國內某氧化鋁廠利用進口鋁土礦替代國內鋁土礦生產(chǎn)工藝改造設計

桑海波

（東北大學設計研究院（有限公司），遼寧 沈陽 110166）

鋁土礦是目前氧化鋁生產(chǎn)最主要的原料。我國鋁土礦資源本十分豐富，但進入21世紀以來，我國氧化鋁產(chǎn)量出現(xiàn)爆發(fā)式增長。據(jù)不完全統(tǒng)計，國內氧化鋁產(chǎn)量已經(jīng)由2000年的400多萬噸，快速增長至2019年的8000多萬噸。自2010年起，鋁土礦的供需平衡出現(xiàn)了重大轉折，鋁土礦開始供不應求。為保證生產(chǎn)，各氧化鋁廠通過自身生產(chǎn)系統(tǒng)的優(yōu)化和改造，進廠鋁土礦鋁硅比從9.0逐漸下降至4.5甚至更低，但仍無法填補鋁土礦供應的缺口。

2018年上半年以來，隨著國內氧化鋁產(chǎn)能的不斷釋放和國家礦山整治等環(huán)保政策的陸續(xù)出臺，鋁土礦的供應更加緊張。尤其是受環(huán)保政策影響較大的山西和河南兩個氧化鋁生產(chǎn)大省，鋁土礦供應缺口更大。2018年底，河南、山西等地氧化鋁企業(yè)鋁土礦庫存平均在10天左右，已經(jīng)嚴重超越了原料庫存的安全紅線。受此影響，國內鋁土礦價格居高不下，2018年下半年，河南省Al2O3含量58%、A/S 5.0的鋁土礦價格一度暴漲到750元/噸。鋁土礦價格居高不下，氧化鋁價格卻萎靡不振，各氧化鋁企業(yè)生產(chǎn)成本大幅增加，虧損嚴重，紛紛減產(chǎn)或周期性停產(chǎn)。

在此情況下，我國內陸氧化鋁企業(yè)為了自身的生存和發(fā)展，紛紛開始使用進口鋁土礦作為原料補充。

1 改造項目概況

國內某氧化鋁廠原有一條40萬噸/年氧化鋁生產(chǎn)線，屬于典型的拜耳法生產(chǎn)工藝，溶出工藝為管道化溶出加停留罐技術。改造之前，該廠一直使用河南礦和山西礦作為原料，改造后使用幾內亞礦。幾內亞礦礦石成分如下：

組成 Al2O3 SiO2 Fe2O3 TiO2 C S 灼減 合計 A/S% 45.07 2.21 24.89 2.77 0.23 0.04 25 100 20.43

按照改造后產(chǎn)能仍為40萬噸/年氧化鋁的要求，我院對原生產(chǎn)線已有各工序設備產(chǎn)能進行核算。結果表明，需要技術改造的子項僅為原礦漿磨制、預脫硅、高壓隔膜泵房和管道化溶出，其他工序均能滿足改造后的產(chǎn)能要求。

2 本項目改造方案

2.1 原礦漿磨制

根據(jù)礦石加工實驗報告，本項目擬用的幾內亞礦相對易磨，且三水鋁石磨礦粒度不需要太細，因此采用一段球磨即可滿足磨礦要求。

原生產(chǎn)系統(tǒng)兩段磨規(guī)格：一段棒磨：φ3.2x4.5m，630kw；二段球磨：φ3.6x8.5m，1800kw。

改造方案：在現(xiàn)有磨頭鋁礦上料皮帶下，增設臨時倒料小皮帶，把原進棒磨機的鋁礦進到球磨機。由于減少了棒磨流程，達到了降低電耗、減少維護檢修費用的效果。

2.2 預脫硅

由于幾內亞礦中總硅含量較低，而且對于低溫情況下，108℃可反應硅為0.11%，145℃可反應硅為0.72%，因此無需預脫硅。本技改取消預脫硅流程，原預脫硅槽僅起到緩沖作用。

2.3 高壓隔膜泵房

原生產(chǎn)系統(tǒng)隔膜泵規(guī)格：流量Q=490m3/h，壓力P=8.4mPa。

經(jīng)過計算，改造方案新增3臺流量Q=300～330m3/h，揚程H=150m多級離心泵，用二備一，作為溶出機組喂料泵。原高壓隔膜泵作為其他生產(chǎn)線的備用設備。

2.4 管道化溶出

溶出車間改造是本次技改的核心。原溶出系統(tǒng)是按處理一水硬鋁石設計的，因此在使用礦石更換為三水鋁石時，原設計不再適應，為此進行必要的改造。

2.4.1 原生產(chǎn)系統(tǒng)溶出工藝條件、工藝流程

原工藝條件：循環(huán)母液濃度Nk=245g/l，溶出溫度265℃，溶出時間60min，出料溫度115℃，新蒸汽溫度290±5℃（飽和蒸汽）、壓力6.4mPa。

原工藝流程：

圖1 原生產(chǎn)系統(tǒng)溶出工藝流程

2.4.2 按幾內亞礦重新制定溶出工藝條件、工藝流程

新工藝條件：循環(huán)母液濃度Nk=180g/l，溶出溫度145℃，溶出時間60min，出料溫度109℃，新蒸汽溫度180℃，壓力1.0mPa，過熱15～20℃。

