基于氧化鋁生產(chǎn)工藝中的節(jié)能降本技術(shù)研究

張鐵志，弭飛飛

（1.東北大學(xué)設(shè)計(jì)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(duì)氧化鋁生產(chǎn)工藝也提出了新的要求[1]。氧化鋁生產(chǎn)工藝主要指的是在對(duì)應(yīng)的鋁土礦物中提取一定量的氧化鋁，通過生產(chǎn)設(shè)備采取一定的方法除去氧化鋁內(nèi)部所含的雜質(zhì)。在一定程度上，我國氧化鋁生產(chǎn)工藝會(huì)受品位因素及礦石性質(zhì)的影響導(dǎo)致產(chǎn)量低的問題。由于氧化鋁生產(chǎn)量的不斷增加，原材料和能源價(jià)格呈現(xiàn)出持續(xù)增長的趨勢(shì)，這就導(dǎo)致氧化鋁的生產(chǎn)成本也隨之提高。傳統(tǒng)氧化鋁生產(chǎn)工藝只能以消耗大、投資高并且流程復(fù)雜的燒結(jié)法工藝為主[2]。在70年代進(jìn)行了拜耳法的試驗(yàn)，在鋁礦直接生產(chǎn)氧化鋁的研究中取得重大突破。但由于認(rèn)識(shí)和技術(shù)仍具有局限性，一直未能實(shí)現(xiàn)真正意義上的節(jié)能降本。在我國目前針對(duì)氧化鋁生產(chǎn)工藝中的節(jié)能降本方面的研究中，雖然取得了一定的研究成效，但在實(shí)際應(yīng)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(chǎn)氧化鋁的主要材料，而且具有壟斷市場的趨勢(shì)。相比國內(nèi)的鋁礦品位，國外進(jìn)口的鋁礦品位明顯高于國內(nèi)，有的鋁硅比竟高達(dá)7-8左右。受生產(chǎn)工藝水平的限制，氧化鋁生產(chǎn)成本呈大幅度上升趨勢(shì)。通過傳統(tǒng)的拜耳法和燒結(jié)法生產(chǎn)工藝處理低鋁硅在難度上遠(yuǎn)大于處理普通礦物。在國外，Wesfrth直到將“拜耳法生產(chǎn)氧化鋁新工藝”再次提上研究議程，總結(jié)出從原礦質(zhì)量問題入手，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降本，為目前采用串聯(lián)法和燒結(jié)法的氧化鋁廠的生產(chǎn)工藝及技術(shù)改造指明了發(fā)展方向。為加快我國氧化鋁工業(yè)的發(fā)展，提高我國氧化鋁工業(yè)在國際競爭實(shí)力，本文進(jìn)行基于氧化鋁生產(chǎn)工藝中的節(jié)能降本技術(shù)研究。

1 基于氧化鋁生產(chǎn)工藝中的節(jié)能降本技術(shù)

本文基于氧化鋁生產(chǎn)工藝提出的節(jié)能降本技術(shù)中，以實(shí)現(xiàn)氧化鋁生產(chǎn)節(jié)能降本為最終目的，進(jìn)行設(shè)計(jì)。使用此種技術(shù)進(jìn)行氧化鋁的生產(chǎn)主要分為三個(gè)步驟：析出、分解以及回收。針對(duì)這三個(gè)步驟的具體研究內(nèi)容，如下文所示。

1.1 使用拜耳法生產(chǎn)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(jìn)行加水溶解，使用攪拌棒進(jìn)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(wǎng)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(zhì)，如下表1所示。

表1 氧化鋁雜質(zhì)含量表

結(jié)合上述表1所示，使用拜耳法對(duì)飽和溶液進(jìn)行蒸發(fā)提純處理，多次提取鋁土礦中含鋁樣本，重復(fù)上述過濾步驟，再將提純后液體進(jìn)行加水溶解，經(jīng)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(chǎn)氧化鋁的關(guān)鍵步驟，生產(chǎn)能力的高低及析出氧化鋁溶液所處的指標(biāo)等級(jí)直接影響到氧化鋁廠的生產(chǎn)產(chǎn)量、產(chǎn)出質(zhì)量。具體流程為：首先，將蒸發(fā)母液放置到調(diào)配槽；再通過礦漿磨進(jìn)入旋流器，得到礦漿；而后，將礦漿倒至回轉(zhuǎn)篩，加入冷凝水進(jìn)入保溫管；最后，使用自蒸發(fā)器進(jìn)行蒸發(fā)，流進(jìn)稀釋槽進(jìn)行二次洗液，完成后進(jìn)入沉降槽，得到飽和氧化鋁溶液。通過拜耳法將氧化鋁生產(chǎn)工藝中的含酸工業(yè)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(huán)保要求，既可以解決污染環(huán)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(yè)氧化鋁可以有效緩解我國工業(yè)氧化鋁資源不足的情況，從而實(shí)現(xiàn)基于氧化鋁生產(chǎn)工藝中的節(jié)能降本技術(shù)中的降本要求，為生產(chǎn)氧化鋁提供基礎(chǔ)物質(zhì)。

1.2 使用拜耳法生產(chǎn)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(chǔ)上，對(duì)析出的晶體進(jìn)行分解操作表可進(jìn)行氧化鋁金屬的生產(chǎn)。在低苛性的鋁酸溶液中以氫氧化鋁作為結(jié)晶的晶種，經(jīng)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(jìn)行分解，持續(xù)析出，經(jīng)過析出鋁酸鈉溶液的苛性比值不斷升高。此時(shí)，分解后析出的晶體為高純度氫氧化鋁，反復(fù)進(jìn)行上述兩個(gè)操作便可將大批量的鋁土礦轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換。具體的轉(zhuǎn)換方程式，如下化學(xué)表達(dá)式所示。

