皮溅清 1,2 王明理 1,3杨汝意 4,5,6,7张海东 4,5,6任晓娜 1黄青山 4,5,6李萍 4,5,6 ![]()
1. 广西田东锦鑫化工有限公司，广西 百色 533000
2. 开曼铝业(三门峡)有限公司管理总部，浙江 杭州 310000
3. 东北大学冶金学院，辽宁 沈阳 110819
4. 中国科学院青岛生物能源与过程研究所，山东 青岛 266101
5. 山东能源研究院，山东 青岛 266101
6. 青岛新能源山东省实验室，山东 青岛 266101
7. 青岛大学化学化工学院，山东 青岛 266071DOI：10.12034/j.issn.1009-606X.223331
摘 要 随着电解铝行业的蓬勃发展，现代大型预焙电解槽和干法净化技术均需砂状氧化铝作为生产原料。但国内氧化铝企业生产多为中间状氧化铝或“准砂状”氧化铝，且颗粒粒度呈周期性变化，产品质量与世界先进水平差别较大，主要原因是原料差异及现有氢氧化铝颗粒分级技术不达标所致。因此，亟需研制高精准、高效率的氢氧化铝湿颗粒分级装置，实现大颗粒、较窄粒径的高质量砂状氧化铝(+80 μm≥90%，-45 μm<8%)生产。本工作首先对国内外常用的、规模化应用的湿法颗粒分级技术进行综述，对水力分级技术、湿法筛分技术及新型耦合分级技术进行分析，随后提出将水力分级与筛网分级相结合、可应用于氢氧化铝颗粒苛刻分级要求的新型“流化-筛分”精准分级方法，最后研制出可实现规模化连续生产的小试分级装置(3.3 m3/h)，且该方法通过了生产企业的现场侧线验证。该新型颗粒精准分级技术不仅有望在氧化铝行业实现节能减排、转型升级、降低生产成本并能取得显著经济效益，还可促进选矿、精细粉体行业的迅速发展，具有重要的实用和推广应用价值。
关键词 氢氧化铝；颗粒分级；砂状氧化铝；散式流态化；筛分
电解铝是一种重要的基础材料，仅次于钢铁的第二大应用金属，已广泛应用于建筑、交通、包装、电力、机械、航天航空及国防军工等行业[1-5]，其生产全流程如图1所示。随着电解铝工业的发展，世界各国广泛采用大型预焙电解槽和干法净化技术，而为了降低环境污染、提高自动化程度，常采取中间下料技术，这对氧化铝产品的质量提出了更高要求。砂状氧化铝具有粒度粗、流动性好、易溶解、对氟化氢吸附能力强等优点，有利于氧化铝的输送、电解和电解废气的净化，已成为当前国内外电解铝行业的理想原料[6-9]。世界各大氧化铝厂，尤其是新建氧化铝厂纷纷改进分解制度或增添分级设备，以生产符合预焙阳极大型电解槽要求的砂状氧化铝。![]()
图1 电解铝生产全流程Fig.1 The entire production process of electrolytic aluminum由于原料差异，国外采用易溶、易磨的三水铝石 [Al(OH)3]和一水软铝石[γ-AlO(OH)]为原料，而国内却采用难溶的一水硬铝石[α-AlO(OH)]铝土矿，产品是粒度较小的粉状氧化铝。生产砂状氧化铝是我国铝工业可持续发展的必经之路[8]。自20世纪80年代中期以来，经过多年科技攻关和大力发展，我国氧化铝行业在生产工艺、设备水平、产品产量等方面均取得显著进步，尽管其产品化学成分已符合标准砂状氧化铝要求(YS/T274-1998)[10]，但得到的多是中间状氧化铝或质量较差的“准砂状”氧化铝，粒度分布、磨损指数、流动性能等物理性能均与世界先进水平存在较大差距(如表1所示)，难以获得高品质的砂状氧化铝[11,12]。表1 三种类型氧化铝的物理性能[10]Table 1 Physical properties of three types of alumina[10]
氧化铝的颗粒粒度对电解过程影响最大，是砂状氧化铝控制的最重要指标。氧化铝粒度过细(-20 μm过高，即粒径小于20 μm的颗粒占比过高)，流动性较差，溶解速度减慢，易造成电解槽底沉渣，同时影响对氟化氢的吸附；粒度过粗(+150 μm过高，即粒径大于150 μm的颗粒占比过高)，溶解速度减慢。一般认为，+150 μm粗粒子加入电解槽具有形成沉淀的趋势，而-45 μm细粒子则最可能产生粉尘。因此，氧化铝粒度及其分布对电解铝的生产至关重要，是制备砂状氧化铝的首要控制指标。但是，目前尚无统一的氧化铝质量标准。