氟化盐厂设计(engineering design of fluorides plant)

以萤石、硫酸、氢氧化铝和纯碱为主要原料，生产供电解法炼铝所需要的氟化铝、冰晶石、氟化钠、氟化镁等氟化盐产品的轻金属冶炼厂设计。设计主要内容包括：设计规模与产品方案、生产方法选择、设备选择、车间组成、工厂布置、主要车间配置和主要技术经济指标等。

筒史 电解法生产金属铝最早使用天然冰晶石作为助熔剂。后来随着铝工业的发展，许多国家研究人工合成冰晶石的方法，并于19世纪初开始建厂生产。法国于1903年建厂生产氟化盐产品，苏联于1927年建成了冰晶石试验厂，以后又建设了生产冰晶石和其他氟化盐的工厂。

20世纪80年代，在氟化盐工厂设计中，在设备大型化和降低原料消耗方面取得了较大进展。如法国氟化氢反应炉已扩大到φ3．5×70m，瑞士布斯公司(Buss)发明的预反应器技术已被广泛采用。

中国第一个氟化盐厂设计始于1952年。随着铝工业的发展，于1958年、1968年和1988年又分别设计了6个年生产能力在万吨以上的氟化盐厂。最大厂家生产能力为6万t。

设计规模与产品方案 根据炼铝的需要、主要设备生产能力和经济效益进行综合考虑，设计规模一般不低于5000t／a，20000t／a以上规模可分期建设。

炼铝用氟化盐产品包括氟化铝(AlF3)、冰晶石(Na3AlF6)、氟化钠(NaF)和氟化镁(MgF2)，其中用量最多的是氟化铝和冰晶石。氟化盐厂产品方案一般根据炼铝的需要和所采用的生产方法确定，可只生产一种产品(如氟化铝)，也可同时生产几种产品。

生产方法选择 以萤石为原料生产氟化盐的方法主要有氢氟酸法(简称酸法)和干法两种。

(1)酸法生产氟化盐。是用硫酸分解萤石精矿(CaF2)生产氟化氢气体，用水吸收后制得低浓度氢氟酸。氢氟酸经脱硅精制后再与氢氧化铝(或氢氧化铝和纯碱)反应制得氟化铝(或冰晶石)料浆，经过滤、干燥等工序制得氟化盐产品。(图1)

(2)干法生产氟化铝。是在流化床反应器中使高浓度氟化氢气体直接和氢氧化铝反应制得氟化铝产品(图2)。干法尚不能生产其他氟化盐产品。

生产方法主要依据产品品种选定。酸法和干法均可生产氟化铝，但在原料消耗、能耗和氟化铝产品质量等方面干法均优于酸法。其他氟化盐产品可用酸法生产。

设备选择 氟化盐厂的主要生产设备有氟化氢反应炉、流化床反应器、吸收塔、冷却器、合成槽、过滤机和干燥设备等。

(1)氟化氢反应炉。有内热式和外热式两种。内热式反应炉炉体为钢板外壳，内衬耐酸砖和耐火砖。此种炉由于有燃烧气体进入，氟化氢气体的浓度较低，但炉体寿命较长。外热式反应炉炉体为耐热钢板。该炉产生的氟化氢气体浓度高，但炉体寿命短。采用于法生产氟化铝时，由于需要较高浓度的氟化氢气体，设计通常选用外热式反应炉。采用酸法生产时一般选用内热式反应炉。

148图l酸法生产氟化铝、冰晶石工艺流程示意图1一硫酸高位槽；2一流量计；3～萤石料仓；4～计量器}5一反应炉；6…中和槽；7泥浆泵；8一焦子塔；9吸收塔}10一冷却器；11一集液槽；12一氟酸泵；13～污酸泵；14氟酸高位槽；15～氢氧化铝料浆高位槽；16一氟化铝合成槽；l7圆盘过滤机；18一氟化铝干燥炉；19～冰晶石合成槽；20～冰晶石干燥炉；21一混合给料机图2干法生产氟化铝工艺流程示意图1一预反应器；2一HF反应炉；3一发烟硫酸混合罐；4一硫酸给料槽{5一硫酸预热器}6一发烟硫酸给料槽}7一萤石料仓；8一萤石给料秤；9～石膏中和螺旋；10一石灰仓；11一石灰给料器；12一石膏粉碎机；13一石膏仓；14一洗涤塔；15一流化床反应器；16一燃烧室；17一氢氧化铝仓；18一加料秤}l9一加料螺旋f20一除尘器；21冷凝器；22一真空泵；23一冷却器；24一氟化铝冷却器；25氟化铝仓}26一包装机

