氧化鋁不同生產工藝資源環境效率比較

高天明，楊沁東，代 濤

(1.中國地質科學院礦產資源研究所，北京 100037；2.中國地質科學院礦產資源研究所國土資源部成礦作用與資源評價重點實驗室，北京 100037；3.中國地質科學院全球礦產資源戰略研究中心，北京 100037；4.中國地質大學(北京)地球科學與資源學院，北京 100083)

0 引 言

中國是全球最大的氧化鋁生產和消費國，其氧化鋁產量占世界的比重由2006年的23%，上升到2015年的54%[1-2]。氧化鋁產量的不斷增加不僅引起了鋁土礦資源和能源的巨大消耗，還對環境造成了一定污染[3]。中國鋁工業的環境負擔主要發生在氧化鋁生產段[4]。同時，鋁冶煉對金屬資源的耗費也不容小覷，中國噸鋁的赤泥產量為1.6 t[4]，2015年中國鋁冶煉階段鋁金屬的損耗高達216萬t[1]。為了解決氧化鋁工業中的資源損失與環境污染問題，開展氧化鋁生產階段的物質流分析，評價不同工藝的資源環境效益，一方面對發展氧化鋁清潔生產提供依據，另一方面對于探究降低鋁資源損失的手段與措施，減少資源浪費都有著重要意義。

已有學者開展了氧化鋁工業中資源效率問題的相關研究。吳復忠等運用投入產出分析方法，建立了氧化鋁企業的資源效率、能源效率和環境效率的數學模型[5]；周鳳祿等建立起了氧化鋁工業的物質流、能量流的框架，在此框架的基礎上討論了氧化鋁生產過程中企業的能耗及資源效率、能源效率[6]；肖序等在元素流和價值流分析的基礎上引入資源效率，構造流程制造業生產工序與流程的資源效率和資源流成本的關系式，構建運用于流程制造業的“元素流-價值流”計算與分析方法，并將其應用于某氧化鋁生產企業[7]；在能耗方面，劉麗儒等通過構建拜耳法、燒結法與聯合法的基準物流圖定量分析各個工序的能耗，并以某氧化鋁廠的生產數據，繪制其實際的物流與能耗情況，通過理論上構建的基準物流圖與實際生產數據的比較，來指導氧化鋁廠如何降低能耗[8-10]。環境效率方面，周鳳祿等以山西某拜耳法氧化鋁廠為例，采用工業代謝分析方法，建立了企業物料結算平衡表，對該企業生態效率的現狀進行了分析比較[6]；在調研近30年國內外相關文獻的基礎上，薛生國等分析了赤泥處置和資源化利用的環境影響[11]；尹中林等以氧化鋁生產工藝的技術手段為基礎，分析了氧化鋁工業產生污染的原因，從技術發展的角度提出了減少氧化鋁工業污染的手段[12]；已有的文獻多以氧化鋁工業本身的生產技術角度、或者通過投入產出為手段，分析氧化鋁工業中的資源環境問題。有學者也建立了氧化鋁工業的物質流、能量流框架，但也只是從理論上分析其對資源和環境的影響。以物質流、能量流分析為基礎，從生產技術角度來比較分析氧化鋁不同生產工藝的資源環境效率方面的研究還非常缺乏。

本文從氧化鋁的生產工藝著手，刻畫不同氧化鋁生產工藝過程的鋁物質流以及各生產環節能量的流動，構建拜耳法、燒結法、聯合發生產工藝的物質流圖，分析不同氧化鋁生產工藝各生產環節的物質與能量的變化情況，對比不同生產工藝的資源效率、能源效率和污染物排放強度等，歸納不同工藝的優勢和不足，為優化氧化鋁清潔生產模式、提高資源效率提供措施與建議。

1 氧化鋁生產工藝概述

從鋁土礦中提取氧化鋁有多種方法，最初為燒結法，但自從拜耳法產生后，才逐步形成規模的氧化鋁工業。拜耳法是生產氧化鋁的主要方法，其產量約占氧化鋁總產量的95%[9]，在拜耳法得到廣泛應用的同時，也發展出了由拜耳法和燒結法結合起來的聯合法。目前，生產氧化鋁主要的工藝為拜耳法、燒結法與聯合法。

