氧化鋁生產方法簡介及蒸發工序能耗分析

李軍超

（國家電投集團山西鋁業有限公司，山西 原平 034100）

該文的主要目的是了解氧化鋁的生產方法：如何優化蒸發工序，減少新蒸汽使用量及系統熱損失，降低成本，從而不斷提升能源的利用率。

1 研究背景及意義

隨著社會現代化的進程逐漸加快，能源短缺的情況也在不斷惡化，我國開始實行可持續發展戰略，并不斷加大對能源的重視程度。鋁合金是金屬材料其中的一種，由于其耐腐蝕強、光澤度高等優良性質，被廣泛應用到了工業的生產建設中，從而持續推動著我國氧化鋁生產工業的發展。氧化鋁生產工業是國民經濟的重要支柱之一，對社會的發展起著至關重要的作用。我國每年的鋁產量在國際上都名列前茅，同時我國也是一個耗鋁大國，每年的鋁消耗量是其他發達國家的一倍，因此，我國當前的國家能源政策首先把節能降耗排在了第一位，節能降耗能夠節約資源，提升資源的利用率，使我國的市場競爭力不斷提高，同時也能降低成本，從而給企業帶來巨大的經濟效益。以上都能夠說明氧化鋁生產工業實行節能降耗政策的必要性。

2 氧化鋁的生產方法

2.1 燒結法

燒結法最開始叫碳酸鈉燒結法，是由一名法國人提出的，經過不斷的發展和改良，最終成為了現在的堿石灰燒結法。燒結法首先進行生料配置和燒結，然后再將熟料進行溶出，其次將粗液進行脫硅，再進行碳酸化分解，然后將氫氧化鋁送去焙燒，最后只需要蒸發完碳分母液就相當于完成了整個燒結法的過程。燒結法的基本原理主要涉及到了與化學方面有關的專業知識，首先對鋁土礦和適量的蘇打以及石灰石進行高溫燒結，直到氧化鋁和氧化鐵與蘇打進行化學反應生成鋁酸鈉和鐵酸鈉，氧化硅和氧化鈦與石灰進行化學反應生成不定量的硅酸鈣和鈦酸鈣。然后再用水或者稀堿溶液進行溶出，硅酸鈣不與溶液產生反應因此會產生泥渣，鐵酸鈉分解成為氫氧化鈉和一水氧化鐵沉淀，得到的鋁酸鈉溶液通入足量的二氧化碳對其進行分解等相關操作，最終會析出晶體得到氫氧化鋁，氫氧化鋁在經過高溫焙燒后就會分解出所需要的氧化鋁。還有一部分母液進行種子分解得到純度較高的氧化鋁。[1]燒結法的工序流程比較復雜，并且總能耗很高，但是使用燒結法處理一些低品位礦石往往能發揮出不錯的作用效果，包括對于一些二氧化硅含量較高的鋁原料都在廣泛的應用燒結法。根據最新的調查結果顯示，高硅鋁土礦在我國總的鋁礦石資源中占到了一個相當不錯的比例，因此，燒結法還是具有很強的應用價值。

2.2 拜耳法

拜耳法是以奧地利化學家拜耳的名字來命名的，在18世紀后期，拜耳提出了拜耳法，該方法適用于硅含量較低的鋁土礦，具有很強的實用性。在處理三水鋁石型鋁土礦時，拜耳法能夠大大降低成本，有效提升企業的經濟效益，并且使用拜耳法的工作效率遠超其他方法。當前世界上所有氧化鋁和氫氧化鋁的生產方法超過一半都是使用的拜耳法，可見其應用范圍之廣。拜耳法主要有分解和溶出兩個過程，首先要將立盤產生的晶種氫氧化鋁和精液混合進入分解首槽，經過長時間的攪拌分解后，鋁酸鈉溶液中的氧化鋁就能夠以氫氧化鋁的狀態不斷析出，并送往焙燒。同時立盤產生的分解母液蒸濃后，繼續參與溶出反應。分解過程和溶出過程連續不斷的交替使用就可以處理一批接一批的鋁土礦，并提取出純度較高的氫氧化鋁。拜耳法的生產流程比較簡單，沒有太多復雜的操作步驟，并且其消耗的能量很低，成本也不高，雖然選用晶種來進行攪拌分解，花費的時間很長，但提取出來的氫氧化鋁純度更高，雜質的含量也較低。