(2)流化床反应器。是干法生产氟化铝的主要设备，有单层和多层两种。多层流化床飞灰少，效果好，产品灼减量小于5％，能耗较酸法少，设计中广泛采用。

(3)氟化氢吸收塔。是以水吸收氟化氢气体使其成为低浓度氢氟酸的主要设备。一般采用铅板塔、钢板衬胶衬炭砖塔和塑料塔，依使用寿命，生产效果和投资等进行综合比较后选定。一般采用塑料塔。填料有木条和拉西环等。

(4)氢氟酸冷却器。有铅材、石墨和塑料三种。选择冷却器要从传热效率高、耐腐蚀和操作维修方便考虑。铅质冷却器有铅蛇管式和铅排管式两种，后者占地面积较大，但维修较前者方便。石墨块孔式冷却器易被氢氟酸中的“酸泥”堵塞。中国采用塑料F一46(聚全氟乙丙烯)微管冷却器效果较好，传热系数为670kJ(m²•h•℃)。

(5)合成槽。采用钢壳内衬橡胶(或衬涤纶钢)和不透性石墨的复合衬里，搅拌器轴搪铅，桨叶为铜合金材料。

(6)过滤机。主要采用离心过滤机和圆盘过滤机。中国采用自行开发的专用圆盘过滤机，由水平转动圆盘、空心竖轴、传动系统和密封装置等部分组成。圆盘为钢质衬胶或衬涤纶钢，空心轴使用防腐蚀材料。此种过滤机的特点是，结构简单、易于进行防腐处理，操作方便，可连续自动卸料。如用于过滤冰晶石，其生产能力可达7t／(m²•d)。

(7)氟化盐干燥设备。种类较多，主要有一次间接加热干燥器、流化床干燥器、回转式干燥炉和气流干燥装置等。回转式干燥炉应用较普遍，设备可靠，但在干燥氟化铝产品时不易将结晶水全部脱掉，产品含水达5％左右；氟化铝干燥大部分采用一次间接加热干燥器和流化床干燥器。气流干燥设备较简单，脱水效果较好，但脱水管道温度较高，腐蚀严重，使用寿命短，检修相当频繁，对收尘设备要求较高。

车间组成 采用酸法生产的大型氟化盐工厂，其生产车间有原料车间、制酸车间、制盐车间、成品车间、石膏处理车间和综合利用车间等。干法生产氟化铝的工厂有原料车间、氟化氢制备车间、氟化铝车间和尾气处理车问等。

工厂布置与主要车间配置 工厂布置首先要保证获得径直和短捷的生产作业线，尽量避免交叉和迂回，使各种物料的输送距离为最短。同时将制酸和制盐等能耗较大的车间集中布置，以便形成负荷中心靠近供应源。制酸车间、氟化氢车间和成品车间应布置在厂区下风向。各车间之间的生产管道尽可能沿道路集中敷浮设，以便维修。

车间配置要注意：(1)在设备布置上要满足工艺流程的要求。一般，对具有位差的设备，应充分利用高位差布置，如把计量槽、氢氟酸高位槽和萤石料仓等布置在最高层。主要设备如合成槽、过滤机、反应器、吸收塔等布置在中层。将氟化氢反应炉、干燥炉、贮槽和泵类布置在底层。(2)相同类型的设备一般集中布置在一起，以便统一管理和集中操作。如将塔系设备集中布置在一处，泵类成组布置在一处。

技术特点 主要有：(1)氟化盐生产过程中有大量废气、废渣和废水，为防止环境污染，须进行处理和回收。如将废气中的低浓度二氧化硫回收成高浓度液体二氧化硫产品，石膏排渣中的游离硫酸与粘土反应制成硫酸铝产品。(2)主要生产车问、酸库等建筑物及设备基础、要进行防腐处理。主要生产设备、管路均需进行防腐处理或采用防腐材料制做。(3)主要生产车间均系高温作业，并有酸气逸出，厂房设计需充分考虑通风降温设施，并应设天窗，以保证空气流通。(4)由于设备检修较频繁，通常在配置时要留有检修场所和配备必要的检修设备。

主要技术经济指标 依产品和生产方法不同，氟化盐厂设计的主要技术经济指标如表。