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摘要：随着社会的发展与进步，重视氧化铝行业沉降槽的优化设计与改造对于现实生活中具有重要的意义。本文主要介绍氧化铝行业沉降槽的优化设计与改造的有关内容。
关键词 沉降槽；氧化铝；优化；设计；改造；原理；高效化；
中图分类号：S611 文献标识码：A 文章编号：
引言
沉降槽是氧化铝生产液固分离主要设备之一。清液密度、底流密度、泥层高度三大指标可直接反映沉降槽运行是否稳定。目前，这三大参数皆通过人工取样来进行分析。由于人工分析时间滞后较大，且劳动强度高，造成系统稳定性较差，严重影响产能和产品质量。能否实现三大指标的在线实时显示就成为提高沉降槽分离效果的主要问题。
一、沉降分离的相关原理
在氧化铝生产中, 一般采用重力沉降分离的方法对稀释浆液进行液固分离。沉降速度的大小决定生产能力的大小。稀释浆液进入沉降槽后, 流动速度慢( 小于 1 5m/ s) , 固体赤泥匀速沉降速度符合斯托克斯沉降终速公式：
式中 v0自由沉降终速, m/ s;
g 重力加速度, 9 81 m/ s;
dp固体颗粒直径, m;
ρs固体颗粒密度, kg/ m
ρ流体介质密度, kg/ m
µ流体介质的粘度,N s/ m。
由公式( 1) 可知, 赤泥颗粒沉降速度与流体密度粘度系数颗粒直径 dp有关。通过控制以下几个参数, 可以提高沉降速度。( 1) 增大颗粒直径 dρ。首先, 本厂采用高效管道化溶出技术, 溶出率高达 95%, 若增大稀释矿浆的粒度, 势必降低溶出率, 对整个生产是不经济的;而通过添加高效絮凝剂, 优化絮凝剂的成分和配比,可以使小颗粒凝聚加快变大, 提高沉降速度。(2) 改变稀释浆液的密度 。稀释浆液密度变小, 粘度相应变小, 沉降速度相应提高。但依靠控制管道化溶出过程来降低稀釋浆液密度, 其稀释矿浆浓度亦会降低, 将影响溶出产出率; 而通过提高沉降一次洗液流量来降低稀释矿浆浓度, 又会对沉降槽内清液层造成冲击, 沉降性能变差, 沉降系统难以稳定运行。所以, 只有在不改变稀释浆液进料密度的前提下, 利用沉降槽内的上层清液对进料稀释矿浆进行二次稀释, 才能使沉降浆液密度变小, 以提高沉降速度, 达到提高沉降槽产能的目的。
二、沉降系统的高效化改造
原沉降系统槽体为单层悬挂式中心传动沉降槽( 见图 1) 。据高效沉降槽理论, 普通沉降槽高效化改造包括以下几方面: 增加槽体直筒边长度、加大槽底锥度、改进进出料方式、搅拌耙机的高效改造及絮凝剂添加点改造等。改造后结构形式见图 2。
2.1改造前准备
对老沉降槽的改造通常需要对原有土建基础部分及槽体壁厚重新检测及校验, 本次改造将尽量利用原有的土建基础结构与槽体钢板。沉降槽筒体增高后, 容积增大, 设备带料重量随之增加; 对新增的荷载部分, 土建专业应对原有基础进行加固处理。在使用过程中, 沉降槽体槽壁因腐蚀减薄, 整个槽体强度减小, 如果槽体腐蚀严重, 则设备无法进行改造利用。在土建基础及槽壁腐蚀条件允许时, 方可利用原有土建基础及槽体进行高效化改造。
2.2加高槽体筒体