欧美国家采用砂状氧化铝进行电解，其氧化铝粒度粗、细颗粒较少，平均粒径在94 μm以上；而我国多数氧化铝厂生产的是中间状氧化铝[13]，粒度分布广、细颗粒占比大，平均粒径仅为66.9 μm[14]。国内企业的产品粒度基本能够达到行标规定值-45 μm<12%[15]，但与近年来大型铝电解槽对窄粒度分布砂状氧化铝日益严格的要求(+150 μm≤1%，+80 μm≥90%，细粉-45 μm≤8%，超细粉-20 μm≤1%)相差甚远[9,16-18]，产品价格也较低。结合我国矿石资源特点，在引进、吸收国外成熟技术的基础上，氧化铝企业也在进行中国特色的工艺优化[19-23]，虽然氧化铝产品质量大幅提升，但仍存在下列问题：(1) 在砂状氧化铝实际生产过程中，温度、固含量、溶液浓度及过饱和度等分解结晶氢氧化铝的条件复杂，难以精准控制，会造成晶体粒度呈周期性的细化或粗化[24]，每个周期持续时间为30~180天，一般不少于90天[9]，典型示例如图2所示。分析可知，未经过分级的氢氧化铝浆料，得到的往往是不达标的中间状氧化铝；而经过水力旋流器等分级机分级后，产品质量可以提高到中间状氧化铝或“准砂状”氧化铝。(2) 在自然的种分分解过程中，氢氧化铝粒度变化周期较长，产品质量与产量相互矛盾，直接影响循环效率等指标[25]。生产砂状氧化铝需要低分解率是业界的共识，国内现有砂状氧化铝生产技术大多是以牺牲氢氧化铝分解率和产量为代价而得到的，平均分解率仅有49%，与粉状氧化铝53%以上的分解率仍有较大差距[21]。(3) 工艺改进导致生产流程长且复杂、能耗高、设备多、成本高，但依然无法满足电解铝行业对氧化铝日趋严格的性能需求[9,12]。![]()
图2 某生产企业的氢氧化铝粒度分布情况[9]Fig.2 Particle size distributions of aluminum hydroxide in a certain production enterprise[9](a) Particle size distribution of decomposed products (b) Particle size distribution of graded products
综上可知，氢氧化铝分解和分级工艺是直接影响氧化铝产量和质量的两大关键环节[26-28]，而单纯的生产工艺改进治标不治本，效果有限，并且会出现过粗颗粒(+150 μm)严重超标的现象。因此，当分解条件一定时，对氢氧化铝颗粒进行分级是非常必要的，决定了后续氧化铝的质量[27,29]。其中，颗粒分级机是确保中间产品氢氧化铝粒度质量合格的关键设备之一。若能通过高效的颗粒分级机实现分解后氢氧化铝颗粒的精准分级，将氢氧化铝原料颗粒分成粒度窄而集中的大颗粒(+80 μm≥90%，-45 μm<8%)和小颗粒(-80 μm)，大颗粒作为后续电解原料或产品出售，小颗粒则可作为晶种返回分解槽循环利用，继续结晶长大[30]，从而可将现有生产工艺中“准砂状”或中间状氧化铝转变为高质量砂状氧化铝。并且，若能应用颗粒分级机实现颗粒的精准分级，则可实现以全体晶种长大为核心生产工艺，技术应用过程中产生的大部分中间产物成为循环晶种，而剩余的大颗粒通过颗粒精准分级达到砂状化[31]。因此，可实现颗粒精准分级的分级机研制是高品质砂状氧化铝规模化生产的关键[27,32-34]，可以突破困扰中国电解铝行业几十年的技术瓶颈，不仅可达到流程简单、节能的要求，还可大幅提高氧化铝产品的经济价值。分解产出的氢氧化铝浆料分级属于湿法颗粒分级。因此，下面对国内外常用的湿法颗粒分级技术进行剖析，以期为大规模氢氧化铝的精准颗粒分级提供有益参考。重力水力分级是一种根据物料密度、粒径大小或不同形状的颗粒在水介质中沉降速度差而进行分级的方法[35]，常用的设备有角锥池、斗子捞坑、倾斜板(斜管)浓缩机、螺旋分级机等[36]。螺旋分级机是一种常用的重力水力分级设备，广泛适用于各大选矿厂中矿砂、细泥的粒度分级以及金属选矿过程中矿浆的分级作业。在螺旋旋转作用下，由于细轻颗粒沉降速度较小，随水流溢流排出，而粗重颗粒沉降速度大于水流上升速度，沉积在槽底，经由螺旋叶片带出，结构如图3所示。但由于螺旋分级机存在横向流，颗粒多次沉降后，部分溢流区的细粒又沉降下来，造成沉砂夹细；通过加大给矿流量或补加上升水可以减少沉砂夹细，但上升水流速的增大又会导致沉砂的粗颗粒进入溢流，造成跑粗现象，分级精度(即颗粒分级到某一粒度等级的精确程度)仅有35%~50%[37-39]。虽然已有研究对螺旋分级机进行结构、操作方式的改造，如更改搅拌、排矿方式等，能够提高氢氧化铝颗粒分级产能，但对其分级精度提高程度仍然有限[40,41]。![]()
