简介概要

平果氧化铝厂溶出液真实R_p的计算及数学模型

来源期刊：中国有色金属学报2001年第6期

论文作者：王龙章甘国耀刘孟端

文章页码：1122 - 1126

关键词：溶出液；真实R_p；氧化铝；数学模型

Key words：digested liquor； real R_p; alumina； math model

摘要：根据实际生产数据及溶出和稀释过程的实际物料平衡，探讨了溶出液真实R_p真的计算方法，克服了不能通过取样分析得到溶出液真实R_p真的困难。通过回归分析得出了平果铝生产条件下溶出液真实R_p真随溶出进料量和溶出液表观R_p表变化的数学模型。分析了溶出液表观R_p表与真实R_p真差值产生的原因，并提出了减小ΔR_p和提高溶出液真实R_p真及氧化铝综合回收率的主要途径在于：优化闪蒸操作，降低闪蒸出口温度；提高石灰分解率和活性度，在保证溶出性能的前提下，尽量减少进入溶出系统的CO₂量和石灰加入量。

Abstract: Using actual production data and mass equilibrium in digestion and dilution processes， the method of calculating digestion liquor real R_p was discussed and the difficulty in obtaining real R_p by sampling and analyzing was overcome also. Moreover， under the operation condition of Pingguo Alumina Refinery， math model of digestion liquor real R_p depending on digestion feeding rate and apparent R_p was regressed with actual production data. Reasons of difference between apparent R_p and real R_p were analyzed. The ways of lessening the difference and increasing digestion liquor real R_p and alumina recovery rate were as follows: making flash tank operation better and lowering temperature of digestion slurry at last flash tank outlet; increasing decomposition rate and activity of lime and decreasing quantities of CO₂ and lime into digestion system as much as possible under assuring proper digestion performances.

DOI:10.19476/j.ysxb.1004.0609.2001.06.035

平果氧化铝厂溶出液真实R_p的计算及数学模型

王龙章甘国耀刘孟端

平果铝业公司

平果铝业公司平果531400

摘要：

根据实际生产数据及溶出和稀释过程的实际物料平衡 , 探讨了溶出液真实Rp真的计算方法 , 克服了不能通过取样分析得到溶出液真实Rp真的困难。通过回归分析得出了平果铝生产条件下溶出液真实Rp真随溶出进料量和溶出液表观Rp表变化的数学模型。分析了溶出液表观Rp表与真实Rp真差值产生的原因 , 并提出了减小ΔRp和提高溶出液真实Rp真及氧化铝综合回收率的主要途径在于 :优化闪蒸操作 , 降低闪蒸出口温度 ;提高石灰分解率和活性度 , 在保证溶出性能的前提下 , 尽量减少进入溶出系统的CO2 量和石灰加入量。

关键词：

溶出液;真实Rp;氧化铝;数学模型;

中图分类号： TF821

收稿日期：2000-09-18

Calculation and math model of digested liquor real R _p

Abstract：

Using actual production data and mass equilibrium in digestion and dilution processes, the method of calculating digestion liquor real R p was discussed and the difficulty in obtaining real R p by sampling and analyzing was overcome also. Moreover, under the operation condition of Pingguo Alumina Refinery, math model of digestion liquor real R p depending on digestion feeding rate and apparent R p was regressed with actual production data. Reasons of difference between apparent R p and real R p were analyzed. The ways of lessening the difference and increasing digestion liquor real R p and alumina recovery rate were as follows: making flash tank operation better and lowering temperature of digestion slurry at last flash tank outlet; increasing decomposition rate and activity of lime and decreasing quantities of CO 2 and lime into digestion system as much as possible under assuring proper digestion performances.

Keyword：

digested liquor; real R p; alumina; math model;

Received： 2000-09-18

在拜尔法生产氧化铝的工艺流程中, 溶出液中氧化铝和苛性氧化钠的质量比, 即溶出液的R_p值 ^[1] 是衡量溶出机组生产能力的一个重要指标, 也是影响循环效率的一个重要因素。准确并及时地确定溶出液的R_p值, 对于如何及时调整配矿量, 更加科学、合理、高效地组织生产, 尽可能地提高氧化铝厂的生产能力, 有着十分重要的作用 ^[1,2] 。然而, 在通常情况下, 由于溶出矿浆的化学反应在溶出机组内没有进行完全, 直至稀释过程中仍在进行 ^[1,2,3] , 因而给测定溶出矿浆化学反应完成后的溶出液R_p值带来一定的困难。作者根据平果氧化铝厂的生产工艺流程, 探讨实际生产过程中溶出矿浆反应完成后的溶出液R_p值的计算方法以及缩小溶出液表观R_p与真实R_p差值的途径, 对于提高溶出液真实R_p及氧化铝综合回收率有重大意义。

