淺談拜爾法生產氧化鋁工藝中鋁酸鈉溶液的蒸發技術

于水波　岳玲　邵丹

摘要：拜爾法生產氧化鋁主要包含六大工序，即原料處理、溶出、赤泥分離洗滌、種子分解、蒸發和成品焙燒。文章從處理鋁土礦的類型出發，分別介紹了適用于拜爾法處理一水硬鋁石、一水軟鋁石、三水鋁石生產氧化鋁工藝的蒸發設備及流程，并介紹了各種鋁酸鈉溶液蒸發工序的能耗和節能改造措施的應用。

關鍵詞：拜爾法；鋁酸鈉溶液；蒸發器；氧化鋁；鋁土礦 文獻標識碼：A

中圖分類號：TF821 文章編號：1009-2374（2015）04-0082-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.0323

1 概述

近十年來，我國氧化鋁工業發展迅猛，世界氧化鋁工業新增長的產能中90%為中國氧化鋁工業貢獻。我國近年來新建的氧化鋁廠大多采用拜爾法工藝生產氧化鋁，現有的氧化鋁廠大多分布在河南、山西、貴州、廣西等一水硬鋁石鋁土礦產地和山東等方便進口一水軟鋁石和三水鋁石的沿海地區。無論采用何種礦石，拜爾法處理鋁土礦生產氧化鋁工藝都具有流程短、能耗低、產品質量高等特點。相對于燒結法與串聯法，在投資、生產管理、節能降耗等方面都具有巨大的優勢。

拜爾法生產氧化鋁主要包含六大工序，即原料處理、溶出、赤泥分離洗滌、種子分解、蒸發和成品焙燒。溶出工段為氧化鋁工藝的反應階段，即從鋁土礦中提取氧化鋁至堿溶液（鋁酸鈉溶液）。赤泥分離洗滌為分離溶出后的固體與液體并洗滌殘渣，使殘渣達到排放標準。種子分解工段的目的在于把鋁酸鈉溶液中，高濃度的鋁成分分解成氫氧化鋁。蒸發工段為處理分解后的鋁酸鈉溶液，采用換熱蒸水的方式使溶液增濃，達到溶出工段對堿溶液濃度的要求，使堿液循環利用。這四大工序構成了拜爾法生產氧化鋁的基本流程。而蒸發工段因使用大量的蒸汽加熱而成為拜爾法氧化鋁廠的能耗大戶。現在，就我國拜爾法氧化鋁廠主要處理的三種礦石分類，介紹一下適合各種礦石的蒸發方案。

2 拜爾法處理一水硬鋁石的蒸發工藝

處理一水硬鋁石生產氧化鋁的拜爾法工藝，鋁酸鈉溶液的濃度較高，蒸發原液（低濃度的蒸發進料）Na2Ok（以氧化鈉的形式表示的堿含量）大約為170～190g/L。蒸發母液（高濃度的蒸發出料）Na2Ok大約為240～250g/L。河南、貴州、廣西等地區的一水硬鋁石中碳酸鹽含量較高，溶出過程中大量碳酸鹽進入氧化鋁生產系統。系統內富集的碳酸鹽對氧化鋁的種子分解反應過程有害，需要蒸發工段把部分鋁酸鈉溶液超高濃度濃縮至Na2Ok320g/L，進一步降溫結晶排出碳酸鈉晶體。山西礦因礦石原因，系統內碳酸鈉無富集，無需排鹽工序。鋁酸鈉溶液蒸發因黏度高、固含高、易結疤等特點，經常年的工業實踐和學習、引進國外的先進技術，六效管式降膜蒸發器被現有氧化鋁生產業主廣泛采用。現有新建的處理一水硬鋁石生產氧化鋁的拜爾法工藝，鋁酸鈉溶液蒸發工段一般采用六效管式降膜蒸發器組+強制循環排鹽蒸發器形式。蒸發器組是否包含強制循環蒸發器由礦石的性質決定，生產流程中無碳酸鈉富集的系統不需強制循環排鹽蒸發器。拜爾法處理一水硬鋁石工藝中應用的六效管式降膜蒸發器組的汽水比（新蒸汽的用量與蒸水量的比）約在0.23～0.25左右，如需進一步降低蒸發工段能耗，可以增加原液閃蒸器與自蒸發器數量，增加蒸汽的利用次數。

現有處理一水硬鋁石氧化鋁廠的單線產能從幾萬t到80萬t不等，而六效管式降膜蒸發器組的蒸水能力也從幾十t每小時到370t每小時不等。現在新建的氧化鋁廠普遍采用大型化、集成化設計，單線小產能的氧化鋁廠已經逐漸被淘汰。對應于50萬t氧化鋁產能的拜爾法氧化鋁廠，蒸發器組蒸水能力一般為240～300t/h，對應于70～80萬t氧化鋁廠，蒸發器組蒸水能力一般為360～370t/h。我國現有投入使用的最大的蒸發器為山西平陸縣某氧化鋁廠370t/h蒸發器組。