拜耳法以處理鋁硅比大于9的礦石為主，其基本流程如圖1(a)所示。破碎的鋁土礦和和石灰、循環母液制成礦漿，礦漿經脫硅、預熱后溶出，經過蒸發降溫后沉降分離，赤泥經洗滌進入赤泥堆場，粗液過濾后經晶種分解得到氫氧化鋁。而處理含硅較高的鋁土礦或鋁酸鹽類礦物時，多采用燒結法。其基本工藝為：在高溫條件下燒結碳酸鈉、鋁土礦和石灰石的混合料，然后用稀堿液溶出熟料可得到鋁酸鈉溶液，在溶液中通入CO2氣體即可析出氫氧化鋁。殘留的溶液蒸發濃縮后返回配料循環使用。燒結法的基本工藝流程如圖1(b)所示。

處理低品位鋁土礦時，拜耳法的礦耗、堿耗升高。由此開發出聯合法生產工藝，用燒結法處理拜耳法赤泥，回收其中的氧化鋁和苛性堿。拜爾燒結聯合法有多種，本文以串聯聯合法為例，串聯聯合法的基本流程為：先以拜耳法處理鋁土礦，提取其中大部分氧化鋁后，再用燒結法處理拜耳法赤泥，進一步提取赤泥中的氧化鋁并回收堿；而后燒結法系統所得的鋁酸鈉溶液并入拜耳法系統一起進行晶種分解。

2 氧化鋁生產工藝物質流圖

根據氧化鋁生產工藝的基本流程圖，通過查閱《鋁冶煉生產技術手冊》[13]、《拜耳法生產氧化鋁》[14]等相關資料、文獻等，參考了長城鋁業、山東鋁業、貴州鋁業、山西鋁業、廣西平果鋁業等中國典型企業鋁土礦、苛性堿、重油、電耗等中間環節數據，繪制了氧化鋁不同生產工藝的物質流圖(圖2～4)。由于一些數據的可獲得性與研究過程中的必要性，對工藝流程中所包含的一些指標進行了簡化：為了方便對三種工藝進行對比，文中鋁土礦的品位為60%，且其余成分的含量也相同。

拜耳法生產1 t氧化鋁所需要的原料投入為2 437 kg，其中鋁土礦2 002 kg(含氧化鋁1 201 kg)、苛性堿281 kg、石灰154 kg(圖2)。在溶出、晶種分解和焙燒階段損失氧化鋁201 kg，其中溶出和晶種分解損失量較大。噸氧化鋁生產需要補充苛性堿43 kg，并與晶種分解后循環利用的苛性堿238 kg融合用于氧化鋁生產的溶出，在溶出、晶種分解、蒸發階段苛性堿的損失量分別為14 kg、19 kg和10 kg。同時需要石灰石154 kg，用于溶出階段增加氧化鋁的溶出率。拜耳法生產噸氧化鋁所需要能源為8.36 GJ，其中煤炭24.7 kg、焦炭44 kg、重油131 kg、電力244.3 kW·h。溶出、晶種分解、蒸發、焙燒階段的能耗分別為：724 MJ、671 MJ、1 965 MJ、5 000 MJ。

圖1 氧化鋁生產工藝流圖

圖2 拜耳法鋁物質流量圖

圖3 燒結法鋁物質流量圖

圖4 拜爾-燒結串聯聯合法鋁物質流量圖

燒結法生產1 t氧化鋁需要的原料投入為2 084 kg，其中鋁土礦1 963 kg(含氧化鋁1 178 kg)、堿112 kg、石灰794 kg(圖3)。在燒結、熟料溶出、脫硅、碳分階段損失178 kg氧化鋁，其中熟料溶出損失量較大。噸氧化鋁生產需要補充堿18 kg，并與碳分后循環利用的苛性堿94 kg一同用于氧化鋁生產的燒結工序，在各個流程中堿的損失量分別為燒結1 kg、熟料溶出7 kg、脫硅5 kg和碳分5 kg。同時需要石灰石794 kg，用于燒結、熟料溶出、脫硅三個階段中。燒結法生產噸氧化鋁所需要能源為32.866 GJ，其中煤炭932.8 kg、焦炭35.79 kg、重油77 kg、電力354 kW·h。燒結、熟料溶出、脫硅、碳分、焙燒階段的能耗分別為：27 339 MJ、158 MJ、175 MJ、194 MJ、5 000 MJ。