1溶出液表观Rp表和真实Rp真的定义

平果矿属典型的一水硬铝石, 其溶出反应基本符合多孔颗粒的液-固反应模型 ^[3,4] 。为了改善溶出性能, 配矿时加入了约8%的石灰 ^[1,5,6] 。原矿浆经溶出机组溶出后所得到的溶出矿浆, 用洗液进行稀释, 然后进入两个约2 400 m³的溶出后槽, 在稀释及后槽停留阶段完成有关的继续反应之后所得的稀释矿浆, 用泵送到沉降洗涤系统, 其工艺流程如图1所示。

正常生产时, 通常在最后一级闪蒸出口取样分析R_p值, 我们将此时的溶出液称为表观溶出液, 其R_p值定义为溶出液表观R_p, 记为R_p表; 而将溶出矿浆中所有反应完成后的溶出液称为真实溶出液, 其R_p值定义为溶出液真实R_p, 记为R_p真。显然, 溶出液真实R_p真值由于加入洗液稀释而无法通过取样分析得到, 只能通过计算得出。

图1 平果氧化铝厂部分工艺流程图

Fig.1 Partial process diagram in Pingguo Alumina Refinery

2溶出液真实Rp真的计算及数学模型

如前所述, 由于溶出矿浆从末级闪蒸出来以后, 加入了洗液进行稀释, 致使无法通过取样分析来得到溶出液的真实R_p真值。为了得到溶出液真实R_p真值, 只能通过实际生产的物料平衡来进行计算。然而, 在一般的拜尔法物料平衡计算过程中, 通常是首先确定溶出液R_p等有关数据后才能进行, 并且不考虑溶出矿浆在稀释过程中继续反应的影响 ^[1] 。显然, 按通常的物料平衡计算方法难以计算出溶出液真实R_p真值。为此, 我们试图用实际生产过程中铝土矿、石灰、母液、表观溶出液、洗液、稀释液及稀释赤泥的有关化学分析数据的统计平均值, 并根据稀释过程中Al₂O₃, Na₂O_k, Na₂O_c和水的平衡来计算溶出矿浆在稀释过程中继续反应所引起的表观溶出液中Al₂O₃和Na₂O_k的变化量, 从而计算溶出液真实R_p真值。由于种种原因, 生产现场的有关计量仪表数据与实际相差较大, 在我们的计算过程中没有采用有关流量、质量等计量数据。下面将根据2000年上半年的有关生产统计数据, 并以1 000 kg干矿为基础, 探讨溶出液真实R_p真值的计算。

2.1有关生产数据

据统计, 2000年上半年所用铝土矿平均成分为: Al₂O₃ 62.57%; SiO₂ 3.83%; Fe₂O₃ 13.87%; TiO₂ 3.46%; CaO 1.00%; CO₂ 0.90%; 其它1.07%; 灼减13.30%。石灰的平均成分为: CaO 88.63%; CO₂ 6.22%; SiO₂ 1.23%; 其它3.92%。稀释赤泥中: A/S为2.28; N/S为0.38; C/S为2.13。其它溶液的相关成分如表1所示。

2.2溶出液真实Rp真值的计算

表1 2000年1～6月份有关生产数据统计平均值

Table 1 Relative production data average value in Jan.～Jun. 2000

Liquor	A / (g·L^-1)	N_k / (g·L^-1)	N_c / (g·L^-1)	R_p	ρ / (kg·m^-3)
Mother liquor	147.77	245.09	16.69	0.602 9	1 375.81
Apparent digestion liquor	331.08	276.01	25.2	1.199 5	1 496.20
Wash liquor	58.64	60.96	5.43	0.961 9	1 133.00
Diluted liquor	199.21	175.17	14.67	1.137 2	1 341.96

以1 000 kg干矿为计算基础。设1 000 kg干矿所需循环母液体积为V (m³) , 溶出过程中反苛化的氧化钠量为R_c (kg) , 稀释过程中溶出矿浆继续反应所引起的表观溶出液中氧化铝的减少量和苛性氧化钠的增加量分别为A (kg) 和C (kg) ; 表观溶出液、洗液、稀释液中的氧化铝、苛性氧化钠、碳酸氧化钠和水分别为A_表, N_k表, N_C表, H_表; A_洗, N_k洗, N_C洗, H_洗; A_稀, N_k稀, N_C稀, H_稀; 单位为kg。磨矿及溶出过程中机械损失按0.3%计; 稀释过程中污水进入量为50 kg; 溶出矿浆的继续反应中, 每消耗102 kg氧化铝消耗54 kg水, 每苛化62 kg碳酸氧化钠生成18 kg水; 根据稀释赤泥的成分可计算出配入石灰量为83.22 kg, 稀释赤泥中Al₂O₃为89.38 kg, Na₂O_k为14.90 kg, 其它有关数据如表2所示。