預脫硅槽來的礦漿經(jīng)離心泵泵送入溶出多套管換熱器。溶出采用四級加熱，前三級用乏汽（二次蒸汽）加熱，第四級用新蒸汽加熱，四級加熱至溶出溫度145℃的礦漿進入礦漿保溫壓煮器停留60min。溶出后礦漿經(jīng)三級礦漿自蒸發(fā)，從145℃逐級降溫至117℃后進入溶出后槽。在此加入赤泥洗液，使礦漿Na2O濃度稀釋到140g/l，并停留4個小時，使溶出液在此脫硅、脫鐵、脫鋅。溶出后槽出料用泵送往沉降車間赤泥分離沉降槽。

新工藝流程：

圖2 新工藝流程

2.4.3 改造方案

以滿足新工藝技術條件、工藝流程為前提，充分利用現(xiàn)有設施，降低改造費用為原則，經(jīng)過詳細的物料平衡和熱平衡計算，制定改造方案如下：

三級乏汽預熱：利用現(xiàn)有套管預熱器，重新分組。

冷凝水預熱：利用現(xiàn)有冷凝水預熱器，重新分組。

新蒸汽加熱：利用現(xiàn)有套管預熱器，重新分組。

保溫溶出：利用現(xiàn)有8臺保溫攪拌壓煮器。

三級自蒸發(fā)：利用現(xiàn)有3臺末級自蒸發(fā)器。

礦漿稀釋槽：利用現(xiàn)有礦漿稀釋槽即可。

3 本項目建設投資

本項目改造方案充分利用現(xiàn)有生產(chǎn)系統(tǒng)設備，除新增3臺離心泵外，僅增加部分閥門、儀表、工藝管道及附件，因此投資非常少，建設投資約500萬元人民幣。

4 本項目改造前后主要生產(chǎn)成本對比分析

由于其他生產(chǎn)工藝未進行大的調整，本文僅以生產(chǎn)一噸氧化鋁的主要原材料消耗（礦石、液堿、石灰）和動力消耗（蒸汽）進行生產(chǎn)成本對比分析，結果如下表：

表1 改造前使用國內鋁土礦時主要生產(chǎn)成本表

表2 改造后使用進口鋁土礦時主要生產(chǎn)成本表

根據(jù)上表中數(shù)據(jù)，改造后使用進口鋁土礦相比改造前使用國內鋁土礦，每噸氧化鋁生產(chǎn)成本可以降低442元。由于進口鋁土礦氧化鋁含量較低，雖價格便宜，但是礦耗會增加，因此礦石的成本幾乎相當。生產(chǎn)成本降低的主要原因是液堿和石灰消耗的降低。

5 本項目的優(yōu)勢

（1）投資少：僅為500萬元人民幣；

（2）工期短：由于改造內容很少，無新增大設備，訂貨和施工周期很短，且不需要長時間停產(chǎn)改造，不影響生產(chǎn)；

（3）經(jīng)濟效益明顯：改造后，噸氧化鋁生產(chǎn)成本可以降低400元以上，以年產(chǎn)40萬噸氧化鋁計算，年節(jié)約生產(chǎn)成本1.6億元；

（4）生產(chǎn)系統(tǒng)更加靈活：考慮到進口鋁土礦運輸?shù)牟淮_定因素，對現(xiàn)有涉及國內鋁土礦生產(chǎn)的主體設備原位保留，工藝管線按新的幾內亞礦重新設計。

6 存在的問題

（1）礦石運輸問題：本氧化鋁廠處于內地，距離最近的港口仍有約1000公里，礦石運輸距離長、成本高。在改造前需先行打通礦石的運輸路線。經(jīng)過多方位比較，本項目最終選擇了“鐵路+公路轉運”的運輸方案，噸礦石的運輸成本約160元人民幣；

（2）蒸汽壓力問題：由于幾內亞礦石溶出所需的新蒸汽壓力僅為1.0mPa（溫度180℃），而國內礦生產(chǎn)系統(tǒng)的新蒸汽壓力為6.4mPa（溫度290℃），因此熱電廠需新增減溫減壓裝置；

（3）沉降絮凝劑問題：根據(jù)幾內亞礦石溶出及沉降性能試驗報告和國內其他使用幾內亞礦石的氧化鋁廠的生產(chǎn)經(jīng)驗，幾內亞礦石在沉降性能上不如國內礦石，因此需更換絮凝劑的品種，需要在后續(xù)生產(chǎn)中逐漸積累經(jīng)驗，尋找最佳解決方案；

（4）關于有機物的處理：

根據(jù)幾內亞礦礦石加工試驗報告，擬用礦石的有機碳含量約為0.2%。根據(jù)目前的研究成果和生產(chǎn)實踐都表明，在有機碳如此高的情況下，自然隨赤泥外排有機物不能滿足生產(chǎn)要求。隨生產(chǎn)的進行，有機物會以不同形式在循環(huán)母液系統(tǒng)中積累。其中最敏感的是草酸鈉，破壞分解技術條件、導致產(chǎn)品細化。

由于目前缺少對現(xiàn)有生產(chǎn)中有機物的系統(tǒng)測試分析數(shù)據(jù)，因此難以給出確切的改造方案。建議后續(xù)生產(chǎn)過程中，就有機物脫除問題進行詳細調研，結合整個生產(chǎn)系統(tǒng)現(xiàn)狀以及未來生產(chǎn)供礦的長期安排，再制定確切的改造方案。

7 結束語

隨著國內鋁土礦資源的日漸枯竭和貧化，內地氧化鋁廠改用進口礦必將成為解決生產(chǎn)困境的最佳出路。本項目改造方案在投資很少的情況下，取得了非常好的效果，為后續(xù)其他氧化鋁企業(yè)的改造積累了寶貴的經(jīng)驗，值得借鑒和推廣。