拜耳法赤泥沉降分离系统絮凝剂的选型研究

1 前 言拜耳法赤泥的沉降分离工序是混联法氧化铝生产工艺的主要工序之一。沉降工序的正常运行不仅关系到氧化铝产品质量的好环、设备生产能力的发挥，还对整个生产流程和工厂的生产成本及经济利益有着重要的影响。为强化赤泥的沉降分离过程，即提高沉降速度、改善沉降槽溢流质量、降低底流的液固比，通过添加人工合成的高分子絮凝剂加速赤泥的沉降分离，可有效地实现拜耳法赤泥的沉降分离。赤泥的絮凝、沉降分离是一个极其复杂的物理化学过程。拜耳法溶出矿浆是由赤泥与铝酸钠溶液形成的悬浮液，赤泥粒子之间以及赤泥粒子与溶液之间存在着复杂的物理化学作用，赤泥的物相组成、粒度分布、颗粒表面形态以及赤泥浆液的固体含量、液相成分、温度等对赤泥浆液的沉降分离过程均有明显影响。因赤泥粒子表面具有较大的剩余价力、分子力和氢键作用力，可吸附溶液中的带电离子并能和介质发生强烈的溶剂化作用，形成一定厚度的扩散层，阻碍了粒子间的作用，使得赤泥粒子难以聚结成较大的颗粒而沉降。高分子絮凝剂的作用机理就在于通过吸附架桥、表面吸附和电荷中和的作用引起赤泥颗粒之间的有效凝聚，形成“大粒子"使沉降速度大大加快。高分子絮凝剂的作用效果取决于絮凝剂本身的性质，如分子量、有效官能团和水解度等。不同的铝土矿来源、不同的工艺条件所得到的赤泥的沉降性能不同，为了达到理想的沉降分离效果，必须选择与之相适应的高分子絮凝剂。由于赤泥沉降分离过程的复杂性，对如何根据溶出矿浆的物理化学性能合成或选择与之相适应的高效絮凝剂，到目前为止，还没有有效的理论作指导，必须通过大量的试验研究才能选择出符合要求的高分子絮凝剂并确定相应的工艺条件，实现溶出赤泥的高效分离。我公司拜耳法生产系统采用5台Φ42×6m单层大型沉降槽承担赤泥的沉降分离洗涤任务，选用国产A-1000#、英国Alclar-600#和公司自产的絮凝剂，实际生产中几种絮凝剂交替使用。由于矿石质量、溶出条件经常波动，沉降槽跑浑、赤泥膨胀等现象时有发生，因此选择一种与我公司拜耳法赤泥相适应的经济、有效的絮凝剂是我们亟待解决的问题。
2 赤泥沉降分离试验室对比试验不同性质的絮凝剂沉降性能各不相同，在选择絮凝剂时，必须经过试验室考查和鉴定。絮凝剂的试验室鉴定内容包括絮凝剂用量、配制、赤泥的沉降速度、上清液清澈度及赤泥的压缩性能。我公司拜耳法赤泥分离、洗涤目前使用的絮凝剂为国产A-1000#、英国Alclar-600#及公司自产的絮凝剂。絮凝沉降试验在玻璃恒温水浴中进行。依据生产特点，拜尔法赤泥的沉降温度设为95℃，国产A-1000#和Alclar-600#、河南卫辉PAS-1#及法国产的几种絮凝剂进行拜耳法赤泥沉降性能对比试验，表1、表2为试验结果。从多种絮凝剂的试验结果可以看出英国Alclar-600#絮凝剂沉降性能是相对较好的，其次是卫辉PAS-1#和国产A-1000#絮凝剂。在同等使用条件下河南卫辉PAS-1#与英国Alclar-600#性能相近。