聯合法(串聯法)生產1 t氧化鋁所需要的原料投入為2 456 kg，其中鋁土礦1 818 kg(含氧化鋁1 091 kg)、補充堿69 kg、石灰569 kg(圖4)。在燒結、熟料溶出、脫硅、晶種分解階段損失91 kg氧化鋁，其中熟料溶出和晶種分解損失量較大。噸氧化鋁生產需要補充堿69 kg，在溶出、燒結、熟料溶出、脫硅、晶種分解、蒸發階段苛性堿的損失量分別為6 kg、6 kg、9 kg、11 kg、21 kg、16 kg。同時需石灰石569 kg，用于溶出、燒結、脫硅等流程中。聯合法生產t氧化鋁所需要能源為19.836 GJ，其中煤炭485 kg、焦炭33.1 kg、重油83.9 kg、電力320 kW·h。溶出、燒結、熟料溶出、脫硅、晶種分解、蒸發和焙燒階段的能耗分別為：654 MJ、13 564 MJ、62 MJ、54 MJ、100 MJ、402 MJ、5 000 MJ。

3 資源環境效應指標比較

為了反映氧化鋁各生產工藝資源和能源的消耗以及對環境狀況的影響，本文以鋁資源效率、能源效率和CO2排放強度來衡量各工藝的資源環境效應。通過對不同工藝利用各種指標的比較，分析討論出三種不同工藝對資源的損耗情況和對環境的友好程度。

3.1 鋁資源效率比較

根據三種生產工藝物料平衡情況，各階段的物料損耗及鋁的含量，得到了不同工藝生產噸氧化鋁金屬鋁的損失量及其資源利用率(表1)。由表1可知，聯合法工藝結合了拜耳法和燒結法的特點，決定了其資源利用率很高，噸氧化鋁的損失在三種工藝中最低，為91 kg/tAl2O3，其資源利用率業高達91%。拜耳法和燒結法流程除在焙燒環節均有5 kg/tAl2O3左右的鋁金屬損耗外，在其他環節的損耗具有明顯的差異性。

表1 三種氧化鋁生產工藝中鋁資源利用效率

燒結法的金屬損耗主要發生在熟料溶出和脫硅環節，脫硅環節的工藝有脫硅產物不含氧化鈉和氧化鋁的原硅酸鈣的特點，因此其鋁總回收率高，其鋁的回收率為96%。脫硅環節鋁金屬損失量為43 kg/t Al2O3。脫硅環節排出的赤泥中的含鋁比為4%，熟料溶出鋁金屬損失量為82 kg/t Al2O3，占該工藝總損失量的46%。燒結法的資源利用效率略高于拜耳法為85%。

拜耳法金屬損耗最大，其金屬的損耗量達到了201 kg/t Al2O3，利用效率為83%其金屬損耗主要發生在溶出和晶種分解環節，其中晶種分解環節的金屬損耗為64 kg/t Al2O3，占總損耗32%。目前國內晶種分解技術已經較為成熟，和美國、瑞典、法國等國家的產出率相比，國內晶種分解技術已經達到了國際先進水平[9]。而溶出環節金屬損耗所占比重最大為62.85%，即132 kg/t Al2O3。