根据传统沉降理论, 沉降槽的生产能力 Q 仅与沉降槽面积S 有关, 而与槽深度无关或者影响极小。但是增加沉降槽筒体高度, 能够增加沉降槽压缩区物料的压缩时间, 对降低沉降槽底流液固比具有很大的作用。由于原沉降槽体基础荷载受限, 槽体带料总重不得超过土建承受能力, 所以槽体直筒仅加高 500mm。在原沉降槽直筒体距下部 3m 处的位置将筒体切割成两部分, 然后再将高约 1 65m 的筒体焊接在两筒体之间( 见图 2) 。上部筒体和下部筒体的锥体部分继续使用。因在槽体下层腐蚀严重, 导致槽壁钢板腐蚀速度较快, 故将新加入的 1 65 m 筒体( 槽壁较厚) 焊接于槽体中下部。
2.3增设新锥底
高效沉降槽的显著特点是底部锥度较大,沉降系统的高效沉降槽锥底为 30 ,沉降槽体大锥底为 10 ( 槽底面与水平面夹角) , 小锥体为 15 ( 见图1) 。本次改造在原筒体内套中装设新制作的 25 锥底, 保留原槽体 10 锥底, 用角钢圈及角钢支架将新老锥底焊接。这样, 可以重复利用原有放射形片墙式基础支撑, 与 10 老锥体底面接触良好。25 新锥体套接在10 老锥体的内部, 两锥底夹层内仅为钢结构支撑部件, 没有物料。
2.4改进进出料装置
高效沉降槽的进出料部分是高效沉降的重要组成部分。进料部分根据内循环自稀释技术, 采用进料筒加文丘里射管和下料筒结构。高效沉降槽的进料内循环自稀释技术是利用文丘里管( 即利用流股的动能与势能相互转化) 控制进料稀释料浆与沉降槽槽内上层清液混合, 从而达到最佳进料固含, 以提高赤泥沉降速度, 提高沉降产能。内循环自稀释技术的特征是不改变溶液成分, 不增加沉降槽的总进料量。稀释液利用沉降槽清液层内的清液, 以降低沉降槽内下料筒的固含, 从而使沉降速度和处理能力大幅度提高。改造时, 文丘里射管径根据沉降槽处理进料液量和经验流速计算确定, 二沉降系统的分离槽按照处理 1000m3/ h 的液量, 管径规格确定为DN500。下料筒的作用为与外部清液层隔离, 使混合物料能够直接进入沉降槽的沉降过滤带。根据实际生产清液层高度约 5 m, 考虑到改造后清液层高度增加, 进料筒规格约为 3000 6500。原出料方式为约 1500 的小锥底底部出料, 底流依靠液柱静压自流入混合槽。改造后, 沉降槽下部出料将制作成 2000 3000 的下渣筒, 在该小筒体侧部开孔出料, 底流直接由渣浆泵打入下一级进料分配头。底流输送在增加渣浆泵( 带变频) 后, 底流流量实现自动控制。由于高效耙机主轴安装需在底部固定。小筒体底部需制作土建基础凸台, 以支撑主轴分担槽体液柱静压及搅拌机械部分重量。
2.5选用高效化搅拌耙机
沉降槽中耙机的作用为: 压缩后的底流由耙机耙向下渣筒, 底流由下渣筒侧部出料, 耙机缓慢旋动可促进底流压缩, 但不能引起搅动, 以免影响沉降。本次改造采用浙江恒丰泰减速机制造有限公司的高效耙机, 耙机转速约 0 152r/ min。该装置机构简单,耙机扭矩较原来大, 耙机无需提升。该搅拌耙机运行稳定, 检修维护方便, 此外, 耙机传动采用德国FLENDER 减速机。该减速机在河南分公司 2002 年种分槽改机械搅拌时应用于生产中, 至今尚未发生任何故障。设备运转率提高, 运行平稳, 为沉降槽高效化运行提供了有力保障。
2.6絮凝剂添加改造
