20 kt/a氟硅酸法氟化鋁裝置設(shè)計(jì)及運(yùn)行狀況

虞云峰，冷 慧，劉永成

（湖北宜化集團(tuán)有限責(zé)任公司，湖北 宜昌 443000）

湖北宜化集團(tuán)有限責(zé)任公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)公司）20 kt/a氟硅酸法氟化鋁項(xiàng)目是為豐富公司現(xiàn)有300 kt/a磷酸裝置產(chǎn)業(yè)鏈、實(shí)現(xiàn)副產(chǎn)氟資源綜合利用而建設(shè)的裝置。該裝置由公司與上海弗萊希環(huán)保科技有限公司合作建設(shè)，位于湖北省松滋市陳店鎮(zhèn)臨港工業(yè)園宜化肥業(yè)有限公司，工程于2019 年11 月設(shè)計(jì)開(kāi)工，2020年8月1日建設(shè)完工，并一次性開(kāi)車(chē)成功產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品，在當(dāng)月實(shí)現(xiàn)達(dá)產(chǎn)達(dá)標(biāo)。

1 氟化鋁生產(chǎn)工藝

氟化鋁主要用于煉鋁行業(yè)，是電解鋁生產(chǎn)所用到的主要添加劑之一。氟化鋁的生產(chǎn)需要用到氟元素，氟元素主要源自螢石或磷礦石。因此，氟化鋁生產(chǎn)工藝可大致分為以螢石為主要原料的傳統(tǒng)濕法氟化鋁工藝、干法氟化鋁工藝，以及以磷酸副產(chǎn)物氟硅酸為主要原料的氟硅酸法氟化鋁工藝［1］。

1.1 濕法氟化鋁工藝

濕法氟化鋁工藝是最傳統(tǒng)的工藝，將硫酸和螢石高溫反應(yīng)制得粗氟化氫氣體，經(jīng)吸收制得粗氫氟酸，氫氟酸與氫氧化鋁在一定溫度下反應(yīng)生成三水氟化鋁，經(jīng)過(guò)濾、干燥、煅燒，最后得無(wú)水氟化鋁成品。該工藝得到的產(chǎn)品雜質(zhì)含量高、品質(zhì)較差，不滿(mǎn)足下游用戶(hù)需求，屬于淘汰工藝［2］。

1.2 干法氟化鋁工藝

干法氟化鋁工藝核心原理是利用螢石與硫酸反應(yīng)得到無(wú)水氟化氫氣體，氟化氫與氫氧化鋁在高溫下反應(yīng)得到氟化鋁成品。該工藝可以生產(chǎn)出品質(zhì)較好的氟化鋁，但由于目前螢石資源緊缺，被納入國(guó)家戰(zhàn)略資源，因此干法氟化鋁工藝的發(fā)展受到限制，生產(chǎn)成本過(guò)高，產(chǎn)品盈利能力較弱。

1.3 氟硅酸法氟化鋁工藝

氟硅酸法氟化鋁工藝不止一種。公司采取的是將磷酸濃縮裝置副產(chǎn)的氟硅酸作為原料，與氫氧化鋁直接反應(yīng)脫硅，經(jīng)過(guò)濾、結(jié)晶、離心、干燥、煅燒后得到氟化鋁成品。該法生產(chǎn)的氟化鋁除松裝密度較干法略低外，其他性能均能很好地滿(mǎn)足下游行業(yè)使用要求。由于主要原料氟硅酸是自有磷酸裝置的副產(chǎn)物，相對(duì)干法工藝成本低。

2 氟硅酸法氟化鋁生產(chǎn)裝置設(shè)計(jì)

本裝置采用直接法工藝，公司對(duì)部分工序采取了自主創(chuàng)新，生產(chǎn)工藝流程見(jiàn)圖1，各工序設(shè)計(jì)情況如下。

圖1 氟硅酸法氟化鋁生產(chǎn)工藝流程

2.1 反應(yīng)、過(guò)濾工序

氟硅酸與氫氧化鋁反應(yīng)實(shí)際是分步進(jìn)行，首先生成氟硅酸鋁，反應(yīng)伴隨著放熱，隨后氟硅酸鋁分解形成氟化鋁、二氧化硅與氫氟酸，氫氟酸繼續(xù)與氫氧化鋁反應(yīng)得到氟化鋁。