拜耳法工藝的主要特點，是適合處理高鋁硅比的礦石，且其生產流程相比其他兩種工藝要簡單的多，所以其生產成本也低。而燒結法具有總金屬的回收率高，能夠有效的處理低品位礦石，堿耗低的突出優點。但是，燒結法碳分過程中溶液中的氧化硅易于析出，導致其生產的氧化鋁成品中質量較差。鋁金屬的損耗最多的環節在于溶出和熟料溶出階段，而這兩個流程的鋁金屬的溶出率從原理上受到鋁土礦中鋁硅比控制，礦石中的鋁硅比越大其溶出率也就越大，所以想要降低這兩個技術流程的金屬消耗，主要的問題在于礦石的質量。從工藝本生上來說選擇聯合法這種資源效率很高的工藝來生產氧化鋁是降低金屬損失的最有效辦法。

3.2 氧化鋁生產工藝中的能耗

氧化鋁的生產工藝中能耗主要來源于焙燒、蒸發等環節，將這些環節消耗的煤、焦炭、重油等能源物質與電力消耗經過換算[16]，所得能耗如圖5所示。就總能耗而言三種工藝生產噸氧化鋁能耗，拜耳法最低為8.358 GJ/tAl2O3。拜耳法工藝中能耗主要消耗在焙燒階段與堿的蒸發環節，占總能耗的83%。最高的則為燒結法32.866 GJ/tAl2O3，燒結法能耗的主要來源是煤和石灰的消耗，燒結環節會消耗大量的煤，其使用的煤產生的能耗占到了燒結法所產生總能耗的83.2%；燒結法石灰用量大，從而石灰燒制也會需要大量的能耗。聯合法中因為結合了燒結法中的工藝流程，所以其用煤量偏大，從而能耗也就偏高。

圖5 不同氧化鋁生產工藝能耗

國內總體情況而言，中國的氧化鋁生產能耗偏高(表2)。中國的聯合法及燒結法工藝生產氧化鋁能耗是國外氧化鋁冶煉工藝的2～3倍；中國拜耳法工藝氧化鋁的生產能耗與國外接近；甚至比其他國家的能耗低[14]。

3.3 環境影響比較

氧化鋁生產的二氧化碳排放來源有：鋁土礦含有的碳酸鹽和消耗能耗在生產過程中的直接排放和生產過程中電力消耗所產生的間接性排放。鋁土礦中碳酸鹽含量很小本文的二氧化碳排放強度并未考慮這部分的碳排放。

通過圖5中各個能源物質與電力消耗的量，依據國家發改委氣候司發布的不同能源的排放系數[12]，可以測算出三種工藝二氧化碳的排放見表3。從測算結果可以得知，燒結法生產噸氧化鋁會產生大量的二氧化碳，二氧化碳的排放量高達2.45 tCO2/tAl2O3。而拜耳法工藝生產噸氧化鋁的碳排放量則最低，只有燒結法碳排放的1/3。因此氧化鋁的生產工藝中對大氣影響最大的是燒結法工藝。

氧化鋁的生產工藝中，對環境的影響因素還有金屬離子和堿的排放，金屬離子導致土地金屬污染，堿影響土壤與水體的酸堿度，這些污染在生產工藝中都是赤泥的形式排出。三種工藝中拜耳法赤泥排放和堿耗最大，其對環境的影響也最大。如何提高拜耳法赤泥的再利用對資源環境均有重要的意義。

表2 中國不同氧化鋁生產工藝國際能耗比較

表3 不同氧化鋁生產工藝二氧化碳排放強度

4 結 論

1) 聯合法金屬損失率最低，燒結法次之，拜耳法金屬損耗最大。聯合法因其本身的工藝特點決定了其鋁金屬的消耗少。拜耳法中的溶出環節、燒結法中的熟料溶出環節是各生產環節中鋁金屬消耗最多的流程，導致了兩種工藝的鋁金屬利用率的差異。在晶種分解技術成熟的前提下，想要提高拜耳法的溶出率，減少燒結法熟料溶出的損耗使得氧化鋁生產資源效率提升，需使用高品質的鋁土礦資源。

