氧化鋁廠的生產工藝流程與設備改造

鄧 寶

（杭州錦江集團印尼項目部，山西 運城 044300）

世界范圍內大規模、深入的工業企業節能研究起始于上個世紀70 年代。經過第一次能源危機，使世界各國認識到，能源的合理利用既是企業產品的成本問題，也關乎國家的經濟安全。其后，環境問題和能源價格的上漲趨勢也日益突出，國家力量在能源開發及其利用技術上的影響日益加強，節能減排成為一般工業企業生產中的重要組成部分。我國工業企業的節能減排研究是隨著我國工業體系的逐步建立而發展起來的。進入上個世紀80 年代以后，隨著計劃經濟和短缺經濟的結束、國企市場化改革的深入，我國的節能減排研究快速發展起來。尤其是進入新世紀以來，能源供應壓力增大，環境問題日趨嚴峻，企業節能減排研究獲得了政府的大力扶持，多個工業領域的節能工作取得了很大成績。氧化鋁工業是我國有色冶金行業的一個重要組成部分，對其生產工藝的節能降耗技術展開研究也是當前工業節能的重點之一。

1 氧化鋁生產工藝概述

①拜耳法所謂拜耳法是因為它是由奧地利人k.J.拜耳在1989 年～1892 年提出而得名的。拜耳法用在處理高鋁硅比的鋁土礦時，特別是用在處理三水鋁石型鋁土礦時，流程簡單，能耗低，成本低，作業方便，產品質量好以及純度高等優點，其經濟效益遠非其它方法所能媲美。目前全世界生產的氧化鋁和氫氧化鋁，90%以上是采用拜耳法生產的。拜耳法的基本流程：在高溫高壓條件下，以NaOH 溶液溶出鋁土礦，使其中的氧化鋁水合物通過反應得到鋁酸鈉溶液，鐵、硅等雜質進入赤泥；而向經過徹底分離赤泥后的鋁酸鈉溶液中添加晶種，在不斷攪拌和逐漸降溫的條件下經過分解，析出氫氧化鋁AL（OH）3，并得到含大量氫氧化鈉的母液；母液經過蒸發濃縮后再返回用于溶出新的一批鋁土礦；氫氧化鋁經過焙燒脫水后得到產品氧化鋁A1203。由拜耳法的基本流程可以看出，拜耳法生產氧化鋁有兩大過程，即分解與溶出。分解是指鋁酸鈉溶液的晶種分解過程。摩爾比較低的鋁酸鈉溶液在常溫下，添加氫氧化鋁作為晶種，并不斷攪拌，溶液中的A1203便以氫氧化鋁形式慢慢析出，同時溶液中的摩爾比不斷增大；溶出是指用分解母液溶出鋁土礦的過程，析出大部分氫氧化鋁的溶液，稱之為分解母液，在加熱時可以溶出鋁土礦中的氧化鋁水合物。交替使用以上兩個過程就可以一批批處理鋁土礦，得到純的氫氧化鋁產品。②聯合法近年來，聯合法的應用取得了很大的成就，該方法綜合了拜耳法和燒結法兩者的優點，取得較單一的拜耳法或燒結法均無法達到的效果，同時又使鋁土礦資源得到更充分的利用，其經濟指標介于拜耳法和燒結法之間。聯合法原則上以拜耳法為主，燒結法只占生產的10%～30%。聯合法有串聯、并聯和混聯三種流程。串聯法的實質是礦石先經過拜耳法溶出后，其赤泥再用燒結法處理，所得鋁酸鈉溶液同樣并入拜耳法系統進行晶種分解，而從蒸發母液中析出的一水蘇打則送入燒結法系統配料。進一步提取其中的氧化鋁和氫氧化鋁。

2 氧化鋁廠的生產工藝流程與設備改造

2.1 氧化鋁生產流程復雜

中國鋁土礦因資源特點不完全適合直接用拜耳法處理,目前我國氧化鋁生產工藝以混聯法為主%在我國的六大氧化鋁廠中有三個混聯法廠，其產量約占我國氧化鋁總產量的50%以上。與簡單低耗的拜耳法相比，聯合法和燒結法流程長而復雜、投資高、控制困難、能耗也高。

2.2 氧化鋁廠過程控制系統（DCS）

①在管控中心辦公樓設置氧化鋁全廠中心控制室。中心控制室設服務器、工程師站、工操作站。中心控制室的控制系統由一組以太網交換機與各區域控制系統通訊。對整個氧化鋁廠各車間集中控制操作。②根據工藝流程及各子項在總圖上的區域配置，擬在原礦漿磨制、預脫硅及高壓泵房、赤泥沉降分離洗滌、綜合過濾、母液蒸發及堿液調配和氫氧化鋁焙燒等主要車間設車間級操作員站并配置DCS 系統，DCS 系統與中心控制室進行通訊，③其它車間均按無人值守方式設置。所有車間和工段的控制系統均通過工業以太網絡相應集中至全廠中心控制室集中監控。在中心控制室集中顯示和操作，便于整個氧化鋁廠各工段的整體調配、協調生產，實現生產過程監測、控制和管理的集中化，自動化和網絡化等功能，使監控管理實現扁平化并相應減少操作人員，從而提高勞動生產率。監控氧化鋁生產過程中各工序的工藝參數。所有工藝參數均可實時地在顯示屏的流程圖中動態顯示。并能在整個流程畫面中實時的標注出工藝參數的實際值、報警狀態和操作狀態等。