图3 高堰式单螺旋分级机Fig.3 High weir single spiral classifier流态化技术是一种在重力场中根据颗粒粒度或密度差异进行分离的分级技术，广泛应用于煤泥分选、金属矿粗选、尾矿回收利用等行业[42-44]。圆锥Lavodune水力分级机[45]是由法国Sogreah公司设计的一种基于流化床的典型水力分级机。物料从中心管加入，在“纺锤状”扩大段被分为两种产品：轻细颗粒随水流溢流到顶端排出，粗重粒物料则下沉至底部，产生“堆砂”作用，从而去除夹杂的部分细颗粒，其结构如图4[45]所示。Lavodune水力分级的颗粒分级粒径范围为0.1~0.15 mm，对于粒径小于0.1 mm的颗粒，由于颗粒夹带作用，导致惯性分级效果不佳。![]()
图4 圆锥Lavodune分级机原理图[45]Fig.4 Schematic diagram of conical Lavodune classifier[45]水力旋流器是利用回转离心力作用实现颗粒加速沉降的重要工业分级装备，由于具有结构简单、占地面积小、操作方便、处理量大、分离效率高等优点，是目前氢氧化铝颗粒分级工艺中应用最广泛的分级设备[46]。带压浆料切向进入进料口，在离心力作用下形成内外双螺旋流，大颗粒随外螺旋从底流口排出，小颗粒随内螺旋从溢流口流出，示意图如图5[47-49]所示。![]()
图5 水力旋流器[47-49]Fig.5 Hydrocyclone[47-49]水力旋流器的结构参数(如直筒体直径、旋流器高度、进料口直径、进料口形式、溢流口直径及插入深度、沉砂口直径等)、操作参数(进料压力、进料流量等)及物料性质(进料固相浓度、固相粒度分布等)均对颗粒的分级效果产生重要影响[47,50-53]。目前，水力旋流器存在的主要问题是介尺度行为导致分离精度降低的“鱼钩效应”[48,49,54]，以及内部空气柱、盖下短路流和溢流跑粗等会直接影响旋流器的分级精度。通过对溢流管外壁增加环形齿[55]或使用厚的溢流管[56]可有效减弱盖下短路流带来的溢流夹粗问题；通过加设适宜直径的中心棒结构[57](中心锥结构更好)占据空气柱可提高分级精度；在水力旋流器底口内置扭带可消除空气柱对沉砂口排出砂的阻碍[58]。另外，由于高速矿浆流，水力旋流器内部容易磨损，特别是入口环形区磨损最为严重，磨损影响因素程度为：流速>含砂量>冲蚀时间>冲蚀角度[59]。因此，水力旋流器在大流量、性价比上具有不可替代的优势，但其颗粒分级精度有限，一般低于70%。湿法筛分对微细物料具有干法筛分不可比拟的分级精度和优势，可有效避免颗粒聚团、静电吸附等影响分级精度的因素，是矿石、煤炭分选的关键环节[60-62]。1951年美国德瑞克(Derrick)公司设计开发了一种高效湿法筛分机，利用喷淋水流和高频振动筛实现细粒物料的精准分级[63,64]。一般地，每台筛机设置1~3个洗矿槽，并采用喷淋装置进行重塑浆液，确保颗粒被充分地清洗、破散，随后在筛分作用下使粗重、细轻物料彻底分开，其分级原理如图6[65-67]所示。但德瑞克高频振动细筛只有通过多路进料和保持适当的进料和浆液浓度时，才能确保有效的湿法颗粒分级[66]。![]()
图6 德瑞克水上高频振动细筛[65-67]Fig.6 Derrick high frequency vibration fine screen[65-67]相比喷淋筛分技术，水下筛则是将部分或全部筛面淹没在液面以下，其结构和筛分原理具有独特性，目前已见应用的主要是UHG型水下振动筛和WSM型斜面水筛[68]。德国UHG型水下振动筛的筛面呈“V”型安装，最低点浸没在液面以下，而进出料端离开液面，以方便进出料作业，如图7(a)[68,69]所示。该水下筛通过特殊激振电机使“V”型筛面做混沌振动，筛上物料在振动、液面流化作用下逐渐松散，小细颗粒完成透筛、沉降，大颗粒在倾斜向上激振力作用下完成出料。经过理论分析和实验验证后，发现特殊激振电机是该水下筛正常工作的关键：不仅通过上、下振动进行筛分作业，还需要倾斜向上的激振力实现水中出料。因此，该设备存在一定的技术壁垒，且应用范围较窄，并没有实现大规模应用。WSM型斜面水筛是一个水下倾斜放置的箱体，箱体上下面均为筛网，通过激振电机产生的高频、小振幅振动，实现小颗粒物料的最终透筛和大颗粒物料沉降、进入粗颗粒收集斗，其结构如图7(b)[68,69]所示。但是，该斜面水筛在水下进料、粗颗粒出料方面存在一定问题，筛面容易被颗粒堵塞而失效。![]()
