高铝粉煤灰碱脱硅的问题研究及对策

宋说讲，孔德顺

(六盘水师范学院 化学与材料工程学院，贵州 六盘水 553004)

高铝粉煤灰生产氧化铝过程中，由于粉煤灰中二氧化硅含量较高，需要将粉煤灰预脱硅[1-3]，以提高原料中的铝硅比[4]，使后序氧化铝的生产顺利进行，同时减少废料硅钙渣的生成。预脱硅也就是碱脱硅，生成的硅酸钠溶液，可以作为化工原料使用，既增加了产品的附加值，提高了生产率和经济效益，也符合企业节能降耗的要求。因此，高铝粉煤灰碱脱硅是生产工艺中非常重要的部分[5]。

那么，如何提高碱脱硅效率成为关键步骤。原料的成分及其活性、生产条件(配比、浓度、温度等)的控制、设备的选择以及生产操作控制等都会影响碱脱硅效率。在实际生产中，高铝粉煤灰碱脱硅确实遇到了许多这样难题，致使碱脱硅效率大大降低。找出这些问题所在，分析其中的原因，想出解决问题的对策和办法，对于高铝粉煤灰中提取氧化铝具有重要的意义。

1 粉煤灰碱脱硅的工艺流程

1.1 碱脱硅原理

粉煤灰与循环母液调配成的浆液，加热至130±5℃，保温停留30±10min，使粉煤灰中的玻璃相SiO2与NaOH发生反应，生成Na2SiO3进入溶液中。

1.2 碱脱硅工艺流程

电厂送来的粉煤灰通过皮带输送机或斗式提升机输送到粉煤灰储仓；通过螺旋输送机和大倾角皮带送到预调配粉煤灰小仓，粉煤灰和循环母液按一定比例混合调配成合格的粉煤灰浆液；调配好的粉煤灰浆液通过合格泵送至5级加热套管中用蒸汽加热，在停留罐中停留，进入缓冲槽；通过缓冲泵送到分离洗涤翻盘进行过滤，脱硅粉煤灰浆液经过翻盘过滤机，进行液固分离及洗涤，脱硅粉煤灰与碳分母液按一定比例混合后，送到熟料烧成工段；脱硅混合液送到活性硅酸钙制备工段。

2 粉煤灰碱脱硅的问题与原因

2.1 粉煤灰碱脱硅的问题

粉煤灰在一定条件下可以脱去大部分硅，而氧化铝基本不溶出，溶液中SiO2浓度可达90g/L以上，这是值得肯定的成果。但是由于原料、工艺及设备等存在的问题使预脱硅流程不能稳定运行，建立不起来稳定合理的指标体系，需要进一步改进和调整。在脱硅反应后由于SiO2浓度大，导致浆液粘度大，给后续的分离工作带来不利影响，需要探索粉煤灰浆液中SiO2合适的浓度和合适的固含。当然还有一些岗位员工操作不熟，配料不合格等人为因素，需要进一步规范。其主要问题表现：原料粉煤灰因含水量大，致使下料不畅，脱硅反应流程打循环时间较长，副反应发生；二氧化硅浓度较大时粘度大，液固分离系统运行不畅，清理困难；脱硅粉煤灰铝硅比(A/S)不稳定，波动较大，最高达到2.0，最低为1.2，甚至更低。

2.2 粉煤灰碱脱硅的原因分析

2.2.1 粉煤灰成分波动大

选取电厂供粉煤灰原料批次检测数据，如表1所示。从表1中可以看出，粉煤灰中Al2O3含量在37.03%～51.131%之间波动，SiO2含量在35.37%～49.03%之间波动，Fe2O3与CaO含量基本在5%以下。附水率在1.51%～16.34%之间波动，附水率较大，容易引起下料仓堵塞，是造成下料不畅的原因。原料粉煤灰的A/S在在0.76～1.45之间波动，导致碱脱硅后A/S的综合提升不大，获得的硅酸钠溶液浓度也有很大变化，在固液分离时也可能造成分离效果不好。

图1 碱脱硅工艺流程图

表1 粉煤灰成分表

表1(续)

2.2.2 生产指标波动大

2.2.2.1 循环碱液

选取相应时间段内循环碱液检测数据，如表2所示。从表2中可以看出，总碱(NaOH和Na2CO3以NT计)的浓度范围为163.8～247.9g/L，苛碱(NaOH以NK计)的浓度范围为161～232g/L，碳碱(Na2CO3以NC计)的浓度范围则为1～26.3g/L，间或含有少量SiO2。生产指标的要求为NK浓度172±5g/L ，NC含量小于10g/L。由此可见，蒸发送来的碱液波动较大，达不到指标要求的范围。

connecting rod→conrod连杆；variable resistor→varistor可变电阻。

表2 循环碱液成分表

碱的浓度波动大，对碱脱硅效率有较大影响；碳碱含量超标，给后面的活性硅酸钙制备带来困难。近期指标作了改动，将碱液浓度提高到200g/L以上，固含不低于550 g/L，造成设备堵塞，分离困难，实践证明是不合适的。

2.2.2.2 固含

料浆固含与碱溶出硅浓度的关系如表3所示。由表3可以看出，碱溶后NK的浓度降至120g/L左右，固含基本在350～450g/L范围之内，溶出SiO2浓度约在40～75 g/L之间，粉煤灰的粒度在25～40μm。粉煤灰浆液的固含和溶出SiO2浓度波动较大，固含大，SiO2浓度有增大的趋势，而与粒径大小关系不大。但是固含大带来的问题是料浆容易沉降，管道容易堵塞；SiO2浓度大的结果是分离困难。