英国600#絮凝剂呈白色粉末状，属阴离子型絮凝剂，其不仅含有羧基、酰胺基功能团，而且主链结构也不同于一般的聚丙烯酸盐或丙烯酸和酰胺共聚物。虽然分子量较大，但溶解性能良好，在Nk为3～12g/L的溶液中易于溶解，对温度变化相当敏感。英国Alclar-600#絮凝剂溶液与赤泥浆混合后，絮凝时间短、赤泥絮团物大，因而沉降速度大，在几秒钟内即出现清液层，使赤泥提前进入压缩沉降阶段。对比试验表明，英国Alclar-600#的稳定性好、抗剪切应力较强、对赤泥的物化性质适应性强，是目前我国氧化铝行业筛选出的最优进口赤泥沉降絮凝剂。但由于售价高、供货周期长，未能大范围使用。国产A-1000#絮凝剂呈胶状，以聚丙烯酸钠为主要成分，具有阴离子和绝大部分非离子的丙烯酸基团。因其胶体难溶，在溶解时需要长时间的搅拌，使得絮凝剂分子链受到不同程度地剪切破坏；另外溶解时间过长，对絮凝剂的活性也有影响。对比试验表明，A-1000#絮凝剂存在一个明显的诱导期，在沉降初期不稳定，没有清楚的泥浆界面，沉降速度较慢，清液质量不如英国Alclar-600#，A-1000#的使用量较英国Alclar-600#高出8～10倍。河南卫辉PAS-1#絮凝剂是一种粉末状的水溶性聚合物，由丙烯酰胺聚合经专门处理衍生的一种新型絮凝剂，属阴离子型高分子聚合物。而拜耳法溶出料浆所含的悬浮粒子在工业稀释料浆条件下多为表面荷有一定动电电位的阳离子，这样PAS-1#絮凝剂就能够通过其高分子链上的阴离子官能团与带阳离子的矿物微粒发生静电中和；另一方面，PAS-1#大分子链的架桥作用也使赤泥沉降分离进行得更加有效。由对比试验可知，其沉降速度、压缩L/S接近或达到英国Alclar-600#的性能。
3 卫辉PAS-1#絮凝剂拜耳法赤泥沉降分离工业试验经过试验室对比分析，英国Alclar-600#和卫辉PAS-1#是我们筛选出待定的絮凝剂，考虑到生产的经济性和方便性，对PAS-1#进行工业试验，考查其能否经济有效地应用于我公司拜耳法赤泥分离工序。工业试验在5台Ф42m沉降槽中进行，拜耳法高压溶出液与稀释矿浆均为实际生产条件下的溶液。分离沉降槽温度为100℃左右，洗涤沉降槽温度90℃左右。絮凝剂在带有浆式搅拌器的溶解槽中进行溶解，絮凝剂溶液的输送采用柱塞泵。分离与洗涤系统均使用PAS-1#絮凝剂，浮游物过高时采用添加天然絮凝剂处理。工业试验进行了10d，由试验结果可知，PAS-1#应用于我公司拜耳法赤泥分离工序，具有较好的絮凝效果，见表3。

⑴可保证我公司高压溶出液以830m3/h的流量顺利通过赤泥分离与洗涤沉降系统。⑵卫辉PAS-1#絮凝剂配成浓度为0.3～0.32kg/m3的絮凝剂溶液，工业生产最佳添加量为1.4/万(其中分离系统为0.06～0.07kg/t干赤泥，I次洗涤系统为0.03～0.04kg/t干赤泥)，基本达到相关工艺指标。分离、洗涤沉降槽的浮游物分别小于250mg/L、100mg/L；分离、洗涤沉降槽底流固含300～400g/L；稀释矿浆加入PAS-1#溶液静置10min，清液层大于60%，即150mL，并有明显的分界线。⑶使用PAS-1#可产生显著的经济效益。英国Alclar-600#依靠进口，价格昂贵，以PAS-1#替代之，年可节约费用100万元；国产A-1000#耗用量大，以PAS-1#替代之，年可节约费用80余万元，由于PAS-1#性能良好，增加了生产的稳定性与可靠性，减少了工人的劳动强度。
4 结 论⑴河南卫辉PAS-1#絮凝剂各项指标达到或接近英国Alclar-600#，考虑到经济上的因素，我公司拜耳法赤泥沉降分离工序可选用PAS-1#絮凝剂作为添加剂。
⑵经过工业试验，PAS-1#配制为0.3～0.32kg/m3水溶液，最佳添加量为1.4/万，可保证我公司高压溶出系统以830m3/h的流量顺利通过。⑶PAS-1#属高分子聚合物，因其分子量高，在憎水性的主链上带有较强的亲水性极性基团，溶解时宜采用机械搅拌槽式溶解槽溶解，应用振动筛或人工缓慢撒入溶解槽，搅拌线速度以2m/s左右为宜；配制的溶液为防止影响絮凝效果，应做到随用随配，最好当天或隔天用完；絮凝剂与矿浆混合要求控制区分絮凝沉降的三个不同阶段的混合搅拌条件(分散期、絮凝反应期、沉降期)。只有在实际使用中充分注意到这几点，才能有效发挥PAS-1#的絮凝效果，实现拜耳法赤泥的高效分离。