アルミナ：アルミナ製造工程におけるろ過

ボーキサイトからのアルミナの製造は、アルミニウム製造における重要な最初のステップです。 濾過および分離装置は、特に困難な条件において、このプロセスにおいて重要な役割を果たします。 トレバー・スパークス氏が説明する。

アルミニウムは非常に用途が広く、経済的にも重要な材料です。 地球の地殻内には豊富に存在しますが、地球はこの銀色で軽く、強く、耐食性のある金属を簡単に手放したくありません。 その鉱石（ボーキサイト）は通常露天掘りで比較的簡単に抽出できますが、金属を精製するプロセスには多大な労力が必要です。 アルミニウムの生産は、人為的な温室効果ガス排出量の約 1% を占めると推定されています。 しかし、これらは、鋼鉄ではなくアルミニウムで作られた自動車、トラック、電車から排出される温室効果ガスの削減によって多少相殺されます [www.world-aluminium.org/About+Aluminium/Story+of]。

通常の製造ルートは、ボーキサイトを酸化アルミニウム、つまり白色の結晶性粉末であるアルミナ [Al2O3] に精製することです。 次に、この粉末を溶解してアルミニウム金属を形成します。 一般に、2 トンのアルミナを製造するには 4 トンの乾燥ボーキサイトが必要で、これにより 1 トンの一次アルミニウム金属が得られます。 アルミナには研磨剤やセラミックスなどの他の用途もありますが、世界のアルミナ生産の大部分は金属アルミニウムに変換され続けています。 精錬所はアルミニウムが必要な場所の近くに位置する傾向がありますが、アルミナ工場は通常、ボーキサイトの供給源に近いか、アルミニウム精錬所に向かう途中にあります。 また、大量の燃料と水酸化ナトリウムも必要であり、それらの場所と輸送コストもアルミナ工場の設置場所を決定する要因となることにも留意すべきである。

ボーキサイトからのアルミナの生産は、それ自体が非常に重要な産業ですが、ろ過および分離技術の世界的に最も重要なユーザーの 1 つでもあります。 典型的なアルミナプラントは、生産量 100 万トンあたり約 500 ～ 1000 平方メートルの濾過面積 (および数百平方メートルの重力濃縮器/清澄器面積) を使用します。

アルミナの生産量は過去 20 年間で約 2 倍の 8,000 万トン以上に増加しました。 この増加のかなりの部分は、既存のプラントからより多くの生産能力を絞り出すこと、またはこれらのプラントに追加のストリームを追加することによってもたらされました。 アルミナの最も主要な生産国はオーストラリア、中国、ブラジルです (表 1 を参照)。

世界中のほぼすべてのアルミナ工場は、120 年以上前に特許を取得したバイエル法 [米国特許 515,895 アルミナ製造プロセス、カール・バイエル] を使用して、ボーキサイトをアルミナに精製しています。 このプロセスでは、大量の苛性液がプラントの周りを継続的に循環します。 ボーキサイトは苛性ストリームに供給され、多くのプロセスを経た後、アルミナがストリームから取り出されます。 主なプロセスのステップは次のとおりです。

1) 高温高圧で苛性液を使用してアルミニウム含有鉱物を溶解します。

2) 固体残留物の除去 - アルミニウムを含まない部分は、通常、鉄が豊富な鉱物の混合物です。

3) 制御された冷却条件下での純粋な水酸化アルミナ [Al(OH)3] の沈殿。

４）水酸化アルミナを焼成して結晶水を除去し、アルミニウム精錬に使用できる状態にする。

これは、高温で濃縮された苛性液を使用するプロセスであり、非常に研磨性の高い製品が生成されるため、濾過装置には理想的ではありません。 実際、アルミナ工場の濾過装置は、プロセス産業の中でも最も過酷な条件に直面します。

このプロセスのさらに興味深い点は、固液ろ過タイプの基本的な動機のそれぞれに依存していることです。

• 価値のある液体を価値の低い固体から分離する (残留物の分離)。

• 貴重な固体を価値の低い液体から分離する (最終製品の濾過)。

• 貴重な固体を貴重な液体から分離する (種子濾過)。

すべての生産プロセスと同様に、成功を評価するには 4 つの方法があります。生産コスト、最終製品の品質、生産性と安全性、健康と環境 (SHE) です。 アルミナ生産者にとって、より重要な考慮事項は次のとおりです。