六效蒸發器組的設備一般包括：Ⅰ～Ⅵ效管式降膜蒸發器組；強制循環排鹽蒸發器；Ⅰ～Ⅲ級自蒸發器；原液閃蒸器；水冷器；Ⅰ～Ⅵ效冷凝水罐；各效循環泵；Ⅱ～Ⅵ效過料泵；出料泵等。圖1為六效管式降膜蒸發器流程圖。物料從四效、六效分兩段進料，四效進料經四、三、二、一和蒸汽逆流換熱后，經三級閃蒸后出料，六效進料經過五效與蒸汽逆流換熱后出料。新蒸汽從一效進入，與物料換熱后形成新蒸汽冷凝水。換熱后的高溫物料在分離室閃蒸出二次蒸汽，進入下一效換熱。以此類推，末效也就是六效的二次蒸汽因溫度過低不能利用，進入水冷器，與循環水直接混合冷凝。新蒸汽冷凝水質量高，可以直接回電廠補充水分。各效加熱室冷凝的二次蒸汽冷凝水在本效冷凝水罐內集中，在下一效閃蒸利用熱量。最后二次蒸汽冷凝水從六效冷凝水罐經泵輸送至蒸發工段外，供氧化鋁廠其他工段使用。

圖1 六效管式降膜蒸發器流程圖

3 適用于處理一水軟鋁石的蒸發工藝

我國現有的氧化鋁廠中處理一水軟鋁石的較少，主要分布在山東地區，礦石來源為進口澳大利亞礦石。處理一水軟鋁石生產氧化鋁的拜爾法工藝中，鋁酸鈉溶液的濃度中等，蒸發原液Na2Ok大約為120～140g/L。蒸發母液Na2Ok大約為180～220g/L。一水軟鋁石工藝中，鋁酸鈉溶液依然是較高黏度、堿濃度、固含，所以采用同一水硬鋁石工藝一樣的六效管式降膜蒸發器組+強制循環排鹽蒸發器形式。現有最常用的處理一水軟鋁石蒸發器組蒸水能力為240t/h，設備組成也與上述文字描述的六效管式降膜蒸發器相同。蒸發器組因處理鋁酸鈉溶液堿濃度中等，汽水比約在0.2～0.23左右。

4 適用于處理三水鋁石的蒸發工藝

我國現有處理三水鋁石的氧化鋁廠同一水軟鋁石一樣分布在山東地區，礦石來源為進口印度尼西亞、幾內亞礦石等。處理三水鋁石生產氧化鋁的拜爾法工藝中，鋁酸鈉溶液的濃度較低，蒸發原液Na2Ok大約為110～130g/L。蒸發母液Na2Ok大約為160～180g/L。三水鋁石工藝中，鋁酸鈉溶液蒸發同樣可以采用六效管式降膜蒸發器組+強制循環排鹽蒸發器形式。現有最常用的蒸水能力為240～280t/h，設備組成也與上述文字描述中的六效管式降膜蒸發器相同。蒸發器組因處理鋁酸鈉溶液堿濃度較低，汽水比約在0.19～0.2左右。

因為處理三水鋁石生產氧化鋁工藝中，鋁酸鈉溶液的濃度很低、沸點升低、可利用溫差范圍寬，所以除了可以采用較普遍的六效管式降膜蒸發器外，還可以使用七效管式降膜蒸發器。七效蒸發器流程基本與六效相同，相對于六效的優點在于二次蒸汽的多一次利用。蒸汽的利用次數越多，汽耗越低也就越節約能源。

七效蒸發器組的設備一般包括：Ⅰ～Ⅶ效管式降膜蒸發器組；強制循環排鹽蒸發器；Ⅰ～Ⅳ級自蒸發器；原液閃蒸器；水冷器；Ⅰ～Ⅶ效冷凝水罐；各效循環泵；Ⅱ～Ⅶ效過料泵；出料泵等。

對于240t/h蒸發器組，七效相對于六效增加一臺管式降膜蒸發器（Q235R，重約250t），一臺冷凝水罐（Q235R，重約2t），兩臺溶液泵（總功率約160kW）。設備總投資增加約265萬元，土建、儀表等其他投資約增加150萬元，增加泵運行成本50萬元/年（自備電廠，用電按0.4元/kWh）。而七效蒸發器汽水比為0.17～0.19，對于一個年產50萬t的氧化鋁廠，相對于六效年節約蒸汽約3.2萬t。按每t蒸汽80元計，節約256萬元，扣除泵運行增加成本，約兩年即可回收成本。

5 結語

對于處理一水硬鋁石、一水軟鋁石生產氧化鋁工藝而言，六效、七效管式蒸發器組是適用于處理物料要求、生產運行成熟的設備。在節能降耗方面，應根據處理礦石的特點盡量多次利用蒸汽，如盡可能多增加效數、多級原液閃蒸，多級出料自蒸發，多級冷凝水自蒸發等，實現氧化鋁廠的節能減排，為降低生產成本和我國的環保事業貢獻一份力量。

參考文獻

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作者簡介：于水波（1981-），女，遼寧燈塔人，東北大學設計研究院（有限公司）工程師，碩士，研究方向：有色冶金行業氧化鋁廠蒸發工段設計與節能方法；岳玲（1981-），女，遼寧沈陽人，東北大學設計研究院（有限公司）工程師，碩士，研究方向：有色冶金行業氧化鋁廠分解工段設計；邵丹（1983-），女，遼寧阜新人，東北大學設計研究院（有限公司）工程師，碩士，研究方向：有色冶金行業氧化鋁廠赤泥分離及洗滌工段設計。

（責任編輯：黃銀芳）