活动控制阀门，每个班至少两次全开全关，保持灵活好用，及时放过卡在阀门处的结垢，防止结垢卡在阀门处而使阀门的控制失效。

（2）保持较高的流速，流量要大于350m3/h，流速可阻碍固体颗粒在壁面的沉积，并使晶粒不易附着，从而可减轻结垢。

（3）合理调节各段加热套管的加热范围，一段出口控制在115-120℃，二段出口控制在130-135℃，三段出口控制在155-160℃，防止由于个别套管传热过快而使加热表面结垢生成过多影响到整个套管的使用周期。

（4）稳定脱硅温度的控制，使乏汽系统工况保持稳定才能充分发挥乏汽加热节能作用，使各级套管都能均衡的加热。

（5）维持好蒸汽和冷凝水的平衡，1﹟冷凝水自蒸发器压力0.35±0.03mpa，2#、3#冷凝水自蒸发器压力0.20±0.03mpa，防止乏汽带料在套管中形成结垢而使之传热效率下降影响设备的产能发挥。

（6）脱硅机组罐内的结垢，要在投入运行的初期用较大的强度通入蒸汽刷锅，尽可能的冲刷掉附着在其壁上的疏松结垢；在运行的中期要用中等强度的蒸汽刷锅，保持机组内有足够的搅拌强度，防止物料沉淀结垢；而机组在经过长时间运行之后，要用较低强度的蒸汽刷锅，及时冲刷走机组中活动的结垢，稳定机壁上的结垢，防止把机壁上因长期运行积累而吸附的厚结垢冲刷掉造成过料管、出料管及闪蒸槽锥底堵塞。

（7）对于各级闪蒸槽要在操作中及时根据物料的流量、压力和温度调节乏汽的开度，一级闪蒸槽压力控制在0.35±0.05mpa，二级闪蒸槽压力控制在0.20±0.05mpa；通过平衡脱硅机组的出料稳定闪蒸槽内的液面位置，减少由于出料冲击造成的闪蒸槽掉块和乏汽带料现象。

 

3.3 深度脱硅系统操作注意事项

稳定沉降槽的运行，主要应保持脱硅机出料平稳，减少对沉降槽的冲击。在操作上提压料要缓慢，可以多调少动，刷锅放块动作幅度要小，防止把沉降槽进料篦子上的结垢块冲起，为沉降槽的操作创造良好的外部条件。

3 结论

烧结法在处理低品位的铝土矿以及资源的总回收率方面有着独特的优势，并且随着市场的不断开拓，多品种氧化铝市场需求日益增加，进一步优化烧结法生产工艺对促进节约型企业市场占有率有着重大意义。深化挖潜，不断提高企业竞争力要求在生产工艺与过程控制各方面寻求更高的设备运转率与指标控制水平，通过对脱硅过程结垢机理和应对措施的探索，有效提高了脱硅机组的产能和运转率，间接加热脱硅机组从刚投用时的年平均运转率73.6%左右，到目前年平均运转率93.6%，单月运转率最高达到了99.71%；单套套管预热器运行周期也从开始不足两个月提高到现在近四个月。由此使整个脱硅工艺系统减少了检修费用，降低了生产成本。在实际生产中还有其他的因素有待进一步探索，以促进烧结法氧化铝生产工艺更加合理与成熟。