选择高效能絮凝剂是加速赤泥沉降的有效方法之一。目前拜尔法沉降系统使用的高分子絮凝剂多为阴离子型的聚丙烯酸盐或聚丙烯酰胺的水解产物。在絮凝剂的作用下, 赤泥浆液中处于分散状态的细小泥颗粒互相联合成团, 粒度增大, 因而有效地提高了沉降速率。
絮凝剂的加入量原则上是在保证赤泥沉降速度和澄清度的情况下, 尽量少加。加入量过多, 会增大溶液中有机物含量, 溶液粘度增大, 反而影响赤泥沉降和压缩性能。而分次且多点加入, 可使絮凝剂有效分散, 与浆液充分接触, 这样不仅降低了絮凝剂的用量, 而且可以提高沉降速度和溢流澄清度。原沉降槽在饲料箱上开口加入淀粉类絮凝剂( 如麦麸等) , 絮凝剂在水中溶解性能差, 用量大。本次改造采用高效能絮凝剂( 聚丙烯酸盐等) , 按照分配比例50% 、25% 、25% 分别在沉降槽的进料管前部、文丘里管中部及下料筒分三点加入絮凝剂。絮凝剂的多点加入获得了均匀、连续絮凝的效果, 提高了絮凝沉降分离效率, 最终降低了絮凝剂的消耗量。从生产车间的絮凝剂使用量统计分析, 在增加絮凝剂加入点后, 单槽絮凝剂使用量比原来减少了5% 。
三、改造效果
改造后, 二沉降系统单槽的处理能力及指标参数明显提高, 改造前后工艺参数对比见表 1。
结束语
综上所述，改造后沉降槽产能提高 60% , 清液层高度提高 20%, 沉降槽底流液固比明显降低, 沉降系统产能极大提高。因此，沉降槽的优化改造设计为氧化铝行业的发展提供了强有力的推力。
参考文献
[1] 杨重愚. 氧化铝生产工艺学[M] . 北京: 冶金工业出版社, 2010.
[2] 孙佩极. 冶金化工过程及设备 [M] . 北京: 冶金工业出版社,2008.
[3] 毕诗文. 氧化铝生产工艺[M] . 北京: 化学工业出版社, 2006.
关键词 沉降槽；氧化铝；优化；设计；改造；原理；高效化；
中图分类号：S611 文献标识码：A 文章编号：
引言
沉降槽是氧化铝生产液固分离主要设备之一。清液密度、底流密度、泥层高度三大指标可直接反映沉降槽运行是否稳定。目前，这三大参数皆通过人工取样来进行分析。由于人工分析时间滞后较大，且劳动强度高，造成系统稳定性较差，严重影响产能和产品质量。能否实现三大指标的在线实时显示就成为提高沉降槽分离效果的主要问题。
一、沉降分离的相关原理
在氧化铝生产中, 一般采用重力沉降分离的方法对稀释浆液进行液固分离。沉降速度的大小决定生产能力的大小。稀释浆液进入沉降槽后, 流动速度慢( 小于 1 5m/ s) , 固体赤泥匀速沉降速度符合斯托克斯沉降终速公式：
式中 v0自由沉降终速, m/ s;
g 重力加速度, 9 81 m/ s;
dp固体颗粒直径, m;
ρs固体颗粒密度, kg/ m
ρ流体介质密度, kg/ m
µ流体介质的粘度,N s/ m。
