20 kt/a氟硅酸法氟化铝装置设计及运行状况

虞云峰，冷 慧，刘永成

（湖北宜化集团有限责任公司，湖北 宜昌 443000）

湖北宜化集团有限责任公司（以下简称公司）20 kt/a氟硅酸法氟化铝项目是为丰富公司现有300 kt/a磷酸装置产业链、实现副产氟资源综合利用而建设的装置。该装置由公司与上海弗莱希环保科技有限公司合作建设，位于湖北省松滋市陈店镇临港工业园宜化肥业有限公司，工程于2019 年11 月设计开工，2020年8月1日建设完工，并一次性开车成功产出优质产品，在当月实现达产达标。

1 氟化铝生产工艺

氟化铝主要用于炼铝行业，是电解铝生产所用到的主要添加剂之一。氟化铝的生产需要用到氟元素，氟元素主要源自萤石或磷矿石。因此，氟化铝生产工艺可大致分为以萤石为主要原料的传统湿法氟化铝工艺、干法氟化铝工艺，以及以磷酸副产物氟硅酸为主要原料的氟硅酸法氟化铝工艺［1］。

1.1 湿法氟化铝工艺

湿法氟化铝工艺是最传统的工艺，将硫酸和萤石高温反应制得粗氟化氢气体，经吸收制得粗氢氟酸，氢氟酸与氢氧化铝在一定温度下反应生成三水氟化铝，经过滤、干燥、煅烧，最后得无水氟化铝成品。该工艺得到的产品杂质含量高、品质较差，不满足下游用户需求，属于淘汰工艺［2］。

1.2 干法氟化铝工艺

干法氟化铝工艺核心原理是利用萤石与硫酸反应得到无水氟化氢气体，氟化氢与氢氧化铝在高温下反应得到氟化铝成品。该工艺可以生产出品质较好的氟化铝，但由于目前萤石资源紧缺，被纳入国家战略资源，因此干法氟化铝工艺的发展受到限制，生产成本过高，产品盈利能力较弱。

1.3 氟硅酸法氟化铝工艺

氟硅酸法氟化铝工艺不止一种。公司采取的是将磷酸浓缩装置副产的氟硅酸作为原料，与氢氧化铝直接反应脱硅，经过滤、结晶、离心、干燥、煅烧后得到氟化铝成品。该法生产的氟化铝除松装密度较干法略低外，其他性能均能很好地满足下游行业使用要求。由于主要原料氟硅酸是自有磷酸装置的副产物，相对干法工艺成本低。

2 氟硅酸法氟化铝生产装置设计

本装置采用直接法工艺，公司对部分工序采取了自主创新，生产工艺流程见图1，各工序设计情况如下。

图1 氟硅酸法氟化铝生产工艺流程

2.1 反应、过滤工序

氟硅酸与氢氧化铝反应实际是分步进行，首先生成氟硅酸铝，反应伴随着放热，随后氟硅酸铝分解形成氟化铝、二氧化硅与氢氟酸，氢氟酸继续与氢氧化铝反应得到氟化铝。

其分步反应方程式如下［3］：

将加热后的氟硅酸与氢氧化铝分别计量后直接混合反应脱硅，得到含有二氧化硅的氟化铝料浆，料浆经过带式过滤机过滤除硅后得到氟化铝溶液。

氟硅酸采用双石墨换热器加热，换热效率高，副产的蒸汽冷凝液全部回用至反应、过滤系统。

公司选用的氟硅酸计量槽通过溢流口控制计量，每个计量槽有2个溢流口，可以通过变换溢流口改变每一槽的氟硅酸加入量，灵活调节生产负荷。

带式过滤机滤布冲洗水经过板框压滤机压滤后一部分回用作带式过滤机滤布冲洗水，一部分用作尾洗工序的补水，减少了一次水的使用量。

2.2 结晶、离心工序

过滤得到的氟化铝溶液在结晶槽内直接升温结晶，结晶时间控制在4 ～5 h，结晶温度控制在95 ～99℃，生成三水氟化铝料浆。结晶槽采用碳钢衬胶结构，本体盘管升温，底部放料口装有自主设计的防烫器，可以实现安全在线清堵。