2) 拜耳法總能耗最低為8.36 GJ/tAl2O3，能耗最高的則為燒結法32.87 GJ/tAl2O3。燒結法能耗的主要來源是燒結環節煤的消耗。與國外技術對比，國內拜耳法工藝，能耗都已經達到了國際先進水平，但燒結法、聯合法工藝生產氧化鋁能耗是國外氧化鋁冶煉工藝的2～3倍。

3) 拜耳法工藝氧化鋁的碳排放強度則最低，不及燒結法碳排放的1/3，但其赤泥中所含的金屬元素、堿的含量高，其對土壤和水體的影響很大。燒結法氧化鋁會產生大量的二氧化碳，排放強度高達2.45 t/tAl2O3。這也與燒結法工藝中消耗大量的煤有關，同時也是聯合法碳排放偏高的主要原因。

綜上所述，拜耳法工藝的主要特點為能耗低，生產成本也相對較低，所以中國氧化鋁產業的生產工藝大部分都選用拜耳法。但是，拜耳法工藝對鋁金屬的損失量很高，這也就解釋了中國每年在氧化鋁這一生產環節，造成鋁金屬的巨大浪費、對水體與土壤的不良影響的原因。燒結法最大的短板就在于能耗與碳排放太高，生產成本也隨之上升。但其資源效率高，與國外燒結法工藝技術相比較，國內降低能耗的空間非常大。聯合法工藝對鋁的利用率非常高，但其能耗也相對偏高，且工藝較為復雜，操作技術難度較高。在提高資源效率方面，要探索提高氧化鋁溶出率的技術，提高赤泥的利用率，降低鋁資源的損耗，分析燒結法能耗高的原因，提出提高能效的應對措施，降低能源的消耗和二氧化碳排放強度。

[1] 中國有色金屬工業協會.中國有色金屬工業匯編[R].2016.

[2] World Bureau of Metal Statistics.Yearbook of World Metal Statistics[R].2016.

[3] 田紅獻.氧化鋁清潔生產工藝現狀及展望[J] 安陽師范學院學報,2004(2):22-24.

[4] Ning Ding,Jianxin Yang,Jingru Liu.Substance flow analysis of aluminum industry in mainland China[J].Journal of Cleaner Production,2016,133:1167-1180.

[5] 吳復忠,金會心.氧化鋁企業資源、能源、環境效率模型分析[J].貴州科學,2011,29(4):61-64.

[6] 周鳳祿.氧化鋁廠的物質流和能量流及其相互關系[C]∥第十三屆(2009年)冶金反應工程學會議論文集.中國金屬學會冶金反應工程分會,2009.

[7] 肖序,陳寶玉.基于資源效率的“元素流-價值流”分析方法研究[J].環境污染與防治,2015,37(12):90-95.

[8] 劉麗孺,于慶波,陸鐘武,等.燒結法生產氧化鋁流程中物流對能耗的影響[J].有色金屬,2003(2):51-54.

[9] 劉麗孺,陸鐘武,于慶波,等.拜耳法生產氧化鋁流程的物流對能耗的影響[J].中國有色金屬學報,2003(1):265-270.

[10] 劉麗孺,于慶波,陸鐘武,等.混聯法生產氧化鋁流程的物流對能耗的影響[J].東北大學學報,2002(10):944-947.

[11] 周鳳祿,張廷安.拜耳法氧化鋁廠生態效率分析[J].輕金屬,2014(7):10-12.

[12] 薛生國,李玉冰,郭穎.氧化鋁工業赤泥環境影響研究進展[J].中國科學院大學學報,2017,34(4):401-412.

[13] 尹中林.氧化鋁工業與環境保護[C]∥中國有色金屬學會第三屆學術會議論文集——科學技術論文部分.中國有色金屬學會,1997.

[14] 厲衡隆,顧松青.鋁冶煉生產技術手冊[M].北京：冶金工業出版社,2011.

[15] 畢詩文.拜耳法生產氧化鋁[M].北京：冶金工業出版社,2007.

[16] Paustian K,Ravindranath N H,et al.2006 IPCC Guidelines for National Greenhouse Gas Inventories[R].2006.

[17] 國家發展改革委氣候辦.省級溫室氣體清單編制指南[R].2011.