由公式( 1) 可知, 赤泥颗粒沉降速度与流体密度粘度系数颗粒直径 dp有关。通过控制以下几个参数, 可以提高沉降速度。( 1) 增大颗粒直径 dρ。首先, 本厂采用高效管道化溶出技术, 溶出率高达 95%, 若增大稀释矿浆的粒度, 势必降低溶出率, 对整个生产是不经济的;而通过添加高效絮凝剂, 优化絮凝剂的成分和配比,可以使小颗粒凝聚加快变大, 提高沉降速度。(2) 改变稀释浆液的密度 。稀释浆液密度变小, 粘度相应变小, 沉降速度相应提高。但依靠控制管道化溶出过程来降低稀釋浆液密度, 其稀释矿浆浓度亦会降低, 将影响溶出产出率; 而通过提高沉降一次洗液流量来降低稀释矿浆浓度, 又会对沉降槽内清液层造成冲击, 沉降性能变差, 沉降系统难以稳定运行。所以, 只有在不改变稀释浆液进料密度的前提下, 利用沉降槽内的上层清液对进料稀释矿浆进行二次稀释, 才能使沉降浆液密度变小, 以提高沉降速度, 达到提高沉降槽产能的目的。
二、沉降系统的高效化改造
原沉降系统槽体为单层悬挂式中心传动沉降槽( 见图 1) 。据高效沉降槽理论, 普通沉降槽高效化改造包括以下几方面: 增加槽体直筒边长度、加大槽底锥度、改进进出料方式、搅拌耙机的高效改造及絮凝剂添加点改造等。改造后结构形式见图 2。
2.1改造前准备
对老沉降槽的改造通常需要对原有土建基础部分及槽体壁厚重新检测及校验, 本次改造将尽量利用原有的土建基础结构与槽体钢板。沉降槽筒体增高后, 容积增大, 设备带料重量随之增加; 对新增的荷载部分, 土建专业应对原有基础进行加固处理。在使用过程中, 沉降槽体槽壁因腐蚀减薄, 整个槽体强度减小, 如果槽体腐蚀严重, 则设备无法进行改造利用。在土建基础及槽壁腐蚀条件允许时, 方可利用原有土建基础及槽体进行高效化改造。
2.2加高槽体筒体
根据传统沉降理论, 沉降槽的生产能力 Q 仅与沉降槽面积S 有关, 而与槽深度无关或者影响极小。但是增加沉降槽筒体高度, 能够增加沉降槽压缩区物料的压缩时间, 对降低沉降槽底流液固比具有很大的作用。由于原沉降槽体基础荷载受限, 槽体带料总重不得超过土建承受能力, 所以槽体直筒仅加高 500mm。在原沉降槽直筒体距下部 3m 处的位置将筒体切割成两部分, 然后再将高约 1 65m 的筒体焊接在两筒体之间( 见图 2) 。上部筒体和下部筒体的锥体部分继续使用。因在槽体下层腐蚀严重, 导致槽壁钢板腐蚀速度较快, 故将新加入的 1 65 m 筒体( 槽壁较厚) 焊接于槽体中下部。
2.3增设新锥底
高效沉降槽的显著特点是底部锥度较大,沉降系统的高效沉降槽锥底为 30 ,沉降槽体大锥底为 10 ( 槽底面与水平面夹角) , 小锥体为 15 ( 见图1) 。本次改造在原筒体内套中装设新制作的 25 锥底, 保留原槽体 10 锥底, 用角钢圈及角钢支架将新老锥底焊接。这样, 可以重复利用原有放射形片墙式基础支撑, 与 10 老锥体底面接触良好。25 新锥体套接在10 老锥体的内部, 两锥底夹层内仅为钢结构支撑部件, 没有物料。
2.4改进进出料装置
高效沉降槽的进出料部分是高效沉降的重要组成部分。进料部分根据内循环自稀释技术, 采用进料筒加文丘里射管和下料筒结构。高效沉降槽的进料内循环自稀释技术是利用文丘里管( 即利用流股的动能与势能相互转化) 控制进料稀释料浆与沉降槽槽内上层清液混合, 从而达到最佳进料固含, 以提高赤泥沉降速度, 提高沉降产能。内循环自稀释技术的特征是不改变溶液成分, 不增加沉降槽的总进料量。稀释液利用沉降槽清液层内的清液, 以降低沉降槽内下料筒的固含, 从而使沉降速度和处理能力大幅度提高。