图7 典型水下筛分设备：(a) UHG型水下振动筛；(b) WSM型水下振动筛[68,69]Fig.7 Typical underwater screening equipments: (a) UHG underwater vibrating screen; (b) WSM underwater vibrating screen[68,69]将水力旋流与物理筛分相结合，既能充分发挥传统水力旋流器的快速、高效、涡流运动等优势，又能结合筛网的精准筛分和粒径截留作用，进而可提高传统水力分级的分级精度[70,71]。据文献[71]记载，前苏联Bexrie等早在1964年提出了器壁型旋流与细筛相结合的结构；芬兰Hukki提出的“胡基筛”，属于立式圆筒筛，筛分效率在60%~80%。国内方志刚等[72]基于水力旋流器和弧形细筛，设计了一款新型旋流细筛，实验表明该筛对氢氧化铝浆液具有明显的浓缩与分级作用，二级以上品级率提高至92.48%。杨云松[73]设计了一套适用于泥煤分级、脱泥用的ϕ300 mm筛网旋流器，研究发现筛网旋流器颗粒分级效果良好，底流精度(+45 μm)可达80%以上，筛上物浓度可大幅度提高。刘铁航等[47]在充分认识旋流器流型对分离过程的影响机理后，提出一种以筛网作器壁的旋流筛，筛上物为底流，筛下物为溢流。朱庆庆等[74]针对筛网旋流器出现的堵塞和断流问题，认为提高透筛效率的关键是颗粒和筛面的相对切向速度差必须小于颗粒透筛允许的最大速度。陈建中等[75]针对选煤过程中高灰细泥的分选难题，提出了一种三产品旋流分级筛，具有分级精度高、处理能力大等优点，已在神火集团、郑煤集团等得到应用，其结构如图8[75]所示。三产品旋流分级筛的中心是一个锥筒筛网，可在一定程度上减少溢流夹粗，而弧形筛的截留作用使物料分为筛上和筛下两种产品，筛上产品又被分为旋流底流和溢流，从而得到三种产品(即溢流、底流和筛下产物)，实验表明，细泥(-45 μm)的脱除率可高达90%。![]()
图8 三产品旋流分级筛[75]Fig.8 Three product cyclone classification screen[75]杨旺等[71,76,77]研制了一种柱形的高效矿物颗粒分级设备，即旋流分级柱，其结构如图9所示。该设备的优点在于用柱形筛网控制颗粒的分级尺寸，利用桨片搅拌形成脉冲流体，不仅可以松散料浆床层、避免颗粒聚集，还能给颗粒提供离心力，提高颗粒透筛效率，从而显著提升了物料的分级精度和效率，分级精度最高可达88.37%。![]()
图9 旋流分级柱[71,76,77]Fig.9 Swirl classification column[71,76,77]由于砂状氧化铝对氟具有良好的吸附性能，以其为吸附剂的干法脱氟技术在全球铝业内快速推广，烟气净化效率提高至99.99%，吨氟排放量降至0.55 kg/t Al2O3，可有效控制氟危害，因此，砂状氧化铝生产对环境保护具有重要作用；其次，由于预焙电解槽的大型化和现代化，要求氧化铝具有良好的流动性和耐磨性，故砂状氧化铝恰好可适应大型化和现代化预焙电解槽稳产的需要；再次，由于砂状氧化铝具有良好的溶解性能，可获得更高的电流效率和更低的电解电耗，同时由于其粒度分布集中、细颗粒较少，使电解过程中原料飞尘损耗降低，这不仅节省了氧化铝原材料，还确保了生产过程清洁，故砂状氧化铝可满足电解铝行业节能降耗的需要；另外，随着市场不断提高对产品质量和性能的要求，促使氧化铝企业必须不断对工艺和技术进行创新，开发和生产出符合市场和客户需求的低成本、高效益产品，故砂状氧化铝生产是国内氧化铝企业生存和发展的需要[13]；最后，氧化铝砂状化升级，可以显著提高产能，如山东铝业第二氧化铝厂通过砂状化工艺改造，其产能从20万吨提高至32万吨[22]。与粉状和中间状氧化铝相比，高质量的砂状氧化铝原料即氢氧化铝产品(+150 μm≤1%，细粉-45 μm≤8%，超细粉-20 μm≤1%)，零售每吨可增值100元以上；阳极电解损耗可降至原来的1/5 (节约350元以上)；电解效率增加1%以上[78,79]，吨铝可节约用电130 kWh以上(氧化铝粒度对电解电耗、电流效率的影响见图10[80])；氧化铝损耗减少2.2%，可节约61.7元。综上可知，若能实现氧化铝原料的砂状化，吨铝可产生经济效益460元以上。![]()
