國(guó)內(nèi)某氧化鋁廠利用進(jìn)口鋁土礦替代國(guó)內(nèi)鋁土礦生產(chǎn)工藝改造設(shè)計(jì)

桑海波

（東北大學(xué)設(shè)計(jì)研究院（有限公司），遼寧 沈陽(yáng) 110166）

鋁土礦是目前氧化鋁生產(chǎn)最主要的原料。我國(guó)鋁土礦資源本十分豐富，但進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)氧化鋁產(chǎn)量出現(xiàn)爆發(fā)式增長(zhǎng)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，國(guó)內(nèi)氧化鋁產(chǎn)量已經(jīng)由2000年的400多萬(wàn)噸，快速增長(zhǎng)至2019年的8000多萬(wàn)噸。自2010年起，鋁土礦的供需平衡出現(xiàn)了重大轉(zhuǎn)折，鋁土礦開(kāi)始供不應(yīng)求。為保證生產(chǎn)，各氧化鋁廠通過(guò)自身生產(chǎn)系統(tǒng)的優(yōu)化和改造，進(jìn)廠鋁土礦鋁硅比從9.0逐漸下降至4.5甚至更低，但仍無(wú)法填補(bǔ)鋁土礦供應(yīng)的缺口。

2018年上半年以來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)氧化鋁產(chǎn)能的不斷釋放和國(guó)家礦山整治等環(huán)保政策的陸續(xù)出臺(tái)，鋁土礦的供應(yīng)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(gè)氧化鋁生產(chǎn)大省，鋁土礦供應(yīng)缺口更大。2018年底，河南、山西等地氧化鋁企業(yè)鋁土礦庫(kù)存平均在10天左右，已經(jīng)嚴(yán)重超越了原料庫(kù)存的安全紅線。受此影響，國(guó)內(nèi)鋁土礦價(jià)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(jià)格一度暴漲到750元/噸。鋁土礦價(jià)格居高不下，氧化鋁價(jià)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(yán)重，紛紛減產(chǎn)或周期性停產(chǎn)。

在此情況下，我國(guó)內(nèi)陸氧化鋁企業(yè)為了自身的生存和發(fā)展，紛紛開(kāi)始使用進(jìn)口鋁土礦作為原料補(bǔ)充。

1 改造項(xiàng)目概況

國(guó)內(nèi)某氧化鋁廠原有一條40萬(wàn)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(shù)。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(nèi)亞礦。幾內(nèi)亞礦礦石成分如下：

組成 Al2O3 SiO2 Fe2O3 TiO2 C S 灼減 合計(jì) 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(wàn)噸/年氧化鋁的要求，我院對(duì)原生產(chǎn)線已有各工序設(shè)備產(chǎn)能進(jìn)行核算。結(jié)果表明，需要技術(shù)改造的子項(xiàng)僅為原礦漿磨制、預(yù)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(xiàng)目改造方案

2.1 原礦漿磨制

根據(jù)礦石加工實(shí)驗(yàn)報(bào)告，本項(xiàng)目擬用的幾內(nèi)亞礦相對(duì)易磨，且三水鋁石磨礦粒度不需要太細(xì)，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(shè)臨時(shí)倒料小皮帶，把原進(jìn)棒磨機(jī)的鋁礦進(jìn)到球磨機(jī)。由于減少了棒磨流程，達(dá)到了降低電耗、減少維護(hù)檢修費(fèi)用的效果。

2.2 預(yù)脫硅

由于幾內(nèi)亞礦中總硅含量較低，而且對(duì)于低溫情況下，108℃可反應(yīng)硅為0.11%，145℃可反應(yīng)硅為0.72%，因此無(wú)需預(yù)脫硅。本技改取消預(yù)脫硅流程，原預(yù)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(guò)計(jì)算，改造方案新增3臺(tái)流量Q=300～330m3/h，揚(yáng)程H=150m多級(jí)離心泵，用二備一，作為溶出機(jī)組喂料泵。原高壓隔膜泵作為其他生產(chǎn)線的備用設(shè)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(shè)計(jì)的，因此在使用礦石更換為三水鋁石時(shí)，原設(shè)計(jì)不再適應(yīng)，為此進(jìn)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(shí)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(nèi)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(shí)間60min，出料溫度109℃，新蒸汽溫度180℃，壓力1.0mPa，過(guò)熱15～20℃。