改造时, 文丘里射管径根据沉降槽处理进料液量和经验流速计算确定, 二沉降系统的分离槽按照处理 1000m3/ h 的液量, 管径规格确定为DN500。下料筒的作用为与外部清液层隔离, 使混合物料能够直接进入沉降槽的沉降过滤带。根据实际生产清液层高度约 5 m, 考虑到改造后清液层高度增加, 进料筒规格约为 3000 6500。原出料方式为约 1500 的小锥底底部出料, 底流依靠液柱静压自流入混合槽。改造后, 沉降槽下部出料将制作成 2000 3000 的下渣筒, 在该小筒体侧部开孔出料, 底流直接由渣浆泵打入下一级进料分配头。底流输送在增加渣浆泵( 带变频) 后, 底流流量实现自动控制。由于高效耙机主轴安装需在底部固定。小筒体底部需制作土建基础凸台, 以支撑主轴分担槽体液柱静压及搅拌机械部分重量。
2.5选用高效化搅拌耙机
沉降槽中耙机的作用为: 压缩后的底流由耙机耙向下渣筒, 底流由下渣筒侧部出料, 耙机缓慢旋动可促进底流压缩, 但不能引起搅动, 以免影响沉降。本次改造采用浙江恒丰泰减速机制造有限公司的高效耙机, 耙机转速约 0 152r/ min。该装置机构简单,耙机扭矩较原来大, 耙机无需提升。该搅拌耙机运行稳定, 检修维护方便, 此外, 耙机传动采用德国FLENDER 减速机。该减速机在河南分公司 2002 年种分槽改机械搅拌时应用于生产中, 至今尚未发生任何故障。设备运转率提高, 运行平稳, 为沉降槽高效化运行提供了有力保障。
2.6絮凝剂添加改造
选择高效能絮凝剂是加速赤泥沉降的有效方法之一。目前拜尔法沉降系统使用的高分子絮凝剂多为阴离子型的聚丙烯酸盐或聚丙烯酰胺的水解产物。在絮凝剂的作用下, 赤泥浆液中处于分散状态的细小泥颗粒互相联合成团, 粒度增大, 因而有效地提高了沉降速率。
絮凝剂的加入量原则上是在保证赤泥沉降速度和澄清度的情况下, 尽量少加。加入量过多, 会增大溶液中有机物含量, 溶液粘度增大, 反而影响赤泥沉降和压缩性能。而分次且多点加入, 可使絮凝剂有效分散, 与浆液充分接触, 这样不仅降低了絮凝剂的用量, 而且可以提高沉降速度和溢流澄清度。原沉降槽在饲料箱上开口加入淀粉类絮凝剂( 如麦麸等) , 絮凝剂在水中溶解性能差, 用量大。本次改造采用高效能絮凝剂( 聚丙烯酸盐等) , 按照分配比例50% 、25% 、25% 分别在沉降槽的进料管前部、文丘里管中部及下料筒分三点加入絮凝剂。絮凝剂的多点加入获得了均匀、连续絮凝的效果, 提高了絮凝沉降分离效率, 最终降低了絮凝剂的消耗量。从生产车间的絮凝剂使用量统计分析, 在增加絮凝剂加入点后, 单槽絮凝剂使用量比原来减少了5% 。
三、改造效果
改造后, 二沉降系统单槽的处理能力及指标参数明显提高, 改造前后工艺参数对比见表 1。
结束语
综上所述，改造后沉降槽产能提高 60% , 清液层高度提高 20%, 沉降槽底流液固比明显降低, 沉降系统产能极大提高。因此，沉降槽的优化改造设计为氧化铝行业的发展提供了强有力的推力。
参考文献
[1] 杨重愚. 氧化铝生产工艺学[M] . 北京: 冶金工业出版社, 2010.
[2] 孙佩极. 冶金化工过程及设备 [M] . 北京: 冶金工业出版社,2008.
[3] 毕诗文. 氧化铝生产工艺[M] . 北京: 化学工业出版社, 2006.