图10 氧化铝粒度与电解电耗、电流效率的关系[80]Fig.10 Relationship between alumina particle size with electrolytic power consumption and current efficiency[80]因此，砂状氧化铝是行业发展的必然趋势，直接影响氧化铝、电解铝行业相应技术的升级和进步[8]。若采用氢氧化铝颗粒精准分级技术，实现氧化铝原料的砂状化，不仅可以简化流程，还有望进一步提高其分解率和产能，具有重要的经济价值，也是生态环保、节能降耗和未来市场的需求。同时，在当前经济全球化环境下，只有生产符合市场需求的低成本、高质量砂状氧化铝，才能参与国际市场竞争[78]。国内外研究者在分级理论、新型装备研发和颗粒分级实验等方面做了大量研究，并取得丰硕成果，为氢氧化铝的精准分离、砂状氧化铝的工业生产奠定了重要的技术基础。本工作将国内外有望实现氢氧化铝规模化精准分级的技术进行比较，其结果如表2所示。表2 有规模化应用前景的氢氧化铝颗粒分级技术分析Table 2 Analysis of size grading technologies for promising large-scale aluminum hydroxide production
在工业上，一般采用螺旋分级机进行矿浆分级，但其侧重于分离+150 μm的颗粒，且分级精度较低(<50%)，无法满足砂状氧化铝精准分级的需求。在砂状氧化铝的制备过程中，常采用2~3级水力旋流器进行多次分级[8]，使之达到砂状氧化铝要求。但当进料中氢氧化铝-44 μm的颗粒含量超过30%或固含大于550 g/L时，水力旋流器难以达到预期的分级效果[13,27]。而且，在水力分级过程中由于颗粒介尺度行为导致的“鱼钩效应”[48,84]，如图11[48]所示，微小颗粒反而更多地进入粗产品中，其最高分级精度难以超过70%。实验研究发现，氢氧化铝经过二级甚至三级水力旋流器再次分级后，其粒径分布几乎不变。因此，水力旋流器并不合适高浓度浆料的精准分级，亦无法满足当今对氢氧化铝苛刻的分级精度要求。近年来发展的高频细筛、直线振动筛等筛网分级设备，虽然可实现颗粒的精准分级，但普遍存在因颗粒上移而导致分级精度低和处理量小、筛面磨损严重、物料筛面堆积、筛孔易堵塞等问题[71]。![]()
图11 水力旋流器颗粒分离效率存在的“鱼钩效应”示例[48]Fig.11 Example of the "fishhook effect" in the particle separation efficiency of hydrocyclone[48]因此，现有颗粒分级技术普遍存在分离精度低、处理量小及筛网易堵塞等问题，无法满足氢氧化铝高分离精度、高效率的颗粒分级要求。一般认为，筛选或沉降法可用于厘米级别以上的大颗粒分级[85]，然而对于微米级别的氢氧化铝小颗粒，本身易于聚集结团，精确筛分难度大，并且由于其沉降速度较小，应用沉降分级也较困难。因此，微米级细颗粒需要重点考虑两个方面：(1) 细颗粒间完全分散、不聚团[86]；(2) 提供外力场，增大颗粒间的沉降速度差，从而加速大小颗粒的沉降分离[87]。精准分级首选筛分分级，根据筛网孔径大小对颗粒进行分离，分级精度高、结果稳定，但是筛分设备使用过程中存在筛孔易堵塞、分离效率低、有效面积利用小等缺点，难以实现大规模的工业应用；而传统水力分级如重力沉降、螺旋分级机、水力旋流器等，具备较高的处理量，但存在分级精度不足的缺陷。因此，实现筛网和水力分级的优势互补，研制出新型颗粒分级机，极有可能实现湿颗粒的精准分级。在微米级颗粒分级时，颗粒间相互摩擦会产生较强的静电，导致大小颗粒相互聚集成团，难以实现颗粒的精准分级。