• 熱、苛性物質、使用資本、水の効率的な使用。

• 非アルミニウム化合物の除去 (たとえば、鉄またはチタン化合物の存在はアルミニウムの生産に悪影響を及ぼします)。

• 一貫したアルミナ粒度分布。 粒子が細かすぎると粉塵が発生し、粒子が粗すぎると電解精錬プロセスが中断されます。

• 環境への製品の損失と廃棄物を最小限に抑えます。

• 年中できるだけ多くの日、年中無休で稼働します。

• 苛性物質に関連するリスクの管理 – 非常に高い温度と圧力。

• 生成される大量の残留物の管理。

次に、指定された処理成功の 4 つの側面を参照しながら、最も重要な固液ろ過プロセスのいくつかを見ていきます。 実際には、他にも多くの固液濾過プロセスや固気分離ステップが考えられます。 ただし、この記事で注目する 4 つのステップは次のとおりです。

1) 残渣分離 – 赤泥ろ過

2) 残渣の分離 – 酒精研磨

3) 沈殿種子濾過

4) 製品の洗浄と濾過。

コントロールヘッド、つまりロータリーバルブは、この記事で説明するパン、ディスク、ドラムなどの各真空フィルターの重要な技術部分です。 真空と加圧空気（ブローバックとケーキ排出用）を含む可動シールを提供します。

実際には、これは領域に分割された固定側を備えた切り替え可能なパイプ マニホールドです。 これに反してフィルター上の各パネルからのパイプ接続部が回転し、回転サイクルのポイントに応じて、各パネルが真空、「デッドスペース」、または逆流を順番に経験します。

アルミナ工場の環境は、このコンポーネントの潤滑を維持するのに特に困難を伴います。特に優れた研磨剤が存在することを考慮すると、グリースと苛性剤は相性が良くありません。

プロセスのこのステップの主な目的は次のとおりです。

• 沈殿プロセスに送られる清澄な溶液を生成します。

• 最小限の量のプロセス液を含む残留泥を生成し、安全に保管または積み重ねることにより廃棄できます。

この清澄は通常、重力沈降清澄機によって行われ、最終清澄機からのオーバーフローについては最終研磨濾過ステップが行われ、アンダーフロー（赤泥）については洗浄および濾過が行われます。 アルミナ工場の赤泥廃棄場は紛れもない場所です。 ロシアのサンクトペテルブルクの南東地域と西オーストラリアのパース周辺がその良い例です。

ボーキサイトの組成を考慮すると、アルミナが 1 トン生産されるごとに、約 1 トンの赤泥が生成されます。 当然のことながら、赤泥を鉱山の埋め戻しに使用できるため、ボーキサイト採掘活動の近くでアルミナを精製することには一定の利点があります。 ただし、泥中の苛性ソーダの量を最小限に抑え、周囲の土壌への苛性ソーダの浸出を防ぐために廃棄場所を密閉することが重要です。

ほとんどの場合、工場では赤泥が廃棄場に送られる前に、最終的な洗浄と脱液に真空フィルター (通常はドラムフィルター) を使用します。 このプロセスでは、固形物は廃棄物となり、液体は有価物となります。 ドラムフィルターを使用する理由は、その信頼性と、薄くて粘着性のあるケーキを排出する能力にあります。

この段階でのフィルターへの供給原料の固形分含有量は約 40% wt/wt であり、液体には大量の苛性ソーダと溶解アルミニウムが含まれています。 ドラムは、布で覆われたパネルを備え、真空下で、最後の重力デカンタ/洗浄機からのアンダーフローを含む撹拌トラフ内で回転します。 トラフを通過すると、布の上にケーキが形成されます。通常、このケーキの厚さは 5 mm 未満になります。 ケーキがトラフから出てくると、ドラム上部の洗浄バーから供給される熱い洗浄水で満たされるゾーンに入ります (ただし、フィルターによってはスプレー システムを使用する場合もあります)。 最後に、ケーキから液体が排出される乾燥ゾーンを通過した後、泥は排出システムに到達します (多くの場合、ケーキを布から剥がすためにローラーが使用されます)。

フィルターの能力は、適用される脱水力と、濾液がフィルターケーキを通過できる速度 (濾過能力) とフィルター自体を通過できる速度 (装置の水力能力) によって決まります。 回転速度を上げると処理量が増加します。 ただし、理論上の容量はせいぜい回転速度の平方根に比例するということを覚えておく必要があります (したがって、速度を 2 倍にするとスループットは約 40% 増加しますが、コンポーネントの磨耗が大幅に増加する可能性があります – を参照)回転速度の影響）。 また、フィルターの濾液システムと、設置内の関連タンクおよび配管の液容量を確認することも必要です。

速度を下げるさらなる動機は、洗浄ゾーンでの泥の滞留時間が増加することです。 Borges と Aldi は、「1.4 rpm の回転では、平均苛性アルカリ濃度が 17.7 g/L になったのに対し、3.1 rpm で操作した場合は 23.6 g/L となった」と報告しました。 [赤泥濾過における統計モデルを使用して赤泥中の苛性物質濃度を予測する Borges A. および Aldi J. Alunorte Light Metals 2009、117 ～ 119 ページ]

トラフフィード回転真空フィルターの能力は、速度の平方根に比例するよりも少し小さくなります。 したがって、他のすべての条件が等しい場合、速度を 2 倍 (×2) にすると、容量は約 2 の平方根 -1.41 増加します。 したがって、可能な最大の増加は、以前の容量の約 1.4 倍、つまり 40% の増加になります。

もちろん、容量が限られている場合は選択の余地がなく、フィルターは容量に達するまでできるだけ早く実行する必要があります。 しかし、10 個のフィルターがあり、5 個のフィルターを達成可能な最大速度で実行することで必要な容量に到達できる場合、賢明な運用体制はどのようなものになるでしょうか?