表3 料浆固含与SiO2的关系表

2.2.2.3 套管温度

生产中粉煤灰碱脱硅温度的技术指标是125～135℃。由于减温减压站压力控制系统不能实现自动控制，电厂过来的一根低压总管分出五根支管，给各用汽点输送蒸汽的压力完全靠手工调节，且各用汽点相互影响，预脱硅蒸汽压力波动大，脱硅温度较难稳定在125～135℃范围之内，大大影响了脱硅效果。

2.2.2.4 脱硅时间

粉煤灰浆液用泵送入脱硅套管，浆液的流速一般约1.5m/s，低于1.0m/s料浆较易沉降到管壁上，时间过长会在管壁上结疤，堵塞管道，较难清理。料浆速度太快，换热效果不好，温度提升较慢。尽管脱硅时间技术指标为1～1.5h，但在实际操作过程中反应时间在粉煤灰与碱液混合时已经开始，在脱硅套管中升温也需要一定的时间。因此，一般在套管内循环0.5h以上再出料，在保温停留罐中停留0.5h即可以出料。

2.2.3.1 设备问题

粉煤灰输送皮带与电厂输送皮带不匹配(电厂皮带输送量大)，导致皮带经常性压死、跑偏或粉煤灰洒落遍地都是。粉煤灰大仓因粉煤灰含水率不同会造成堵塞，不下料。7#皮带做工不细，经常跑偏、漏料、滚筒卡死等。粉煤灰螺旋定量给料机定量不准确，下料量不好调节。粉煤灰合格浆液槽搅拌在料位达到7.0m以上电流超过额定电流，串联泵已改成单泵运行，机封漏料也成为问题。套管中三根内管已有一根堵塞未处理，现单根管运行。另外许多温度计、料位计、电动阀、气动阀等没有校对，给生产指标控制带来困难。

2.2.3.2 操作人员问题

现场操作人员基本都是新手，没有一点工作经验，全凭摸索干工作，极容易发生误操作。现场没有形成一个工作核心，新人没有师傅带，长期未有多大进步，对未来看不见希望，工作积极性提不起来。这是工作人员现场的情况。

3 问题解决方法

3.1 原料粉煤灰处理

3.1.1 水分烘干

针对粉煤灰含水量波动较大问题，在粉煤灰进入灰仓前必须烘干，使粉煤灰的含水量在1%以下。事实证明，粉煤灰较干燥的情况下，流动性较好，便于下料和计量控制。避免膨料，堵料以及下料不畅等问题，还省去了灰仓下部的振打装置。在原料入仓之前安装粉煤灰烘干系统是十分必要的。

3.1.2 粉煤灰批次检测

同一批次的粉煤灰进行检测时应按照标准取样方法进行合理取样，保证检测后粉煤灰各成分含量相差不是太大。如果相差较大，应作为不同批次样品对待处理。

3.1.3 均化

针对粉煤灰各成分含量和A/S波动大给配料带来很大问题，需要建立一个均化库，使不同批次的粉煤灰在均化库内均化，保证均化后粉煤灰各成分波动在较小的范围之内，A/S在1.0～1.2之间波动。建立一个稳定的预脱硅指标体系，脱硅之后脱硅粉煤灰的A/S稳定在2.0及以上，脱硅液中硅酸钠的浓度稳定在一定的范围之内。

3.2 稳定的热工制度

首先是配料问题。稳定连续下料是准确配料的基础。粉煤灰烘干后堵料和粘料的问题基本得到解决，能够保证稳定连续供料。下料称需要定期进行校对，确保称量准确。蒸发工序必须送来合格的碱液，在配料槽中控制好碱液和粉煤灰的液固比，搅拌均匀后打入浆液槽中，确保浆液槽中浆液的固含稳定，波动较小。

其次是温度控制。减温减压站供脱硅套管的蒸汽装有自动控制阀，保持蒸汽压力稳定，确保供汽温度波动小。保持浆液的固含在450g/L以下，在流速不变的情况下，浆液中固体颗粒不会沉淀堵塞。建立两套脱硅套管系统，定期倒换运行，定期清理内管内壁结疤，确保生产运行的稳定性和连续性。

粉煤灰脱硅建立一个稳定的热工制度和连续的工艺流程。可先将A/S稳定在1.5以上，再找最优条件，使脱硅粉煤灰的A/S逐步达到2.0以上。

3.3 设备选型

首先粉煤灰运输皮带要改造好，使其运行正常。

其次粉煤灰的脱硅率问题，主要是解决脱硅粉煤灰尽快分离问题。因为脱出来的硅不稳定，容易继续发生反应，时间过长浆液中的硅又会沉淀出来，进入固相，导致脱硅粉煤灰的A/S降低。硅酸钠溶液浓度高，粘度大，不易分离。快速分离设备显得很重要。目前生产上使用平盘过滤机的过滤效果容易受到硅酸钠粘度的影响。后来使用的真空带式过滤机的过滤分离效果得到明显改善。

3.4 人员培训

岗位配备一位熟悉流程和操作的技术人员。新进人员在技术人员的指导下进行相关知识和流程的培训，必须尽快熟悉现场流程和相关设备的操作。在控制室的操作人员熟悉工艺技术参数数值和控制范围，一般设备出现异常的处理方式和方法。

4 结论

生产中，高铝粉煤灰碱脱硅遇到原料含量不稳定，设备原因导致生产流程不畅，技术参数控制不好，硅酸钠发生二次反应，以及液固分离效果不佳等问题及原因分析，提出了相应的解决办法。首先原料粉煤灰经干燥处理，分批次检测并进行均化，控制粉煤灰各成分波动小；其次建立稳定连续的热工制度，以保证在规定的时间内完成脱硅反应；选择合适的分离设备，在脱硅完成后尽快实现液固分离；对新的生产人员要进行岗位培训，尽快熟悉生产流程和技术参数，以适应生产的需要。