降低拜耳法氧化铝生产系统碳碱浓度的探索与实践

李峰杰

（河南中美铝业有限公司，河南 登封 452477）

拜耳法氧化铝生产中，碳碱浓度是一项重点监控指标，氧化铝厂一般都设计有排盐苛化工序，专门进行碳碱排出及苛化。河南中美铝业2019年8月份开始系统碳碱浓度逐渐升高，8月前循环母液Nc/Nt维持在12.5%以下，8月份循环母液Nc/Nt短时间内升高到15%以上，最高值接近18%。2019年8月～10月期间，溶出闪蒸间断出现带料现象，以正常进料量生产难以为继，为防止溶出闪蒸带料公司被动开始低产运行，且间断转水冲洗溶出机组。为扭转被动局面，经过近四个月探索与实践，终于将循环母液Nc/Nt控制到12.5%以内。

1 氧化铝生产中碳碱的形成

拜耳法生产氧化铝过程中，铝土矿中含有的少量碳酸盐(如石灰石、菱铁矿等)以及在添加石灰时混入的石灰石，在溶出过程高压高温条件下会与高浓度的苛性碱反苛化生成Na2CO3。铝酸钠溶液吸收空气中的CO2也会生成碳酸碱。每进行一次拜耳法循环，大约有3%的苛性碱转化为碳酸钠。

反苛化反应式：CaCO3+2Na0H-Na2CO3+Ca(OH)2

铝酸钠溶液苛性碱与空气中CO2反应式：2NaOH+CO2→Na2CO3+H2O

2 系统碳碱升高的原因及危害

在氧化铝生产过程中，铝酸钠溶液在不断地进行循环，流程中的各种杂质含量随着循环过程的反复积累不断升高，特别是铝酸钠溶液中碳碱浓度不断升高，给氧化铝生产造成了极大的危害。目前国内铝土矿资源储量和矿石品位逐年下降，矿石铝硅比已经降至4.8以下，AO含量低于57%，矿石中所含Si、C、S、Ca等杂质含量相应升高，尤其是C、S、Ca等杂质含量过高将导致氧化铝生产中碳碱浓度升高，甚至出现短期内碳碱急剧升高，溶出机组自蒸发器E8、E9罐内及出料管内大量碳碱结晶析出，造成E8、E9出料不畅，溶出机组被迫减产或转水冲洗碳碱结晶，严重者造成停车事故，对氧化铝生产的稳定运行造成恶劣影响。

氧化铝系统中的碳碱被视为无效碱，长期在流程中积累，增加了单位能耗，碳碱达到平衡浓度时，以固体析出，结疤后和铝硅酸钠和芒硝碱混杂在一起的所形成的不溶性的致密结构，造成设备的传热效率下降，过程能量增加。在溶出矿浆自蒸发器后几级造成出料不畅，对溶出系统的稳定运行及溶出指标的优化造成不良影响；对沉降叶滤、种分的影响，增加了铝酸钠溶液的粘度，不利于沉降的分离及叶滤的过滤，增加了铝酸钠溶液的稳定性，造成分解率下降；在蒸发过程中会在加热管壁上形成结疤，不仅降低了蒸发器的换热系数，也缩短了蒸发器的运行周期，增加了蒸发汽耗。

3 降低系统碳碱的措施

系统碳碱浓度升高，影响氧化铝生产多个工序的工艺指标和稳定运行。因此，如何有效降低系统碳碱已经成为国内各大氧化铝厂攻关的课题之一。拜耳法生产中的碳酸钠，根据它在循环碱液中的溶解度变化规律，可以在蒸发过程中使其析出，再用沉降或过滤的方法进行分离，一般拜耳法氧化铝厂均设置专门的苛化工序对这部分碳酸钠进行苛化处理，以回收这部分碱，降低碱耗。中美铝业为降低系统碳碱浓度采取的主要措施：基本可概括为“少进多排”，一是控制系统带入的碳酸盐，减少碳碱生成；二是提高系统排盐量，加大碳碱从系统排出。结合公司实际情况，主要实施以下措施：

3.1 加强源头控制，把住原材料进口关，控制少进抓落实

公司严把矿石、石灰进口关，通过同行业对标，对矿石Ca、C、S含量和石灰有效钙指标等几个关键指标，严格控制采购标准。将矿石指标由原来的Ca含量小于3.0%，C小于1.0%，S小于0.3%调整至Ca含量小于2.0%，C小于0.4%，S小于0.25%，石灰有效钙大于80%。在收购过程中对不合格矿石、石灰采取拒收、扣减、报废等措施，使进厂矿石和石灰指标得到明显好转。进入系统的碳酸盐量大大降低，有效缓解了系统碳碱的持续升高。