其分步反應(yīng)方程式如下［3］：

將加熱后的氟硅酸與氫氧化鋁分別計(jì)量后直接混合反應(yīng)脫硅，得到含有二氧化硅的氟化鋁料漿，料漿經(jīng)過(guò)帶式過(guò)濾機(jī)過(guò)濾除硅后得到氟化鋁溶液。

氟硅酸采用雙石墨換熱器加熱，換熱效率高，副產(chǎn)的蒸汽冷凝液全部回用至反應(yīng)、過(guò)濾系統(tǒng)。

公司選用的氟硅酸計(jì)量槽通過(guò)溢流口控制計(jì)量，每個(gè)計(jì)量槽有2個(gè)溢流口，可以通過(guò)變換溢流口改變每一槽的氟硅酸加入量，靈活調(diào)節(jié)生產(chǎn)負(fù)荷。

帶式過(guò)濾機(jī)濾布沖洗水經(jīng)過(guò)板框壓濾機(jī)壓濾后一部分回用作帶式過(guò)濾機(jī)濾布沖洗水，一部分用作尾洗工序的補(bǔ)水，減少了一次水的使用量。

2.2 結(jié)晶、離心工序

過(guò)濾得到的氟化鋁溶液在結(jié)晶槽內(nèi)直接升溫結(jié)晶，結(jié)晶時(shí)間控制在4 ～5 h，結(jié)晶溫度控制在95 ～99℃，生成三水氟化鋁料漿。結(jié)晶槽采用碳鋼襯膠結(jié)構(gòu)，本體盤(pán)管升溫，底部放料口裝有自主設(shè)計(jì)的防燙器，可以實(shí)現(xiàn)安全在線(xiàn)清堵。

公司選用刮刀式自動(dòng)卸料離心機(jī)對(duì)三水氟化鋁料漿進(jìn)行離心、卸料。并將離心后的母液統(tǒng)一收集、自然沉降，底部物料回收并重新送至離心工序，上部清液回用作離心機(jī)濾布沖洗水。

2.3 干燥、煅燒、尾洗工序

本裝置離心后的三水氟化鋁濕料經(jīng)螺旋輸送機(jī)進(jìn)入干燥機(jī)，通過(guò)引風(fēng)機(jī)抽取煅燒窯內(nèi)的熱氣在干燥機(jī)內(nèi)對(duì)濕物料進(jìn)行干燥，脫除表面游離水，得到三水氟化鋁干料。

干燥機(jī)引風(fēng)攜帶有大量物料粉塵，經(jīng)過(guò)旋風(fēng)除塵器、袋式除塵器兩級(jí)除塵后進(jìn)入三級(jí)尾氣洗滌塔洗滌達(dá)標(biāo)后排放，物料粉塵全部回收。

干燥后的物料進(jìn)入煅燒窯，利用天然氣經(jīng)窯壁直接煅燒物料，煅燒后的物料經(jīng)循環(huán)水冷卻后得到無(wú)水氟化鋁成品。

3 氟化鋁裝置特點(diǎn)

公司氟化鋁裝置依托現(xiàn)有磷酸裝置建成，以磷酸濃縮工序副產(chǎn)的氟硅酸為原料，實(shí)現(xiàn)了氟資源綜合利用，符合循環(huán)經(jīng)濟(jì)原則，極大地提升了氟產(chǎn)品的附加值。項(xiàng)目裝置具備環(huán)保、節(jié)能、氟利用率高三大特點(diǎn)。

3.1 環(huán)保

（1）將生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的蒸汽冷凝液全部回用于反應(yīng)、過(guò)濾工序，極大地減少了一次水的用量。

（2）將離心后的母液沉降，上層清液用作離心機(jī)濾布沖洗水，實(shí)現(xiàn)了離心廢水的循環(huán)利用。

（3）產(chǎn)生的一切廢水全部回用作公司磷銨裝置工藝補(bǔ)水，實(shí)現(xiàn)了廢水零排放。

（4）將反應(yīng)、過(guò)濾工序產(chǎn)生的含氟尾氣與干燥工序排放的尾氣統(tǒng)一收集，采取管道噴淋與三級(jí)尾洗塔串聯(lián)的方式充分洗滌，徹底解決了廢氣無(wú)組織排放問(wèn)題。