速度と容量の関係を考慮すると、容量のシナリオを表にまとめることができます。 濾布が最も脆弱になるのは、ケーキが排出ローラーによって濾布から剥がされるとき（またはブローバックエアによって排出されるとき）であり、濾布がトラフに入って新しいスラリーに当たるときであることを考えると、濾布が摩耗すると推測できます。ケーキの排出数に比例します。 したがって、寿命はこれの逆になります。 また、フィルターの他の部品 (コントロール ヘッドなど) の摩耗は、設計限界に近づくにつれて速度とともに急激に増加する可能性があります。 たとえば、2,500 rpm のトップ ギアで高速道路を走行する車と、5,500 rpm の 2 速ギアで同じ道路速度で走行する車について考えてみましょう。 さらに、高度に腐食性の環境では応力腐食が問題になる可能性があるため、スラリーに含まれるフィルターコンポーネントへの応力を軽減することは良い考えです。

次の表に、必要なおおよその回転速度を示します。 興味深いことに、7 つのフィルター (あと 2 つだけ) を操作すると、必要な速度は 5 つのフィルターを使用した元のシナリオの約半分になります。 また、フィルターの総回転数も大幅に減少し、フィルター 7 枚では 30% 近く減少します。

これは、10 個のフィルターすべてを 1.3 rpm で実行するのが最適であるということではありません。 他の問題も考慮する必要があります。 たとえば、ケーキの厚さはケーキ排出の最適点を超えて増加しますか? また、真空ポンプ全体の能力や消費電力はどうなるでしょうか？

設置を最適化するために、フィルタの 1 つをより遅い速度で実行し、そのパフォーマンス (スループット、洗浄結果、ケーキ排出)、予備品 (特にクロス)、および消費電力を注意深く監視することをお勧めします。

赤泥の用途を見つける試みが数多く行われてきました。 カール・バイエルの最初の特許は、赤泥の残留物が鉄の製造に使用できることを示唆しています。 しかし、これまでのところ、この取り組みで成功した例はほとんどありません。 現在、例えば建設資材として赤泥を利用するというアイデアを追求する取り組みがいくつか行われています (www.redmud.org を参照)。 これらの用途の一部は、泥から苛性アルカリやその他の液体を完全に除去することに依存します。

場合によっては、真空ドラムフィルター以外の濾過技術も使用される場合があります。たとえば、ギリシャのセントニコラス工場のアルミニウムおよびフランスのアルカンのガルダンヌ工場のフィルタープレスです。 ただし、このテクノロジーへの大幅な移行の兆候はまだありません。

Bokela GmbH は、自社の Hi-Bar 連続加圧フィルターを赤泥のろ過に使用でき、これにより苛性損失が減り、固形分がより高い泥が生成されるという利点が得られると示唆しています。

重力沈降によって蓄積されたオーバーフローには、依然として少量の微細な浮遊固体物質が含まれている可能性があります。 これらの粒子が沈殿プロセスに入ると、製品が鉄やチタンの化合物などで汚染されてしまいます。 これはアルミナの特性に影響を与え、最終的にはアルミニウム精錬所に影響を与えます。 このため、この物質を除去するために、液体を研磨フィルターに通します。

一般に、セキュリティ フィルタリングに使用される最も一般的なタイプのフィルタは、垂直リーフ圧力フィルタ、つまりケリー フィルタです。

リーフフィルターのサイズを決定するためのおおよそのガイドは、約 1 m3m−2h−1 (布地 1 平方メートルあたり 1 時間当たりの液体 1 立方メートル) の流束速度を想定することです。 アルミナのすべての濾過用途の中で、現在装置サプライヤーから最も注目を集めているのはセキュリティ濾過であるようです。 業界は、この用途向けの自動で信頼性の高い自己洗浄装置を常に探しています。 このアプリケーションにインストールされている多くのフィルターには多大な注意が必要です。 これは主にスケーリング (フィルターの内面およびフィルター内の媒体への析出) が原因です。

カール・バイエル氏の最初の開発作業中に、彼は沈殿のためのシードを提供するために、ある用量の水酸化アルミニウム結晶をアルミン酸ナトリウム溶液に混合しました。 この技術は現在でも使用されており、その規模は 1880 年代にサンクトペテルブルクで使用されていたガラス製品よりも数桁大きいものです。