根据表1中有关溶液数据和稀释过程中Al₂O₃, Na₂O_k, Na₂O_c和水的平衡, 可得以下方程:

N_k表= (245.09V-R_c) ×0.997-14.9 (1)

表2 溶出和稀释过程的实际物料平衡 (以1 000 kg干矿为基础, 单位kg)

Table 2 Actual mass equilibrium in digestion and dilution processes based on 1 000 kg dry bauxite (kg)

Item	Al₂O₃	Na₂O_k	Na₂O_c	CO₂	H₂O	SiO₂	CaO	Others	Total
Bauxite	625.7			9.00	50.00	38.30	10.00	317.00	1 050.00
Lime				5.18		1.02	73.76	3.26	83.22
Mother liquor	599.99	995.13	67.77	48.09	3 875.19				5 586.17
Re-causticization		-19.90	+19.90
Apparent digested liquor	1 148.41	957.41	87.40	62.03	2 923.73				5 178.98
Reaction	-15.78	+7.65	-7.65	-5.43	-6.13				-27.34
Real digested liquor	1 132.63	965.06	79.75	56.60	2 917.60				5 151.64
Wash liquor	192.96	200.60	17.87	12.68	3 304.24				3 728.35
Diluted liquor	1 325.59	1 165.66	97.62	69.28	6 271.84				8 929.99
Dilution red mud	89.38	14.90		5.48	36.45	39.20	83.51	186.70	455.62

$\frac{(16.69 V + R_{c}) \times 0.997}{(245.09 V - R_{c}) \times 0.997 - 14.9} = \frac{25.2}{276.01} ? ? ? (2)$

H_表=1 496.20/276.01×N_k表-A_表-N_k表-

N_C表× (1+44/62) =3.053 8N_k表 (3)

H_洗=1 133.00/60.96×N_k洗-A_洗-N_k洗-

N_C洗× (1+44/62) =16.471 7N_k洗 (4)

N_k稀= (245.09V-R_c) ×0.997-14.9+C+

N_k洗 (5)

1.137 2N_k稀= (147.77V+625.7) ×0.997-

89.38+0.961 9N_k洗 (6)

14.67/175.17×N_k稀= (16.69V+R_c) ×

0.997-C+5.43/60.96×N_k洗 (7)

H_稀=1 341.96/175.17×N_k稀-A_稀-N_k稀-

N_C稀× (1+44/62) =5.380 5N_k稀 (8)

A=1.199 5N_k表- ( (147.77V+625.7) ×

0.997-89.38) (9)

H_表-A×54/102+C×18/62+H_洗+50=H_稀 (10)

R_p真= (1.199 5N_k表-A) / ( (245.09V-

R_c) ×0.997-14.9+C) (11)

在以上 (1) ～ (11) 式中, 共有11个未知数, 联立求解可得

V=4.060 28

R_c=19.90

A=15.78

C=7.65

R_p真=1.1736

由此可知, 溶出矿浆的继续反应使表观溶出液中氧化铝减少15.78 kg, 苛性氧化钠增加7.65 kg, 溶出液真实R_p真为1.173 6。由此可计算出溶出及稀释过程的实际物料平衡如表2所示。另据统计, 2000年上半年相对溶出率为91.64%, 根据文献报道的平果铝土矿溶出R_p与相对溶出率的实验结果 ^[2] , 用插值法可求出溶出R_p为1.173 0, 与我们的计算结果非常接近, 说明我们计算溶出液真实R_p真的方法是可行的, 计算结果是准确可靠的。通过计算溶出液真实R_p真值, 我们发现溶出液的真实R_p真值和表观R_p表值存在一定的差距。 2000年上半年我厂生产数据显示, 当溶出液表观R_p表值为1.199 5时, 其真实R_p真值仅有1.173 6, 比表观R_p表值低0.025 9。这给我们一个启示, 当确定配矿R_p时, 不要受虚高的溶出液表观R_p表所迷惑, 造成配矿量不足, 影响产能的提高, 而应注意到溶出液真实R_p真值和表观R_p表值存在一个可观的差值, 尽量多配矿, 充分发挥溶出机组的生产能力, 这对于科学合理的组织生产有重要的指导作用。

2.3计算溶出液真实Rp真的数学模型

以上溶出液真实R_p真的计算相当复杂, 在实际生产中不便应用。几年来, 平果铝的生产实践表明, 溶出操作条件基本保持稳定, 发生变化的只是溶出进料量和配矿R_p, 它们从投产初期的400 m³/h和1.11发展到现在的430 m³/h和1.17。表3列出了从1997年到目前为止各阶段的溶出进料量和溶出液表观R_p表以及按以上方法计算出来的溶出液真实R_p真。根据表3所列数据, 采用线性回归方法, 得出了溶出液真实R_p真的数学模型如 (12) 式所示, 其相关系数γ为0.92, 均方差σ为0.001。