預(yù)脫硅槽來(lái)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(jí)加熱，前三級(jí)用乏汽（二次蒸汽）加熱，第四級(jí)用新蒸汽加熱，四級(jí)加熱至溶出溫度145℃的礦漿進(jìn)入礦漿保溫壓煮器停留60min。溶出后礦漿經(jīng)三級(jí)礦漿自蒸發(fā)，從145℃逐級(jí)降溫至117℃后進(jìn)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(gè)小時(shí)，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(shù)條件、工藝流程為前提，充分利用現(xiàn)有設(shè)施，降低改造費(fèi)用為原則，經(jīng)過(guò)詳細(xì)的物料平衡和熱平衡計(jì)算，制定改造方案如下：

三級(jí)乏汽預(yù)熱：利用現(xiàn)有套管預(yù)熱器，重新分組。

冷凝水預(yù)熱：利用現(xiàn)有冷凝水預(yù)熱器，重新分組。

新蒸汽加熱：利用現(xiàn)有套管預(yù)熱器，重新分組。

保溫溶出：利用現(xiàn)有8臺(tái)保溫?cái)嚢鑹褐笃鳌?/p>

三級(jí)自蒸發(fā)：利用現(xiàn)有3臺(tái)末級(jí)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(xiàng)目建設(shè)投資

本項(xiàng)目改造方案充分利用現(xiàn)有生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)備，除新增3臺(tái)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(shè)投資約500萬(wàn)元人民幣。

4 本項(xiàng)目改造前后主要生產(chǎn)成本對(duì)比分析

由于其他生產(chǎn)工藝未進(jìn)行大的調(diào)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(dòng)力消耗（蒸汽）進(jìn)行生產(chǎn)成本對(duì)比分析，結(jié)果如下表：

表1 改造前使用國(guó)內(nèi)鋁土礦時(shí)主要生產(chǎn)成本表

表2 改造后使用進(jìn)口鋁土礦時(shí)主要生產(chǎn)成本表

根據(jù)上表中數(shù)據(jù)，改造后使用進(jìn)口鋁土礦相比改造前使用國(guó)內(nèi)鋁土礦，每噸氧化鋁生產(chǎn)成本可以降低442元。由于進(jìn)口鋁土礦氧化鋁含量較低，雖價(jià)格便宜，但是礦耗會(huì)增加，因此礦石的成本幾乎相當(dāng)。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(xiàng)目的優(yōu)勢(shì)

（1）投資少：僅為500萬(wàn)元人民幣；

（2）工期短：由于改造內(nèi)容很少，無(wú)新增大設(shè)備，訂貨和施工周期很短，且不需要長(zhǎng)時(shí)間停產(chǎn)改造，不影響生產(chǎn)；

（3）經(jīng)濟(jì)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(wàn)噸氧化鋁計(jì)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(jìn)口鋁土礦運(yùn)輸?shù)牟淮_定因素，對(duì)現(xiàn)有涉及國(guó)內(nèi)鋁土礦生產(chǎn)的主體設(shè)備原位保留，工藝管線按新的幾內(nèi)亞礦重新設(shè)計(jì)。

6 存在的問(wèn)題

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

（2）蒸汽壓力問(wèn)題：由于幾內(nèi)亞礦石溶出所需的新蒸汽壓力僅為1.0mPa（溫度180℃），而國(guó)內(nèi)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(wèn)題：根據(jù)幾內(nèi)亞礦石溶出及沉降性能試驗(yàn)報(bào)告和國(guó)內(nèi)其他使用幾內(nèi)亞礦石的氧化鋁廠的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，幾內(nèi)亞礦石在沉降性能上不如國(guó)內(nèi)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(yàn)，尋找最佳解決方案；

（4）關(guān)于有機(jī)物的處理：

根據(jù)幾內(nèi)亞礦礦石加工試驗(yàn)報(bào)告，擬用礦石的有機(jī)碳含量約為0.2%。根據(jù)目前的研究成果和生產(chǎn)實(shí)踐都表明，在有機(jī)碳如此高的情況下，自然隨赤泥外排有機(jī)物不能滿足生產(chǎn)要求。隨生產(chǎn)的進(jìn)行，有機(jī)物會(huì)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(shù)條件、導(dǎo)致產(chǎn)品細(xì)化。

由于目前缺少對(duì)現(xiàn)有生產(chǎn)中有機(jī)物的系統(tǒng)測(cè)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(guò)程中，就有機(jī)物脫除問(wèn)題進(jìn)行詳細(xì)調(diào)研，結(jié)合整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)現(xiàn)狀以及未來(lái)生產(chǎn)供礦的長(zhǎng)期安排，再制定確切的改造方案。

7 結(jié)束語(yǔ)

隨著國(guó)內(nèi)鋁土礦資源的日漸枯竭和貧化，內(nèi)地氧化鋁廠改用進(jìn)口礦必將成為解決生產(chǎn)困境的最佳出路。本項(xiàng)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(yàn)，值得借鑒和推廣。