而且，砂状氧化铝要求产品的粒度分布范围极窄，而单个微粒表面原子较多、表面能较高，导致颗粒间吸附力强、极易聚团[75]。因此，实现精准分级必须对颗粒进行预分散，减弱甚至消除颗粒间静电和吸附力的影响。因此，在充分认识氢氧化铝精准分级存在的技术难题和小试实验的基础上，本工作提出了一种将流体力学分级与筛分分级相结合的颗粒精准分级方法，即“流化-筛分”法：首先，将氢氧化铝浆料在液相介质(如分解清液)中充分的散式流态化，延长颗粒停留时间，并在流化作用下实现粗细颗粒的初步分级，降低浆料浓度；然后，利用筛网的精确过滤和截留作用，控制截止粒径大小，从而实现对不同粒径微细颗粒的精准分级，筛上粗颗粒直接出干料，降低后续处理难度，筛下小颗粒沉降浓缩后，形成高固含浆料，返回分解槽继续结晶长大。“流化-筛分”精准分级方法可以实现连续化颗粒分级，具有处理量大、分级精度高、生产效率高的优点。该方法的具体分级原理如下：(1) 利用导电液相介质，消除微细颗粒间静电、避免颗粒聚团，大幅提高分级精度。在分级过程中，颗粒之间难免会频繁发生碰撞和摩擦，导致微细颗粒产生静电，从而使大小颗粒之间发生严重的团聚现象，进而导致小颗粒无法有效分离，而在可导电的液相介质中进行颗粒分级，高效消除了静电作用，避免形成颗粒聚团，从而实现大小颗粒的高效分离。(2) 利用液体湍流环境实现微细颗粒的散式流态化，可有效抑制颗粒夹杂，提高分级精度。颗粒浓度较高时，由于颗粒群的介尺度作用，大颗粒中不可避免地会夹带一些小颗粒，导致分级效果不理想；颗粒充分散式流态化可以增大颗粒间距，减少颗粒之间的摩擦，弱化颗粒的介尺度行为并抑制大颗粒对小颗粒的夹带，大幅改善分级效果。(3) 流体力学初步分离和筛网高效截留技术相结合，可实现微细颗粒的精准分级。筛网内适宜的流体力学环境，可实现微米级大小颗粒的初步分离并降低待分级固体颗粒的浓度，然后与筛网孔隙的精准截留相结合，实现固体颗粒的精准分级。另外，小颗粒沉积区域上部较小的待分级颗粒浓度，对筛网中的大小颗粒有一定的淘洗作用，从而可突破常规颗粒分级技术无法达到的技术极限。在广西田东锦鑫化工有限公司与中国科学院青岛生物能源与过程研究所双方紧密合作下，基于创新性“流化-筛分”颗粒精准分级方法，研制了两套氢氧化铝颗粒精准分级的小试装置[88]。小试装置在生产现场进行了氢氧化铝浆料的分级实验，侧线考核现场如图12所示。现场工业侧线结果表明，以水力旋流器底流的大颗粒、高浓浆液进料(固含率>735 g/L)，在300 L/h连续进出料和选择80 μm筛网的情况下，经单级倾斜滚筒筛分级后，产品中+80 μm的颗粒占比高达98.93%~99.25%，且无-45 μm的颗粒存在；以氢氧化铝分解末料为原料(固含率445 g/L)，在进料流量为3.3 m3/h时，经2级倾斜式滚筒筛分级后，得到的粗颗粒固含率为1102 g/L，+80 μm的颗粒占比96.19%，同样没有检测到-45 μm的小颗粒。因此，研制的小试精准分级装置完全可以实现规模化连续生产，满足氢氧化铝颗粒精准分级的要求(+80 μm≥90%，-45 μm<8%)，从而生产出高质量的砂状氧化铝。目前，双方正在积极推进10 m3/h的中试装备的研制并建立生产示范线，有望彻底解决中国氧化铝砂状化的瓶颈问题，实现显著的节能降耗、提高产品品质和经济效益。![]()
图12 氢氧化铝颗粒精准分级实验现场Fig.12 Precision grading experiments of aluminum hydroxide particles大颗粒且粒径较窄的高质量砂状氧化铝对电解铝短流程、绿色生产、行业转型升级等具有重要价值，而高效率、精准的颗粒分级装备是实现这一目标的关键。通过对国内外常用的、规模化应用的湿法颗粒分级技术进行综合分析，本工作将筛网分级与水力分级的优点相结合，提出了可实现颗粒精准分级的“流化-筛分”新方法，并通过了企业现场侧线考核，表明该技术及装备可实现高浓度浆液的长时间连续颗粒分级，有望解决氢氧化铝浆料精准分级的难题，从而实现高质量砂状氧化铝的生产。不仅如此，微细颗粒的精准分级还可以提高矿产资源的附加值，是磨矿、选矿作业中一个不可或缺的重要组成部分，如磷矿、铁矿和金矿等系列原料的分级[89-91]。在磨矿-矿物分级闭路工艺中通过颗粒精准分级，可将合格的小颗粒快速分离、不合格的粗大颗粒返回，从而避免粗粒欠磨、细粒过磨等问题，并且可以按照产品需求输出不同粒级和细度，满足粉体的粒度组成向窄级别或极窄级别发展的需要[92,93]。因此，在现有的分级技术中，“流化-筛分”分级方法是最有希望实现微米级颗粒大规模、精准分级的一种分级技术。总之，研制创新性的颗粒精准分级装备并完善颗粒分级理论，实现固体颗粒大规模的精确、高效分级，不仅可促进国内重要支柱产业—氧化铝行业的快速转型升级，还可促进国内选矿、磨矿等行业的快速发展，具有深远的理论和工业实用价值。