バイエルプロセスの現代的な解釈では、溶液がその生成物を固相に放出できるように、種子粒子の存在下で慎重に制御された冷却の下で、妊娠液に長い滞留時間を与えるために巨大なタンクが使用されます。 特に寒い日、特に風と雨が降る日には、バイエルプロセスの沈殿回路の生産性が大幅に向上する可能性があります。 しかし、これにより粒度分布の制御に混乱が生じる可能性もあります。 広く利用されているもう 1 つの沈殿プロセスである沈降炭酸カルシウム (PCC) の製造では、結晶の形成に必要な時間はほぼゼロです。 アルミナの場合、金属アルミニウムの製造プロセスに必要な慎重に制御された粒度分布を生成するには、数十時間かかる場合があります。

液体が生成できるすべての生成物を放出すると（したがって廃液になると）、固体生成物から分離され（通常は大きな沈降タンクで）、バイエル回路の最初に戻され、そこで再処理されます。加熱および再濃縮されており、新鮮なボーキサイトを受け入れる準備ができています。 沈殿連鎖の最後にある固体粒子は分級され、必要な製品サイズを満たすものは焼成ステップに送られ、サイズ未満のものは沈殿のシードとして機能するために沈殿連鎖の先頭に戻されます。

高濃度（したがってより多くの沈殿ポテンシャル）を維持するために、沈殿連鎖を逆流する種子のスラリーから廃液を除去することには利点がある。 これにより、工場の生産性が向上します。

この用途における種スラリーは真空下で数秒で濾過され、場合によっては 50 mm 以上の非常に大きなケーキが生成されます。 ほとんどの場合、この用途には真空濾過が使用されますが、場合によってはドラムフィルター、より一般的にはディスクフィルターが使用されます。

これは、分離自体の難しさという点で困難な濾過プロセスではなく、むしろ、高苛性母液中の重くて研磨性のケーキを大量に処理するという点で困難です。 さらなる課題は、非常に大量の濾液を処理することです。言い換えれば、フィルター自体の濾液システムと設備全体の濾液システムを適切に設計する必要があります。

この記事で紹介するフィルターの種類はすべて、通常、フィルター媒体としてポリマー糸で作られた織布濾布を使用します。 通常はポリアミド（ナイロン）やポリプロピレンが使用されます。 布が何であるかわからない場合は、浸したポリプロピレンの部分は水に浮きますが、浸したナイロンの部分はゆっくりと沈みます。 布地は、温度、pH、摩耗などの厳しい条件下で使用されます。 ナイロンは特に高温の研磨用途に適していると評判ですが、通常、ポリプロピレンは高 pH スラリーに適していると考えられています。

沈殿からの分別および分類された固体生成物は、最終生成物を汚染し、製錬プロセスを妨げるプロセス液を除去するために洗浄する必要があります。 ここでの目的は次のとおりです。

• か焼炉に供給できるほど乾燥したフィルターケーキを生成します。

• ケーキを洗い、プロセス液を取り除きます。

最も一般的には、この用途にはパン フィルターが使用されます。 比較的コンパクトでケーキの洗浄能力があるため、これらが使用されます。 パン フィルターはディスク フィルターに似ていますが、ディスクが水平に配置されています。 この場合、フィルターのスループットは、フィルターの速度とは関係なく、フィルターに送られるスラリーの量によって完全に決まります。 スラリーをフィルターパン (真空下にある) に注ぎ、パンが回転すると洗浄され、液体を追い出すためにケーキを通して空気が引き込まれます。 フィルターケーキは通常、フィルタークロスから少し離れた場所に設置されたスクリューを使用して取り外され、パンから横方向に排出シュートに運ばれます。 最後に、布を清潔に保つために、布に圧縮空気のバックパルスを与えることができます。 ケーキの水分は通常、重量で 10% をはるかに下回ります。 実際には、ケーキの水分は回転速度の影響をあまり受けません。 空気が短時間流れる薄いケーキか、空気が長時間流れる厚いケーキのどちらかを選択する必要があります。

実際には、フィルターの回転速度は、フィルターケーキが適切に排出できるのに十分な厚さになるように設定されます。 一部のオペレータは、薄いケーキを使用して、機械的に可能な限り高速にフィルタを実行することを好みます。 ただし、より遅い速度で実行すると、濾布の寿命と洗浄結果 (滞留時間の増加) の点でいくつかの利点が得られます。

アルミナは金属アルミニウムの製造に不可欠なステップです。 バイエルプロセスは大量の濾過能力を必要としますが、濾過装置にとっては非常に困難な条件を提示します。

濾過装置と濾布のサプライヤーはこれに応え、今後も反応を続け、堅牢な濾過製品を生産しています。