拜耳法氧化鋁生產過程中粉塵治理技術的應用

張順飛

（貴州華錦鋁業有限公司，貴州 貴陽 551405）

1 新時代下國家環保要求

隨著我國“十四五”規劃的實施，對工業生產提出了更高的環保要求，應以“推動綠色發展，促進人與自然和諧共生”為基本原則，通過尊重、順應、保護自然，落實節能減排措施推動可持續發展。而基于當前經濟社會的發展進步，鋁制產品市場的規模不斷擴大，相關生產過程尤其是氧化鋁的生產隨之增加，而且規模越來越大。在氧化鋁生產過程中，會產生直徑在10～300μm 的空氣粉塵，呈固體微型顆粒狀，對環境造成了污染，尤其對生產現場的環境造成了嚴重污染，盡管采取了防護措施，但是部分設備操作人員對粉塵的防護不當，導致長期與高濃度粉塵直接接觸，容易誘發矽肺等職業病，危害人體健康。所以在氧化鋁生產過程中，必須合理應用粉塵治理技術，有效防范粉塵擴散和傳播，降低對職工以及生態的不利影響。

因此在新時代下，國家環保要求則是開展污染防治行動，改善環境質量。針對氧化鋁生產過程中會產生大量粉塵污染，對環境造成嚴重負面影響的現狀。必須落實生態保護觀念，積極采取有效的治理技術，重點防控粉塵傳播，保證生態環境質量。

2 拜耳法氧化鋁生產工藝概述

2.1 生產流程分析

拜耳法起源于1887 年，是由奧地利化學家發明的一種針對優質鋁土礦制取氧化鋁的工藝技術。該工藝發展到現代階段已經得到比較完善的改進和優化，可實現大型化和連續性操作、自動化生產、節省能源消耗等，適用于低硅鋁土礦、三水鋁石型鋁土礦等生產處理活動。該工藝相比其他技術具有流程簡單、作業操作便捷等優勢，并且制取獲得的氧化鋁產品質量相對較高，經濟效益顯著。在開展氧化鋁制取生產工藝時，應用拜耳法主要有以下工序流程。

（1）對進廠后的鋁礦石進行破碎、均化以及貯存。破碎時保障鋁礦石的粒度不超過15mm，促使其化學成分能夠比較均勻地向濕磨供料。然后對鋁礦石進一步磨細，并實施鋁礦石、石灰、循環堿液三組分配料，確保獲得產品原礦漿能夠滿足下道工序的操作要求。這一階段主要控制指標為石灰加入量約為干鋁礦石量的7%，循環堿液配入量應為溶出液苛化系數的1.4 倍，對鋁礦石的磨細度控制在-315μm100%、-63μm70%～75%。

（2）高壓溶出是拜耳法制取氧化鋁產品的關鍵步驟，通常是將原礦漿輸送到套管預熱器中，借助二次蒸汽設備將其進行預熱，控制溫度在160～180℃，然后在預熱壓煮器中開展二次蒸汽間接加熱和機械攪拌，提升礦漿溫度達到220℃。并用6.0MPa 新蒸汽間接加熱，促使達到溶出溫度260℃。停留30～40min 后完成全部間接加熱，溶出率可達95%以上。

（3）對礦漿實施降溫和減壓、稀釋降溫后，對常壓下的赤泥進行分離和洗滌。應用深錐沉降槽的溢流作用，將過濾后所獲得的精制液送到種子分解，此時底流呈固體殘渣狀，經過4～5 次沉降和反向洗滌后，能夠回收附液中的堿，然后運輸到堆場貯存。為保證赤泥沉降分離洗滌工藝的有效性，應當保證物料溫度不低于95℃、分離沉降槽內的底流固體質量分數需大于41%且溢流中懸浮物含量小于200mg/L。

（4）種子分解即在鋁酸鈉溶液中加入適當的細氫氧化鋁，在降低溫度以及長時間攪拌后，自行分解并析出固體氫氧化鋁、液體苛性堿等。實踐操作中需保證分解初始溫度在70℃、終了溫度為45℃，控制分解時間55～60h。

（5）通過種子分解后，可獲得氫氧化鋁與苛性堿液混合物，在開展分級過濾和分離后，獲得細氫氧化鋁及產品氫氧化鋁、苛性堿溶液等。針對產品氫氧化鋁實施洗滌并進行焙燒，苛性堿溶液則送往蒸發站實施相應處理。