R_p真=0.335 5+0.835 4R_p表-3.831×10^-4F (12)

由此根据溶出进料量F和溶出液表观R_p表就能很方便地计算出溶出液真实R_p真。

3溶出液表观Rp表与真实Rp真的差值分析及减小该差值的途径

3.1 溶出液表观Rp表与真实Rp真的差值分析

设溶出液表观R_p表与真实R_p真的差值为ΔR_p, 根据 (12) 式可得

表3 不同生产条件下的溶出液真实Rp真

Table 3 Digested liquor real R_p in different operation condition

	1997			1998			1999			2000
	1st half	2nd half	Whole	1st half	2nd half	Whole	1st half	2nd half	Whole	1st half
Flow/ (m³·h^-1)	400	420	409	425	430	427	434	428	431	428
Apparent R_p	1.157 0	1.168 0	1.163 0	1.172 0	1.180 0	1.176 0	1.184 0	1.192 0	1.188 0	1.199 5
Real R_p	1.148 0	1.150 8	1.150 5	1.151 3	1.156 1	1.154 0	1.158 0	1.167 2	1.162 4	1.173 6

ΔR_p=R_p表-R_p真=0.197 R_p真+4.586×

10^-4F-0.401 6 (13)

由 (12) 式可知, ΔR_p随溶出进料量的增加及溶出液真实R_p真的提高而增大。当溶出液R_p真为1.11, 进料量F为400 m³/h时, 溶出液表观R_p表与真实R_p真的差值ΔR_p几乎为0。这就是AP公司为平果铝厂设计的操作条件。按这些条件进行操作时, 溶出液R_p与精液R_p相差较小, 而目前溶出液R_p与精液R_p相差较大, 达0.08, 溶出液表观R_p表与真实R_p真的差值较大是造成这一结果的重要原因之一。

关于溶出液表观R_p表与真实R_p真的差值产生的原因, 根据前面有关溶出液真实R_p真的计算可知, 主要是由于稀释时溶出矿浆的继续反应过程, 使表观溶出液中氧化铝减少和苛性氧化钠增加, 从而导致溶出液真实R_p真的减小所致。关于溶出矿浆继续反应的机理, 很多研究者做了大量工作, 主要有以下几种观点。

1) 在一水硬铝石溶出时, 溶液处于Ca (OH) ₂的稳定区 ^[1,2,3] , 而在自蒸发冷却和稀释过程中, 液相才处于3CaO·Al₂O₃· 6H₂O的稳定区, 从而导致稀释时氧化铝损失增加和溶出液真实R_p真的降低, 其主要反应如下:

3Ca (OH) ₂+2NaAl (OH) ₄=

3CaO·Al₂O₃·6H₂O+2NaOH (14)

2) 铝土矿和石灰中的CaCO₃在高温溶出时发生反苛化反应, 而在自蒸发冷却和稀释过程中, 则发生苛化反应 ^[1,3] , 从而导致稀释时苛性氧化钠增加和溶出液真实R_p真的降低, 其主要反应如下:

Ca (OH) ₂+Na₂CO₃=CaCO₃+2NaOH (15)

3) 在生成水化石榴石3CaO·Al₂O₃·mSiO₂ · (6-2m) H₂O的过程中, 其SiO₂的饱和过程受扩散步骤控制, SiO₂与Al₂O₃的分子比m随温度的降低而减小 ^[3,7] 。当温度为170 ℃时, m为0.7～0.8; 当温度为95 ℃时, m为0.2; 从而导致稀释时氧化铝损失增加和溶出液真实R_p真的降低。

4) 石灰中少量活性较低的CaO, 由于其变成Ca (OH) ₂的时间较长, 以致于在溶出过程中一直未参加反应 ^[3,6,8,9,10] , 而在稀释停留阶段才发生上述反应 (14) 和 (15) , 从而导致稀释时溶出液真实R_p真的降低。

5) 溶出矿浆在稀释过程中进一步发生脱硅反应, 要造成溶出液中氧化铝的损失 ^[1] , 从而导致稀释时溶出液真实R_p真的降低。

以上导致溶出液真实R_p真降低的几种观点, 有可能同时起作用, 也有可能单独起作用, 或是其中一个或几个观点起主要作用, 因各生产厂条件不完全一致, 得出的结论可能会有所差异。至于平果铝土矿溶出矿浆继续反应引起溶出液真实R_p真降低的机理, 还有待于进一步的实验研究。作者主要讨论这些反应所产生的结果, 即对溶出液R_p影响的程度。