Advances in wet particle size-grading technologies and precise grading of aluminum hydroxide
Jianqing PI 1,2 Mingli WANG 1,3Ruyi YANG 4,5,6,7Haidong ZHANG 4,5,6Xiaona REN 1Qingshan HUANG 4,5,6Ping LI 4,5,6 ![]()
1. Guangxi Tiandong Jinxin Chemical Co., Ltd., Baise, Guangxi 533000, China
2. Cayman Aluminum (Sanmenxia) Co., Ltd., Management Headquarters, Hangzhou, Zhejiang 310000, China
3. School of Metallurgy, Northeastern University, Shenyang, Liaoning 110819, China
4. Qingdao Institute of Bioenergy and Bioprocess Technology, Chinese Academy of Sciences, Qingdao, Shandong 266101, China
5. Shandong Energy Institute, Qingdao, Shandong 266101, China
6. Qingdao New Energy Shandong Laboratory, Qingdao, Shandong 266101, China
7. School of Chemistry and Chemical Engineering, Qingdao University, Qingdao, Shandong 266071, ChinaAbstract: With the booming development of the electrolytic aluminum industry, both modern large-scale prebaked aluminum reduction cells and dry purification technology require sandy alumina as the production raw material. However, domestic alumina enterprises mainly produce intermediate or "quasi-sand" alumina, and the particle size changes periodically. The product quality differs significantly from the world's advanced level, mainly due to differences in raw materials and substandard aluminum hydroxide particle screening technologies in the prior art. Therefore, it is urgent to develop a high-precision and high-efficiency wet particle classification device for aluminum hydroxide to produce high-quality sandy alumina with large and narrow