（6）開展焙燒將氫氧化鋁的附著水、結合水進行脫除，經過分解反應可形成氧化鋁。在對其實施晶型轉變，促使生成帶有一定物理和化學性質的氧化鋁產品。

2.2 生產影響

雖然拜耳法對氧化鋁的制取具有較為明顯的優勢，但在實際操作中，仍存在比較突出的問題。該工藝在生產過程中產生大量的粉塵，對周邊環境以及操作人員會造成極大的危害。例如，在礦石系統的輸送和破碎、制備取用過程中，主要有運輸、卸礦、喂礦、破碎、均化堆存、輸送轉運等環節，這些環節由于遮蓋防護措施不嚴密，會導致大量的揚塵，而較為嚴重的主要是卸料點、皮帶輸送轉接點等，這些揚塵很容易導致人體呼吸道吸入，造成嚴重的職業病。石灰系統的輸送和破碎、制備取用過程中，主要有卸灰、喂灰、破碎和輸送轉運等環節，尤其是露天儲存風化后的石灰在喂灰過程中揚塵更為嚴重，這些揚塵不僅對操作人員身體健康產生威脅，還會擴散到空氣中，在風的作用下污染周邊自然環境[1]。

3 氧化鋁生產過程中粉塵治理技術應用

3.1 常見粉塵除塵方法

從氣體中除去或收集固態或液態粒子的設備稱為除塵裝置，可分為濕式除塵裝置和干式除塵裝置，按分離原理分類可分成重力除塵裝置、慣性力除塵裝置、離心力除塵裝置、洗滌式除塵裝置、過濾式除塵裝置、電除塵裝置、聲波除塵裝置等。每個大類中又包含多種除塵方法，因此總體來說粉塵的治理技術較為豐富。但介于氧化鋁生產的特殊性，本文重點介紹布袋除塵器、旋風除塵器、電收塵、電袋收塵及微動力除塵等，具體如下。

3.1.1 布袋除塵器

布袋除塵器主要構成部分包括高壓風機、過濾布袋、進風管、風道、集塵抽以及電路裝置等。在工作狀態下，粉塵氣體會經由風管進入到布袋中，粉塵粒會在慣性或者自然沉降等作用下，落入到下方濾袋，通過過濾塵粒可被滯留在濾袋的外側，經過凈化的氣體則由濾袋內部進入上箱體中，最后從排風口排出，有效實現除塵目的。鋁土礦破碎環節可設置袋式除塵器，利用其具有的過濾和吸附凈化功能，對粉塵進行有效處理，能夠順利捕集1μm以上的粉塵顆粒，減少工人與粉塵的直接接觸，有利于改善勞動條件，高效控制粉塵擴散范圍，保證周邊環境健康發展[2]。

袋式除塵器除塵效率的影響因素有：粉塵負荷、過濾速度。過濾速度是一個重要的技術經濟指標，一般來講，除塵效率隨過濾速度增加而下降，過濾速度的選取還與濾料種類和清灰方式有關。丹尼斯（Dennis）和克萊姆（Klemm）提出了一系列方程，以預測袋式除塵器的粉塵出口濃度。

式中：C2——粉塵出口濃度，g/m3；Pns——無量綱常數；v——表面過濾速度，m/s；C1——粉塵入口濃度，g/m3；CR——脫落濃度（常數），g/m3；W——粉塵負荷，g/m2。

清灰是袋式除塵器運行中十分重要的一環，多數袋式除塵器是按清灰方命名和分類的，常用的清灰方式有3 種：機械振動式、逆氣流清灰、脈沖噴吹清灰。

機械振動袋式除塵器的過濾風速一般取1.0～2.0m/min，壓力損失為800～1200Pa，此類型袋式除塵器的優點是工作性能穩定，清灰效果較好，缺點是濾袋常受機械力作用，損壞較快，濾袋檢修與更換工作量大。逆氣流清灰過濾風速一般為0.5～2.0m/min，壓力損失控制范圍1000～1500Pa，這種清灰方式的除塵器結構簡單，清灰效果好，濾袋磨損少，特別適用于粉塵粘性小，玻璃纖維濾袋的情況。脈沖噴吹清灰，利用4～7atm 的壓縮空氣反吹，壓縮空氣的脈沖產生沖擊波，使濾袋振動，粉塵層脫落，必須選擇適當壓力的壓縮空氣和適當的脈沖持續時間（通常為0.1～0.2s），全部濾袋完成一個清灰循環的時間稱為脈沖周期，通常為60s。脈沖噴吹清灰實現了全自動清灰，凈化效率達99%，過濾負荷較高，濾袋磨損輕，運行安全可靠。脈沖噴吹耗用壓縮空氣量可以通過公式計算。