3.2 提高排盐苛化效率，加大碳碱排出

3.2.1 提高强制效的出料浓度，增大碳碱析出量

随着溶液中总碱浓度的提高，碳酸钠溶解度急剧下降。母液蒸发时，当碳酸钠超过其平衡浓度，Na2CO3·H2O即自溶液中结晶析出。在生产中，铝酸钠溶液中的碳酸钠是逐渐积累的。当分解母液中经过若干循环积累到一定含量时，将此母液蒸发到要求的浓度，例如300g/LNa2OT，则过饱和的碳酸钠沿溶解度曲线结晶析出，直到达到该浓度下的平衡含量为止。由于有机物等杂质的影响，碳酸钠溶解度曲线发生偏移，较理论上溶解度有所上升，在实际生产中，强制效浓度300g/L时碳碱析出量较少。为加快碳碱析出，经过研究决定提高强制效的出料苛碱浓度，由原来的300g/l提升到320g/l，提高以后碳碱析出量大大提高。

3.2.2 创新蒸发器低负荷运行模式，强制效、五效、六效单独运行，显著提高捞盐效率

中美铝业现有一套400kt/a蒸发机组，该机组为六效逆流，四级闪蒸外加一个强制效蒸发器。现因严峻的环保形势，每年进入冬季10月份至次年3月份进入限产季，溶出机组进料量减半，蒸发器每天都要开停车一次，且蒸发器每天只运行12小时左右，强制效正常运行每天8小时左右，强制效运行时间短造成碳碱打捞量偏少，碳碱进出不平衡，造成系统碳碱居高不下。

为解决这一难题，公司研究决定改变蒸发器运行模式，采取强制效、五效、六效单独运行，工艺流程为合格母液出料直接进强制效蒸发器，保证强制效出料浓度控制在290g/L以上，原液停止进四效蒸发器而改进六效蒸发器，六效蒸发器通过过料泵打入五效蒸发器，通过五效出料泵出料进母液槽。同时需控制好六效蒸发器原液进料量和五效蒸发器出料量，与苛化沉降槽溢流进母液槽进行混合，调配成合格的循环母液，保证后续液量的供应。

通过创新蒸发器低负荷期间运行模式，有效延长了强制效蒸发器每天运行时间，从每天8小时提高至20小时以上，提高了苛化沉降槽进料量，增加了沉降槽碳碱析出，显著提高了捞盐效率，8月～10月每月碳碱打捞量较改造前增加至原来的4倍以上。

3.3 碳碱部分外排，打破碳碱苛化总量受限的瓶颈，进一步提高碳碱打捞量

排盐苛化工序利用过滤机对碳酸钠溶液进行液固分离，滤液进入溢流槽打入母液槽，滤饼进入滤饼槽打入苛化槽，苛化槽加入石灰乳用蒸汽加热对滤饼进行苛化，苛化反应需进行2小时左右，化验苛化率合格后，用苛化泵把苛化好的苛化渣送到沉降一洗槽。当捞盐量多，苛化渣送量大时，一是影响沉降赤泥洗水添加量，造成沉降末次全碱升高，而苛化渣过高的苛性比，直接造成精液苛性比及后续分解率等多项关键技术指标劣化，二是沉降槽需预留足够槽存空间接收苛化渣，若槽存不足则影响苛化渣接收，一定程度上限制了排盐量的提高。为减小对系统指标的影响和提高排盐总量尽快降低碳碱浓度，公司将部分碳碱进行外排、外售，根据生产情况合理调整苛化与外售比例，实施碳碱苛化与外排并行，最大程度提高碳碱打捞量。

4 改进效果

通过实施以上控制措施，中美铝业的系统碳碱浓度逐步下降，最终得到有效控制，循环母液Nc/Nt稳定在12%～13%的正常区间，具体情况见下图。

5 结论

（1）矿石中Ca、C、S、石灰中CaCO3等成分升高，会造成短时间内系统碳碱急剧上升，因此控制进厂矿石和石灰的杂质含量是降低系统碳碱的有利措施。

（2）加大蒸发强化排盐是迅速扭转系统碳碱升高的关键措施，提高强制效出料浓度，碳碱苛化和外排并行提高总捞盐量，从而拉大碳碱进入与排出的差值，可快速降低碳碱浓度，稳定生产。

（3）创新蒸发器低负荷生产模式，由六效降膜蒸发加强制效运行改为两效加强制效运行，兼顾正常生产液量转移与碳碱打捞，对提高捞盐效率、降低单位捞盐汽耗有突破性的效果。

（4）系统碳碱浓度指标对氧化铝厂的生产稳定与经济运行影响较大，生产中应密切监控此指标，若发现异常升高，应迅速采取措施降低碳碱浓度，使其稳定在合理的范围内。