3.2 節(jié)能

（1）充分利用蒸汽冷凝液熱量，減少了外部能耗。

（2）將結(jié)晶后的物料利用刮刀式自動(dòng)離心機(jī)進(jìn)行固液分離，安全高效，離心后的半成品物料w（H2O）可降低至10%以下，遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)帶式過(guò)濾機(jī)過(guò)濾后的w（H2O）20%，顯著地減少了干燥、煅燒工序的能耗。

（3）相較于同行業(yè)經(jīng)常采取的干燥、煅燒一體化設(shè)計(jì)，本裝置將干燥與煅燒分開(kāi)，采取逆流加熱，利用煅燒窯窯腔的余熱作為干燥機(jī)的熱源，實(shí)現(xiàn)了能量的充分利用，且無(wú)須外部提供額外熱源。

3.3 氟利用率高

（1）本裝置的干燥、煅燒工序抑制了副反應(yīng)的發(fā)生，提高了產(chǎn)品的氟含量，處于行業(yè)先進(jìn)水平。

（2）公司依托現(xiàn)有磷酸裝置，將裝置產(chǎn)生的部分含氟廢水返回磷酸裝置濃縮工序進(jìn)行氟吸收后得到氟硅酸繼續(xù)作原料使用，進(jìn)一步提升了氟資源的綜合利用率。

4 運(yùn)行狀況

本裝置建成后1個(gè)月內(nèi)達(dá)產(chǎn)達(dá)標(biāo)，至今運(yùn)行穩(wěn)定，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)設(shè)計(jì)要求。

4.1 開(kāi)車(chē)優(yōu)化項(xiàng)目

（1）為提升反應(yīng)效果，降低放料口清理強(qiáng)度，公司將氟硅酸w（H2SiF6）控制在18% ～20%，反應(yīng)pH控制在1.7 ～2.0；并針對(duì)反應(yīng)槽攪拌槳尺寸、形狀進(jìn)行了自主設(shè)計(jì)，將反應(yīng)槽攪拌槳原始設(shè)計(jì)的雙層攪拌槳葉更換為三層槳葉、底部弧形構(gòu)造，改造后反應(yīng)槽內(nèi)壁與底部基本不再有附著物，解決了堵塞的問(wèn)題。

（2）為延長(zhǎng)帶式過(guò)濾機(jī)濾布使用周期，公司通過(guò)自主創(chuàng)新，利用副產(chǎn)的蒸汽冷凝液為帶式過(guò)濾機(jī)濾布升溫，減少了三水氟化鋁在濾布上以α晶型的結(jié)晶，使帶式過(guò)濾機(jī)濾布使用周期由1 ～3 d延長(zhǎng)至7 ～12 d。

（3）對(duì)結(jié)晶槽攪拌槳槳葉形狀進(jìn)行了自主設(shè)計(jì)改造，加裝雙層槳葉并變更了槳葉尺寸，同時(shí)對(duì)放料口進(jìn)行了適當(dāng)改造，成功解決了結(jié)晶槽放料易堵塞的問(wèn)題。

4.2 指標(biāo)控制情況

1） 效益指標(biāo) 氟硅酸（折w（H2SiF6）100%）消耗≤1.2 t/t，氫氧化鋁消耗≤1.23 t/t，天然氣消耗≤150 m3/t，蒸汽消耗≤0.9 t/t，達(dá)到行業(yè)較好水平。

2） 質(zhì)量指標(biāo) 本裝置氟化鋁產(chǎn)品指標(biāo)滿(mǎn)足GB/T 4292—2017 中關(guān)于氟硅酸法無(wú)水氟化鋁的AF-2標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)比情況見(jiàn)表1。

由表1 可知，本裝置氟化鋁產(chǎn)品w（F）可穩(wěn)定在63%以上，優(yōu)于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)；產(chǎn)品w（灼減量）≤1.0%，處于同行先進(jìn)水平，甚至可以達(dá)到干法氟化鋁產(chǎn)品灼減量要求；產(chǎn)品中的硅、磷、硫酸根等雜質(zhì)含量均明顯優(yōu)于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

表1 氟化鋁產(chǎn)品指標(biāo)與GB/T 4292—2017要求對(duì)比

5 結(jié)語(yǔ)

公司氟化鋁裝置開(kāi)車(chē)至今運(yùn)行平穩(wěn)，具備以下優(yōu)勢(shì)：產(chǎn)品質(zhì)量好，裝置能耗低，蒸汽消耗≤0.9 t/t，天然氣消耗≤150 m3/t，處于行業(yè)先進(jìn)水平。