2.3 神經元網絡法

神經元網絡的全稱是人工神經網絡ArtificialNeuralNetwork，ANN，1990 年由Hansen 和Salamon 最早提出。該方法采用物理上可實現的器件或者采用計算機來模擬生物體中的神經網絡的某些結構和功能，并運用于工程領域。神經元網絡法具有聯想記憶、自學習、優化計算和決策等功能，在模式識別、數據處理、人工智能、專家系統、預測預報等領域得到廣泛應用。能源工作者把這一技術引入到企業系統能耗的分析中來，為系統能耗分析方法開辟了新的途徑。

2.4 氧化鋁廠生產執行系統（MES）

其是由計劃管理、調度管理、質量管理、設備管理、能源管理、計量管理、統計分析等模塊組成。①計劃管理：通過氧化鋁市場數據，原材料數據，設備狀況，產量目標。制定調整生產的指令計劃。編制年、月、日、旬、周、日生產計劃。計劃管理系統是企業管理的首要職能，是生產調度指揮的依據，是企業生產經濟技術指標管理的一項重要內容，為其他系統提供目標參考數據。②調度管理：生產調度系統著眼于氧化鋁生產全流程的監控、協調，以及突發事件的動態化管理與執行。對氧化鋁生產過程關鍵工藝如原料磨制，高壓溶出，沉降分離洗滌，分解，焙燒，母液蒸發的關鍵點指標計算，生產過程中突發事件處理等。利用良好的人機界面，提供調度決策。通過有效的作業排序和調度來優化車間性能。③質量管理：包括質檢取樣，質檢日報，質檢月報，出廠證書等功能。負責實驗室樣品采樣、化驗、判定、分析，同時根據檢化驗結果，形成各種質量統計分析報表。完成對質檢標準制定、生產原燃料和產成品的質檢取樣、出具質檢報告等。④設備管理：氧化鋁廠生產中由于物料呈堿性，對設備的腐蝕及管道的結疤非常嚴重。設備的檢修，酸洗系統啟動或換組生產等工作十分頻繁與復雜。利用設備的管理系統平臺可有效的進行決策與控制。對設備運行狀態、點檢、狀態檢測、檢驗、保養維修、事故故障、技術改造等進行全過程控制與管理。⑤能源管理：包括能源數據，能源監控，能源統計，能源分析，能源平衡，能源考核等功能。可以對全廠相關的水，電，風，氣進行優化管理。氧化鋁生產消耗能源比較大。主要耗能工序為管道化溶出、母液蒸發、氫氧化鋁焙燒等。⑥計量管理：計量管理系統由物資計量、能源計量、計量器具臺帳管理、計量器具檢修檢定、計量器具狀態管理系統等模塊構成。主要是針對原料如鋁土礦，石灰石，堿液等采購，氧化鋁成品銷售及廠內物資倒運、物資調撥過程進行的計量管理，采集檢斤數據。對計量數據如水、電、氣、蒸汽等進入DCS 系統部分進行自動采集，對汽車衡的檢斤計量數據自動/手動采集。⑦統計分析管理：對于生產過程的各重要參數進行記錄報表打印。以小時、班次、日、月為單位進行計算統計報表。可以隨機和定時的打印。并可打印各重要參數的趨勢曲線。歷史數據自動存儲；為歷史的事件分析提供依據。編制生產報告和各種統計報表，為優化組織生產和生產調度指揮提供依據。

2.5 制造業生產調度系統的設計思路

生產調度系統是位于上層計劃管理系統與底層工業控制層之間的、面向車間層的管理信息系統，在計劃管理層與底層控制層之間架起了一座橋梁，填補了兩者之間的空隙，不僅是面向生產的系統，而且是連接現場層和經營層，作為上、下兩層之間雙方信息的傳遞系統，改善生產經營效益的前沿系統。因此生產調度系統加強了制造計劃的執行能力，解決了上層生產計劃管理和底層生產過程脫節的矛盾，提高企業信息流的連續性和實時性，從而提高企業的敏捷性，也為企業實現敏捷制造打下堅實的基礎。同時，生產調度系統能通過信息傳遞對從訂單下達到產品完成的整個生產過程進行優化管理。當工廠發生實時事件時，生產調度系統能對此及時做出反應，并用當前的準確數據對它們進行指導和處理。這種對狀態變化的迅速響應使生產調度系統能夠減少企業內部沒有附加值的活動，有效地指導工廠的生產運作過程，因此生產調度系統不僅提高了工廠及時交貨能力，而且改善物料的流通性能，提高生產回報率。生產調度系統還通過雙向的直接通訊在企業內部和整個產品供應鏈中提供有關產品行為的關鍵任務信息。

2.6 基于生產周期特征的氧化鋁調度優化系統的功能

基于生產周期特征的生產管理解決方案是在生產調度系統的基礎上，結合貴州某氧化鋁廠的生產和管理特點，按照設備的工藝特點和生產的工藝流程、技術管理，著眼于企業的需求而設置的行業解決方案。基于生產周期特征的氧化鋁調度優化系統是通過對各工序的分析和優化，對于和氧化鋁生產相關的各個系統進行全面統一的信息集成，以協調各個生產部門的工作，實現了系統的多目標優化，保證氧化鋁生產在動態實時環境下高效可靠的運轉。基于生產周期特征的氧化鋁生產調度優化系統是圍繞生產過程設計，主要解決了生產過程中的計劃、設備監控、指標控制、實時監控、工藝過程記錄以及數據的采集與分析等問題，實現了生產過程的設備和數據信息的實時監控，從而及時發現生產中存在的隱患。

3 結語

文章開展了氧化鋁廠的生產工藝流程的研究，由于經濟市場下對氧化鋁需求量的提高，進行了氧化鋁生產設備的改造，通過對生產管理系統智能化、精細化的改造實現了產出量的提高，為金屬制造業的穩定發展提供技術支持。