3.1.2 旋風除塵器

旋風除塵器是由進氣管、筒體、錐體和排氣管等組成，氣流沿外壁由上向下旋轉運動（外渦旋），少量氣體沿徑向運動到中心區域，旋轉氣流在錐體底部轉而向上沿軸心旋轉（內渦旋），氣流作渦旋運動時，塵粒在離心力作用下逐步移向外壁，達到外壁的塵粒在氣流和重力共同作用下沿壁面落入灰斗。影響旋風除塵器效率的因素有：二次效應、比例尺寸、煙塵的物理性質和操作變量。例如二次效應即被捕集的粒子重新進入氣流，在較小粒徑區間內，理應逸出的粒子由于聚集或被較大塵粒撞向壁面而脫離氣流獲得捕集，實際效率高于理論效率。在較大粒徑區間，粒子被反彈回氣流或沉積的塵粒被重新吹起，實際效率低于理論效率。通過環狀霧化器將水噴淋在旋風除塵器內壁上，能有效地控制二次效應。

此外，除塵器下部的嚴密性也是影響除塵效率的一個重要因素。如果除塵器下部不嚴密，漏入外部空氣，會把正在落入灰斗的粉塵重新帶走，使除塵效率顯著下降。因此，在不漏風的情況下進行正常排灰是旋風除塵器運行中必須重視的問題，如表1所示。

表1 旋風除塵器尺寸變化對性能的影響

3.1.3 電收塵

電收塵是通過電場作用實現對氣體含塵進行捕集的方法，其一般是由電暈極、沉淀極、振打裝置和氣體均布裝置、排灰裝置等組成。是利用高壓直流電源形成的電場促使氣體發生電離碰撞，產生大量的正負離子，大部分粉塵可與負離子相撞而帶上負電，通過集塵極將粉塵吸附在灰斗中，經過振打可將粉塵落入到卸灰裝置中。

該方法具有運行可靠、維護簡單、收塵率高等優勢，適用于微細粉塵的收集。主要優點有：壓力損失小，一般為200～500Pa，處理煙氣量大，可達105～106m3/h；能耗低，0.2～0.4kWh/1000m3；對細粉塵有很高的捕集效率，可高于99%，可在高溫或強腐蝕性氣體下操作。但其常見故障較多，維護管理工作量大。

3.1.4 電袋收塵

電袋收塵即是將電除塵與袋式除塵進行結合，形成一種新型的高效復合式除塵器。工作原理是含塵煙氣在進口位置氣流分布板的作用下，均勻進入收塵電場中，通過在電場中荷電，截留大部分粉塵。并向收塵極沉積，振打收塵極后，粉塵可掉落到下部灰斗，再進入袋收塵區。該方法具有結構簡單、運行維護便捷的優勢，但其運行費用較高，濾袋的壽命較短，應合理選擇應用場景。

3.1.5 微動力收塵

微動力收塵器主要是利用氣流運動所產生的動力，實現正負壓交替循環。在運行過程中可將產生的沖擊粉塵等在多功能消塵裝置中得到充分釋放。通過利用氣體壓力并加速循環樁基，可有效抑制、緩解和撞落含塵氣體，將粉塵捕集到脈沖負壓吸塵器內。該方法具有自動化程度高、環保、占用空間小、成本低等優勢。但在維護管理時，對技術要求較高。

3.2 礦石粉塵、石灰粉塵除塵方法

礦石以及石灰粉塵是工業生產中常見的粉塵類型，對環境會產生較大的污染影響，而且對工作人員的身體健康也會造成嚴重損傷，長期會出現塵肺等疾病。因此針對礦石粉塵以及石灰粉塵需要采取有效的除塵方法，而根據其粉塵產生特性以及擴散特點，主要選用袋式除塵器。選擇不易粘糊的光面除塵布袋，如滌綸針刺氈除塵器布袋等，并合理利用吸塵罩控制塵源，避免出現粉塵外逸。基于袋式除塵所收集的粉塵，部分可進行回收利用，減少對環境的污染。

3.3 氧化鋁粉塵除塵新方法

電袋除塵器是一種新式的復合型除塵設備，其將電除塵與布袋除塵進行串聯，能夠提高收塵效率。是現階段氧化鋁粉塵除塵的主要方法之一，其優勢是可承受不同特性粉塵、過濾效率高。不過其運行費用較高、濾袋的壽命較短，耐高溫問題還需要進一步解決。通常情況下可在氧化鋁生產系統的物料加工、輸送環節，針對無組織發散性粉塵進行收塵，通過在各個散塵點加強密閉措施，分別設置集塵罩和機械抽風裝置，并布置高效布袋除塵器，可達到99%以上的除塵效率，經檢測，排氣中的含塵濃度可降低到規定的限值范圍內。