公司选用刮刀式自动卸料离心机对三水氟化铝料浆进行离心、卸料。并将离心后的母液统一收集、自然沉降，底部物料回收并重新送至离心工序，上部清液回用作离心机滤布冲洗水。

2.3 干燥、煅烧、尾洗工序

本装置离心后的三水氟化铝湿料经螺旋输送机进入干燥机，通过引风机抽取煅烧窑内的热气在干燥机内对湿物料进行干燥，脱除表面游离水，得到三水氟化铝干料。

干燥机引风携带有大量物料粉尘，经过旋风除尘器、袋式除尘器两级除尘后进入三级尾气洗涤塔洗涤达标后排放，物料粉尘全部回收。

干燥后的物料进入煅烧窑，利用天然气经窑壁直接煅烧物料，煅烧后的物料经循环水冷却后得到无水氟化铝成品。

3 氟化铝装置特点

公司氟化铝装置依托现有磷酸装置建成，以磷酸浓缩工序副产的氟硅酸为原料，实现了氟资源综合利用，符合循环经济原则，极大地提升了氟产品的附加值。项目装置具备环保、节能、氟利用率高三大特点。

3.1 环保

（1）将生产过程中产生的蒸汽冷凝液全部回用于反应、过滤工序，极大地减少了一次水的用量。

（2）将离心后的母液沉降，上层清液用作离心机滤布冲洗水，实现了离心废水的循环利用。

（3）产生的一切废水全部回用作公司磷铵装置工艺补水，实现了废水零排放。

（4）将反应、过滤工序产生的含氟尾气与干燥工序排放的尾气统一收集，采取管道喷淋与三级尾洗塔串联的方式充分洗涤，彻底解决了废气无组织排放问题。

3.2 节能

（1）充分利用蒸汽冷凝液热量，减少了外部能耗。

（2）将结晶后的物料利用刮刀式自动离心机进行固液分离，安全高效，离心后的半成品物料w（H2O）可降低至10%以下，远低于传统带式过滤机过滤后的w（H2O）20%，显著地减少了干燥、煅烧工序的能耗。

（3）相较于同行业经常采取的干燥、煅烧一体化设计，本装置将干燥与煅烧分开，采取逆流加热，利用煅烧窑窑腔的余热作为干燥机的热源，实现了能量的充分利用，且无须外部提供额外热源。

3.3 氟利用率高

（1）本装置的干燥、煅烧工序抑制了副反应的发生，提高了产品的氟含量，处于行业先进水平。

（2）公司依托现有磷酸装置，将装置产生的部分含氟废水返回磷酸装置浓缩工序进行氟吸收后得到氟硅酸继续作原料使用，进一步提升了氟资源的综合利用率。

4 运行状况

本装置建成后1个月内达产达标，至今运行稳定，各项指标均达设计要求。

4.1 开车优化项目

（1）为提升反应效果，降低放料口清理强度，公司将氟硅酸w（H2SiF6）控制在18% ～20%，反应pH控制在1.7 ～2.0；并针对反应槽搅拌桨尺寸、形状进行了自主设计，将反应槽搅拌桨原始设计的双层搅拌桨叶更换为三层桨叶、底部弧形构造，改造后反应槽内壁与底部基本不再有附着物，解决了堵塞的问题。

（2）为延长带式过滤机滤布使用周期，公司通过自主创新，利用副产的蒸汽冷凝液为带式过滤机滤布升温，减少了三水氟化铝在滤布上以α晶型的结晶，使带式过滤机滤布使用周期由1 ～3 d延长至7 ～12 d。

（3）对结晶槽搅拌桨桨叶形状进行了自主设计改造，加装双层桨叶并变更了桨叶尺寸，同时对放料口进行了适当改造，成功解决了结晶槽放料易堵塞的问题。

4.2 指标控制情况

1） 效益指标 氟硅酸（折w（H2SiF6）100%）消耗≤1.2 t/t，氢氧化铝消耗≤1.23 t/t，天然气消耗≤150 m3/t，蒸汽消耗≤0.9 t/t，达到行业较好水平。

2） 质量指标 本装置氟化铝产品指标满足GB/T 4292—2017 中关于氟硅酸法无水氟化铝的AF-2标准，对比情况见表1。

由表1 可知，本装置氟化铝产品w（F）可稳定在63%以上，优于国家标准；产品w（灼减量）≤1.0%，处于同行先进水平，甚至可以达到干法氟化铝产品灼减量要求；产品中的硅、磷、硫酸根等杂质含量均明显优于国家标准。

表1 氟化铝产品指标与GB/T 4292—2017要求对比

5 结语

公司氟化铝装置开车至今运行平稳，具备以下优势：产品质量好，装置能耗低，蒸汽消耗≤0.9 t/t，天然气消耗≤150 m3/t，处于行业先进水平。