particle size distribution (+80 μm≥90%, -45 μm<8%). The commonly employed and large-scale application of wet particle size-grading technologies in domestic and foreign countries are first reviewed. The performance of hydraulic classification, wet screening, and some new coupling classification technologies are analyzed. Then, a new particle grading method of fluidization followed by screening for precise grading of aluminum hydroxide particles is proposed by combining hydraulic classification and sieve screening. Finally, a small-scale grading device (3.3 m3/h) capable of achieving large-scale continuous production is developed and passed the verification of on-site production siding in the production enterprise. This new type of precise particle classification technology is not only expected to realize energy conservation and emission reduction, transformation and upgrading, reduction of production costs, and significant economic benefits in the alumina industry but also promote the rapid development of mineral processing and fine powder industries, having some important and practical application and promotion values.Keywords: aluminum hydroxide；particle classification；sandy alumina；dispersive fluidization；screening引用本文： 皮溅清, 王明理, 杨汝意, 等. 颗粒湿法分级技术及氢氧化铝精准分级的研究进展. 过程工程学报, 2024, 24(6): 647-659. (Pi J Q, Wang M L, Yang R Y, et al. Advances in wet particle size-grading technologies and precise grading of aluminum hydroxide (in Chinese). Chin. J. Process Eng., 2024, 24(6): 647-659, DOI: 10.12034/j.issn.1009‑606X.223331.)
作者简介：皮溅清，硕士，教授级高级工程师，研究方向为氧化铝生产技术，E-mail: nd23@sina.com
作者简介：李萍，博士，助理研究员，E-mail: liping@qibebt.ac.cn
基金信息： 国家自然科学基金资助项目(编号：22208357; 21878318; U22A20425)
中图分类号： TH3
文章编号：1009-606X(2024)06-0647-13
文献标识码： A
收稿日期：2023-11-28
修回日期：2023-12-18
出版日期：2024-06-28
网刊发布日期：2024-06-26