根據(jù)上述化學(xué)表達(dá)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(jīng)過一定的處理，便可實(shí)現(xiàn)氧化鋁與氫氧化鈉鋁之間的轉(zhuǎn)換。在本文設(shè)計(jì)的節(jié)能降本技術(shù)中，首先，進(jìn)行一次分離提高固含，分離底流再進(jìn)人高效壓濾機(jī)進(jìn)行二次分離及后續(xù)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(shù)；最后，采用沉降槽+高效壓濾機(jī)分離洗滌技術(shù)，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(chǎn)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(dá)200℃，高溫的焙燒爐煙氣必然會(huì)帶走一部分氧化鋁。與此同時(shí)，由于焙燒爐煙氣余熱造成大量熱量以及水分的流失，對(duì)環(huán)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(shí)現(xiàn)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?zé)煔怙@熱直接傳遞給低溫水，并保證水蒸汽潛熱也進(jìn)入了低溫循環(huán)水中。將回收的焙燒爐煙氣余熱用于預(yù)濃縮氧化鋁廠的蒸發(fā)原液，減少蒸發(fā)站蒸水量，從而降低蒸發(fā)的汽耗，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)降低氧化鋁生產(chǎn)能耗的目的。至此，實(shí)現(xiàn)基于氧化鋁生產(chǎn)工藝中的節(jié)能降本技術(shù)整體設(shè)計(jì)。

2 實(shí)例分析

（1）實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備。本次實(shí)驗(yàn)采用實(shí)例分析的方法，通過實(shí)證研究證明本文設(shè)計(jì)節(jié)能降本技術(shù)的可行性。實(shí)驗(yàn)對(duì)象選取某實(shí)驗(yàn)室，采用φ15m的分解槽。針對(duì)氧化鋁生產(chǎn)中的關(guān)鍵設(shè)備礦漿磨具體參數(shù)進(jìn)行限定，如表2所示。

表2 礦漿磨設(shè)備具體參數(shù)

結(jié)合表2信息，實(shí)驗(yàn)主要內(nèi)容為測試兩種節(jié)能降本技術(shù)的氧化鋁生產(chǎn)能耗，氧化鋁生產(chǎn)能耗數(shù)值越高，意味著該節(jié)能降本技術(shù)的節(jié)能效果越好。本次實(shí)驗(yàn)將實(shí)驗(yàn)次數(shù)設(shè)置為10次，分別使用本文設(shè)計(jì)的節(jié)能降本技術(shù)以及傳統(tǒng)節(jié)能降本技術(shù)進(jìn)行氧化鋁生產(chǎn)，并設(shè)置傳統(tǒng)的節(jié)能降本技術(shù)為實(shí)驗(yàn)對(duì)照組，進(jìn)而判斷兩種節(jié)能降本技術(shù)的節(jié)能能力。

（2）實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與結(jié)論。根據(jù)上述設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)步驟，進(jìn)行測試，記錄10次測試結(jié)果，將兩種節(jié)能降本技術(shù)下氧化鋁生產(chǎn)能耗的測試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。為更直觀的體現(xiàn)出兩種節(jié)能降本技術(shù)氧化鋁生產(chǎn)能耗之間的差異性，特將實(shí)驗(yàn)結(jié)果以表格的形式進(jìn)行展示。氧化鋁生產(chǎn)能耗對(duì)比表，如表3所示：

表3 氧化鋁生產(chǎn)能耗對(duì)比表

根據(jù)表3可以得出，本文設(shè)計(jì)的節(jié)能降本技術(shù)氧化鋁生產(chǎn)能耗最低只需10.015 GJ/t；而對(duì)照組最低需要46.598 GJ/t，設(shè)計(jì)的節(jié)能降本技術(shù)氧化鋁生產(chǎn)能耗明顯低于實(shí)驗(yàn)對(duì)照組，節(jié)能效果更好，能夠?qū)崿F(xiàn)氧化鋁的節(jié)能生產(chǎn)。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)節(jié)能降本技術(shù)在氧化鋁生產(chǎn)中的有效性，可以滿足氧化鋁生產(chǎn)節(jié)能方面的實(shí)際需求，可以應(yīng)用到實(shí)際氧化鋁生產(chǎn)中。

3 結(jié)束語

通過基于氧化鋁生產(chǎn)工藝中的節(jié)能降本技術(shù)研究，證明設(shè)計(jì)節(jié)能降本技術(shù)在氧化鋁生產(chǎn)工藝中的真實(shí)性和可靠性。氧化鋁生產(chǎn)的能耗以及成本無論是對(duì)于國家發(fā)展還是社會(huì)進(jìn)步都很重要，針對(duì)拜耳法的析出、分解可以大幅度提高氧化鋁生產(chǎn)的節(jié)能降本效果，完成傳統(tǒng)節(jié)能降本技術(shù)所不能實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。因此，基于氧化鋁生產(chǎn)工藝中的節(jié)能降本技術(shù)研究是具有現(xiàn)實(shí)意義的，能夠取得一定的研究成果，并且滿足環(huán)境保護(hù)對(duì)氧化鋁生產(chǎn)工藝提出的總體要求，為氧化鋁生產(chǎn)環(huán)保治理提供學(xué)術(shù)意義。但本文存在唯一不足之處在于，沒有針對(duì)基于熱分析的氧化鋁生產(chǎn)蒸發(fā)工序節(jié)能研究進(jìn)行過多的研究，相信這一點(diǎn)可以作為氧化鋁生產(chǎn)工藝中的節(jié)能降本領(lǐng)域日后研究的主要內(nèi)容。