2.3 聯合法

我國工業上生產氧化鋁的方法主要有兩種方法：一種是燒結法，另一種是拜耳法。兩種方法各有其長處也各有其短處，而聯合法同時具備該兩種方法的優點。在某些特定的情況下，如果只使用拜耳法或者燒結法的其中一種來進行提取氧化鋁的工作，往往會由于方法自身的局限性從而影響氧化鋁的提取質量。聯合法很好地解決了這一問題，它適用于所有類型的鋁土礦，在保證鋁土礦質量的前提下還可以進一步提高提取氧化鋁的效率，使鋁土礦資源物盡其用，大大提升資源的利用率，從而不斷地為企業增收效益。聯合法共分為三種最基本的流程，分別是并聯法、串聯法以及混聯法。并聯法可以用來處理品位比較低的鋁土礦，補堿由燒結法系統低價碳酸鈉供應降低生產成本，使拜耳法免受有機物的影響，能夠制取出質量更高的砂狀氧化鋁。缺點就是工藝流程繁多，并且循環堿量得到了大幅度的提升。串聯法是將拜耳法和燒結法同時使用，優點是能夠使氧化鋁的回收率不斷提升，缺點就是生產流程比較難以把控。在生產過程中，經常會出現燒結不成功的現象，并且硫酸鈉不能夠有效地去除。根據我國鋁土礦的結構特點可知，我國大部分的鋁土礦都是硅含量比較高但是鐵含量比較低，成分含量也有很大的區別，為了有效提升氧化鋁的質量以及純度，我國經過長期的不懈奮斗，終于自主研發出了混聯法。混聯法具備了拜耳法和燒結法所有的優點，將兩套提取系統融合在了一起，增強了整個生產流程的協調性和可控性。混聯法具體的工藝流程如下，首先使用拜耳法對硅含量較低的鋁土礦進行處理，進而得到赤泥和鋁酸鈉溶液，然后將得到的鋁酸鈉溶液進行凈化以及分解，再將赤泥與硅含量較高的鋁土礦混在一起全部燒結成熟料，最后再按照燒結法的操作流程進行相關的操作。使用混聯法的優勢，在處理硅含量較高的鋁土礦時，先采用燒結法能夠提升赤泥中氧化鋁以及氧化鈉的回收率，然后再將燒結法產生的一部分溶液輸送到拜耳法中對其進行分解，該操作能夠使拜耳法獲取足夠的堿，從而更好提升工作效率。因此可以看出，混聯法主要的優點是對氧化鋁的回收率較高，并且耗堿量也是最低的，其短板就是，流程比較繁多、耗能明顯增多，并且成本也在不斷提高。[2]由于混聯法是由燒結法和拜耳法兩種方法組成的，因此，如果在生產的過程中某個環節出現了紕漏，整個生產過程的進度都會受到影響。

以上三種生產方法均會用到蒸發，分解系統產出的分解母液送到蒸發系統進行蒸濃，得到較高濃度的循環母液參與下一次反應，進行循環利用。當然循環母液濃度較低時需加入液堿或堿粉進行調配。

3 氧化鋁生產蒸發工序能耗狀況

3.1 我國氧化鋁工業發展和能耗狀況

在20 年代50 世紀中期，我國建立了第一個鋁廠，時至今日我國的氧化鋁工業建設已經取得了十分優異的成績。進入21 世紀以后，我國的多項科技成果取得了重大的突破，并不斷刺激著氧化鋁工業的發展。根據調查結果顯示，我國氧化鋁的年產量一直呈上升趨勢，氧化鋁廠不斷擴張，但是忽略了熱能的大量損失。近幾年隨著國家倡導循環經濟，氧化鋁廠能量回收越來越重要，例如焙燒爐和燒成窯煙氣余熱回收利用。蒸發工序是氧化鋁生產中的重要環節，如何減少蒸發工序能耗損失顯得更為重要。

3.2 氧化鋁生產蒸發工序原理

蒸發的基本原理是對溶液進行持續的加熱直到溶液開始不斷的沸騰，這時如果再對其加熱，溶液中的溶劑就會不斷蒸發，溶劑減少，溶液中的溶質濃度自然也就增多了。一般情況下，溶液中的溶劑都是具有揮發性的而溶質都是不易揮發的。氧化鋁生產中，選用的溶劑都是水，鋁酸鈉溶液蒸發后冷凝成水或汽水對其進行回收利用。

3.3 氧化鋁生產蒸發工序介紹

目前氧化鋁生產蒸發工序流程概述，原液除少部分直接送母液調配槽外，其余經過降膜加強制循環蒸發器進行蒸發濃縮后送往調配槽。蒸發原液在原液閃蒸器內進行閃蒸，閃蒸的二次汽用作五效的加熱蒸汽，閃蒸后的蒸發原液經五效→六效后與四效→三效→二效→一效→一閃→強制循環蒸發器/二級閃蒸器的出料混合后出料。新蒸汽由電廠提供壓力約0.6MPa，溫度約160℃。蒸汽從一效到六效充分利用，通過循環水帶走乏汽和熱量。

3.4 氧化鋁蒸發工序耗能分析

蒸發工序是氧化鋁生產過程中的重要環節，具有不可替代的作用。綜合以上，在蒸發過程中，因鋁酸鈉溶液沸點、真空度、蒸發器換熱效率等因素的影響往往制約著蒸水量并伴隨能量的損失。[3]蒸發工序同時還具有除雜的作用效果，在生產過程中會出現許多雜質進而增加能耗，蒸發工序可以有效去除雜質，進一步提高氧化鋁生產質量，并降低能耗。其他主要的能耗損失包括對熱能的利用率低、進料不穩定、保溫效果差以及蒸發原液的溫度難以控制。以上問題都是增加能耗的主要原因，可以針對以上原因，實行相關的策略，一定可以降低氧化鋁生產過程中蒸發工序的耗能。

4 結語

建設氧化鋁工業對我國經濟的發展發揮著關鍵的作用，因此需要不斷對氧化鋁生產方法進行研究優化；加大對氧化鋁生產蒸發工序能耗的重視程度，確保節能減耗工作有序地推進；持續探索降低氧化鋁生產能耗的有效方法，以促進我國氧化鋁產業不斷的發展。