基于氧化鋁生產工藝中的節能降本技術研究

張鐵志，弭飛飛

（1.東北大學設計研究院（有限公司），遼寧 沈陽 110166；2.沈陽科維潤工程有限公司，遼寧 沈陽 110166）

隨著氧化鋁材料的需求量與日俱增，對氧化鋁生產工藝也提出了新的要求[1]。氧化鋁生產工藝主要指的是在對應的鋁土礦物中提取一定量的氧化鋁，通過生產設備采取一定的方法除去氧化鋁內部所含的雜質。在一定程度上，我國氧化鋁生產工藝會受品位因素及礦石性質的影響導致產量低的問題。由于氧化鋁生產量的不斷增加，原材料和能源價格呈現出持續增長的趨勢，這就導致氧化鋁的生產成本也隨之提高。傳統氧化鋁生產工藝只能以消耗大、投資高并且流程復雜的燒結法工藝為主[2]。在70年代進行了拜耳法的試驗，在鋁礦直接生產氧化鋁的研究中取得重大突破。但由于認識和技術仍具有局限性，一直未能實現真正意義上的節能降本。在我國目前針對氧化鋁生產工藝中的節能降本方面的研究中，雖然取得了一定的研究成效，但在實際應用中具有很大程度的局限性。目前，鋁硅比3-5的低品位鋁礦成為我國生產氧化鋁的主要材料，而且具有壟斷市場的趨勢。相比國內的鋁礦品位，國外進口的鋁礦品位明顯高于國內，有的鋁硅比竟高達7-8左右。受生產工藝水平的限制，氧化鋁生產成本呈大幅度上升趨勢。通過傳統的拜耳法和燒結法生產工藝處理低鋁硅在難度上遠大于處理普通礦物。在國外，Wesfrth直到將“拜耳法生產氧化鋁新工藝”再次提上研究議程，總結出從原礦質量問題入手，實現節能降本，為目前采用串聯法和燒結法的氧化鋁廠的生產工藝及技術改造指明了發展方向。為加快我國氧化鋁工業的發展，提高我國氧化鋁工業在國際競爭實力，本文進行基于氧化鋁生產工藝中的節能降本技術研究。

1 基于氧化鋁生產工藝中的節能降本技術

本文基于氧化鋁生產工藝提出的節能降本技術中，以實現氧化鋁生產節能降本為最終目的，進行設計。使用此種技術進行氧化鋁的生產主要分為三個步驟：析出、分解以及回收。針對這三個步驟的具體研究內容，如下文所示。

1.1 使用拜耳法生產氧化鋁的析出流程

提取礦物中含金屬鋁元素較多的樣本，進行加水溶解，使用攪拌棒進行充分溶解，將溶解后后的液體靜止10-20分鐘后，使用過濾網濾掉沉淀物，提取過濾后的飽和液體混合物。通常情況下飽和液所含雜質，如下表1所示。

表1 氧化鋁雜質含量表

結合上述表1所示，使用拜耳法對飽和溶液進行蒸發提純處理，多次提取鋁土礦中含鋁樣本，重復上述過濾步驟，再將提純后液體進行加水溶解，經沉淀后過濾沉淀物。析出純度較高的氧化鋁飽和液，析出步驟是拜耳法生產氧化鋁的關鍵步驟，生產能力的高低及析出氧化鋁溶液所處的指標等級直接影響到氧化鋁廠的生產產量、產出質量。具體流程為：首先，將蒸發母液放置到調配槽；再通過礦漿磨進入旋流器，得到礦漿；而后，將礦漿倒至回轉篩，加入冷凝水進入保溫管；最后，使用自蒸發器進行蒸發，流進稀釋槽進行二次洗液，完成后進入沉降槽，得到飽和氧化鋁溶液。通過拜耳法將氧化鋁生產工藝中的含酸工業鹽可回收再利用，廢渣可加工成建材、橡塑填充料等。從根本上減少有害廢氣的排出，符合環保要求，既可以解決污染環境的問題，又可以解決鋁礦資源綜合利用問題。所析出的大量工業氧化鋁可以有效緩解我國工業氧化鋁資源不足的情況，從而實現基于氧化鋁生產工藝中的節能降本技術中的降本要求，為生產氧化鋁提供基礎物質。