3.4 氧化鋁除塵方法選擇

除塵器選用需要考慮多種因素，如處理含塵氣流的風量、壓力損失、除塵效率、費用、占地空間、運行維護管理、粉塵的化學成分、密度、粒徑分布、腐蝕性、親水性、比電阻等。而除塵器又包括干式和濕式兩大類，其中濕式除塵器包括沖擊式除塵器、噴淋塔、泡沫除塵器、水膜除塵器等。其一般是通過將氣體與液體的密切基礎，利用水滴與顆粒的慣性碰撞，實現顆粒增大或捕集。通常用于處理高溫含塵煙氣，對于氧化鋁干燥粉塵的除塵效果較差。因此在氧化鋁除塵方案中，主要是利用干法除塵器，具有使用范圍廣、集中處理和綜合利用排出干粉等優勢。在氧化鋁生產過程中，應用干式除塵器主要是應用旋風分離器，利用離心力將粉塵外旋流轉到除塵器下部，再由排塵孔排出。適用于5～10μm 的干燥粉塵收集，在氧化鋁破碎環節具有較好的適用性。同時干法除塵器中的布袋除塵能夠在機械振動的作用下，捕獲0.1μm 的粉塵，對于干顆粒物的捕集和綜合利用具有較好成果。此外，可選擇靜電除塵器，其是借助高壓直流電源的陰極線與接地陽極線形成高壓電場，通過放電吸附粉塵顆粒，凈化效率較高，并可實現自動化控制，在氧化鋁自動化生產操作中具有較高的應用價值。

4 氧化鋁生產過程中的粉塵治理操作建議

4.1 嚴格把控氧化鋁裝卸流程粉塵治理措施

在氧化鋁生產過程中產生粉塵量最大的環節是干法破礦工藝和裝卸流程，如未采取有效控制措施，則會出現大量揚塵，對環境產生影響較為嚴重。因此在實踐中，相關人員應當針對氧化鋁的粉末特性進行了解，其密度一般為3970kg/m3，粉塵顆粒物大小約在0.1～0.5μm 之間，由此相關人員可采取布袋除塵器。由于袋式除塵器可捕集最小0.1μm、最大0.5μm 的細小粉塵，適用氧化鋁粉塵回收，除塵效率達到99%。通過借助袋式除塵器能夠控制粉塵的飛揚效果，即在產塵區的除塵系統中設置吸塵罩，利用風機為吸塵罩口提供足夠的吸氣速度，保證氧化鋁裝卸過程中順利捕集粉塵，再經過除塵器設備進行凈化處理，有利于解決粉塵問題。因此相關人員應當合理設計吸塵罩，結合粉塵流動情況，安裝在粉塵源的上方或者側面，在運動力的作用下提高吸塵效率。比如在氧化鋁粉裝卸灌包時，抓斗可將鋁粉卸入到漏斗中，促使其獲得向上的動能，將吸塵罩設置在側上方，能夠形成側吸風速，控制粉塵向外擴散。

4.2 氧化鋁生產流程采取有效粉塵治理措施

為把握粉塵治理，應從全過程角度出發，消除“跑、冒、滴、漏”等情況，盡可能降低粉塵排放濃度。例如在生產過程中可對收塵機的噴吹裝置以及收塵電機運行狀況進行檢查，并適當改造設備，增強防塵收塵效果。又如在下料口位置增加風洞溜槽，利用壓縮空氣來控制粉塵的下料速度和數量，同時利用風洞溜槽解決垂直下料產生粉塵散落的情況。另外應當在輸送環節更換除塵器型號，采用7 臺脈沖除塵器，減小吸塵空間、提高除塵效率。

4.3 采用通風配合設備降塵

采用環境治理技術，可結合實際情況制定有效的粉塵治理技術方案，如水霧降塵、隔離膜降塵等，明確具體措施，并落實責任，實現高效降塵的安全環保目標。在實際生產環節主要的應用方法，則是在生產車間內部營造良好的通風條件，并避免空氣過于干燥，實現有效防護。對于不易通風的工作環境，如進入槽罐開展生產作業，可適當增加臨時通風機進行通風，并在生產前30min 實施氧含量測試，確保工作人員的舒適性。

4.4 強化氧化鋁生產過程的防塵培訓

由于氧化鋁生產中的粉塵危害程度較大，尤其是在生產作業區內，受設備運作以及材料加工揚塵等影響，經常在卸料區、堆放區等人員活動頻繁的地方出現粉塵。為有效消除粉塵影響，相關企業要提高重視程度，注重強化人員培訓，掌握防塵收塵技術要點，有效落實相關技術方案。如可向工作人員宣傳粉塵危害短視頻、知識手冊等，引導其養成良好的衛生習慣，在下班后立即脫下粉塵防護服，定期清理口鼻衛生，每天更換防塵口罩等。

5 結語

綜上所述，由于氧化鋁生產工藝條件所限，會產生大量的粉塵污染，對人體健康以及設備穩定運行等造成極大的危害。所以為保證氧化鋁生產工藝的順利實施，應當嚴格遵循國家環保要求，針對其危害采取有效的治理技術，確保安全環保目標得以順利實現。