1.2 使用拜耳法生產氧化鋁的分解流程

在將氧化鋁高濃度飽和液提純析出的基礎上，對析出的晶體進行分解操作表可進行氧化鋁金屬的生產。在低苛性的鋁酸溶液中以氫氧化鋁作為結晶的晶種，經過不斷的攪拌降溫，鋁酸鈉溶液中的氧化鋁以氫氧化鋁的形式進行分解，持續析出，經過析出鋁酸鈉溶液的苛性比值不斷升高。此時，分解后析出的晶體為高純度氫氧化鋁，反復進行上述兩個操作便可將大批量的鋁土礦轉換成氫氧化鋁，氫氧化鋁與氧化鋁在指定的條件下存在一定形式的轉換。具體的轉換方程式，如下化學表達式所示。

根據上述化學表達式所示，拜耳法析出氧化鋁的主要原理，在一定條件下，在晶體中加入攪拌，經過一定的處理，便可實現氧化鋁與氫氧化鈉鋁之間的轉換。在本文設計的節能降本技術中，首先，進行一次分離提高固含，分離底流再進人高效壓濾機進行二次分離及后續的洗滌；而后，將濾餅含水率控制到35%以下，減少赤泥的洗滌次數；最后，采用沉降槽+高效壓濾機分離洗滌技術，將溶出稀釋液Nk濃度提高3g/L～10g/L，從而減少洗水量和蒸水量。

1.3 焙燒爐煙氣余熱深度回收

考慮到在氧化鋁生產工藝中，焙燒能耗約占氧化鋁綜合能耗的25%～30%，通常情況下，氫氧化鋁焙燒爐的排放煙氣溫度最高可達200℃，高溫的焙燒爐煙氣必然會帶走一部分氧化鋁。與此同時，由于焙燒爐煙氣余熱造成大量熱量以及水分的流失，對環境造成極為惡劣的影響。本文利用焙燒爐煙氣的部分顯熱實現煙氣余熱深度回收，采用噴淋方式使低溫水與焙燒爐煙氣直接換熱，將高溫煙氣顯熱直接傳遞給低溫水，并保證水蒸汽潛熱也進入了低溫循環水中。將回收的焙燒爐煙氣余熱用于預濃縮氧化鋁廠的蒸發原液，減少蒸發站蒸水量，從而降低蒸發的汽耗，進一步實現降低氧化鋁生產能耗的目的。至此，實現基于氧化鋁生產工藝中的節能降本技術整體設計。

2 實例分析

（1）實驗準備。本次實驗采用實例分析的方法，通過實證研究證明本文設計節能降本技術的可行性。實驗對象選取某實驗室，采用φ15m的分解槽。針對氧化鋁生產中的關鍵設備礦漿磨具體參數進行限定，如表2所示。

表2 礦漿磨設備具體參數

結合表2信息，實驗主要內容為測試兩種節能降本技術的氧化鋁生產能耗，氧化鋁生產能耗數值越高，意味著該節能降本技術的節能效果越好。本次實驗將實驗次數設置為10次，分別使用本文設計的節能降本技術以及傳統節能降本技術進行氧化鋁生產，并設置傳統的節能降本技術為實驗對照組，進而判斷兩種節能降本技術的節能能力。

（2）實驗結果分析與結論。根據上述設計的實驗步驟，進行測試，記錄10次測試結果，將兩種節能降本技術下氧化鋁生產能耗的測試結果進行對比。為更直觀的體現出兩種節能降本技術氧化鋁生產能耗之間的差異性，特將實驗結果以表格的形式進行展示。氧化鋁生產能耗對比表，如表3所示：

表3 氧化鋁生產能耗對比表

根據表3可以得出，本文設計的節能降本技術氧化鋁生產能耗最低只需10.015 GJ/t；而對照組最低需要46.598 GJ/t，設計的節能降本技術氧化鋁生產能耗明顯低于實驗對照組，節能效果更好，能夠實現氧化鋁的節能生產。通過實驗驗證了設計節能降本技術在氧化鋁生產中的有效性，可以滿足氧化鋁生產節能方面的實際需求，可以應用到實際氧化鋁生產中。

3 結束語

通過基于氧化鋁生產工藝中的節能降本技術研究，證明設計節能降本技術在氧化鋁生產工藝中的真實性和可靠性。氧化鋁生產的能耗以及成本無論是對于國家發展還是社會進步都很重要，針對拜耳法的析出、分解可以大幅度提高氧化鋁生產的節能降本效果，完成傳統節能降本技術所不能實現的目標。因此，基于氧化鋁生產工藝中的節能降本技術研究是具有現實意義的，能夠取得一定的研究成果，并且滿足環境保護對氧化鋁生產工藝提出的總體要求，為氧化鋁生產環保治理提供學術意義。但本文存在唯一不足之處在于，沒有針對基于熱分析的氧化鋁生產蒸發工序節能研究進行過多的研究，相信這一點可以作為氧化鋁生產工藝中的節能降本領域日后研究的主要內容。