李軍超

（國家電投集團(tuán)山西鋁業(yè)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(chǎn)方法：如何優(yōu)化蒸發(fā)工序，減少新蒸汽使用量及系統(tǒng)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(xiàn)代化的進(jìn)程逐漸加快，能源短缺的情況也在不斷惡化，我國開始實(shí)行可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)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(qiáng)、光澤度高等優(yōu)良性質(zhì)，被廣泛應(yīng)用到了工業(yè)的生產(chǎn)建設(shè)中，從而持續(xù)推動著我國氧化鋁生產(chǎn)工業(yè)的發(fā)展。氧化鋁生產(chǎn)工業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的重要支柱之一，對社會的發(fā)展起著至關(guān)重要的作用。我國每年的鋁產(chǎn)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(fā)達(dá)國家的一倍，因此，我國當(dāng)前的國家能源政策首先把節(jié)能降耗排在了第一位，節(jié)能降耗能夠節(jié)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(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。以上都能夠說明氧化鋁生產(chǎn)工業(yè)實(shí)行節(jié)能降耗政策的必要性。

2 氧化鋁的生產(chǎn)方法

2.1 燒結(jié)法

燒結(jié)法最開始叫碳酸鈉燒結(jié)法，是由一名法國人提出的，經(jīng)過不斷的發(fā)展和改良，最終成為了現(xiàn)在的堿石灰燒結(jié)法。燒結(jié)法首先進(jìn)行生料配置和燒結(jié)，然后再將熟料進(jìn)行溶出，其次將粗液進(jìn)行脫硅，再進(jìn)行碳酸化分解，然后將氫氧化鋁送去焙燒，最后只需要蒸發(fā)完碳分母液就相當(dāng)于完成了整個燒結(jié)法的過程。燒結(jié)法的基本原理主要涉及到了與化學(xué)方面有關(guān)的專業(yè)知識，首先對鋁土礦和適量的蘇打以及石灰石進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)，直到氧化鋁和氧化鐵與蘇打進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)生成鋁酸鈉和鐵酸鈉，氧化硅和氧化鈦與石灰進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)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(jìn)行溶出，硅酸鈣不與溶液產(chǎn)生反應(yīng)因此會產(chǎn)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(jìn)行分解等相關(guān)操作，最終會析出晶體得到氫氧化鋁，氫氧化鋁在經(jīng)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(jìn)行種子分解得到純度較高的氧化鋁。[1]燒結(jié)法的工序流程比較復(fù)雜，并且總能耗很高，但是使用燒結(jié)法處理一些低品位礦石往往能發(fā)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(yīng)用燒結(jié)法。根據(jù)最新的調(diào)查結(jié)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(dāng)不錯的比例，因此，燒結(jié)法還是具有很強(qiáng)的應(yīng)用價值。

2.2 拜耳法

拜耳法是以奧地利化學(xué)家拜耳的名字來命名的，在18世紀(jì)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(qiáng)的實(shí)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(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，并且使用拜耳法的工作效率遠(yuǎn)超其他方法。當(dāng)前世界上所有氧化鋁和氫氧化鋁的生產(chǎn)方法超過一半都是使用的拜耳法，可見其應(yīng)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(chǎn)生的晶種氫氧化鋁和精液混合進(jìn)入分解首槽，經(jīng)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(tài)不斷析出，并送往焙燒。同時立盤產(chǎn)生的分解母液蒸濃后，繼續(xù)參與溶出反應(yīng)。分解過程和溶出過程連續(xù)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(chǎn)流程比較簡單，沒有太多復(fù)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(jìn)行攪拌分解，花費(fèi)的時間很長，但提取出來的氫氧化鋁純度更高，雜質(zhì)的含量也較低。

2.3 聯(lián)合法

我國工業(yè)上生產(chǎn)氧化鋁的方法主要有兩種方法：一種是燒結(jié)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(lián)合法同時具備該兩種方法的優(yōu)點(diǎn)。在某些特定的情況下，如果只使用拜耳法或者燒結(jié)法的其中一種來進(jìn)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(zhì)量。聯(lián)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(zhì)量的前提下還可以進(jìn)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(yè)增收效益。聯(lián)合法共分為三種最基本的流程，分別是并聯(lián)法、串聯(lián)法以及混聯(lián)法。并聯(lián)法可以用來處理品位比較低的鋁土礦，補(bǔ)堿由燒結(jié)法系統(tǒng)低價碳酸鈉供應(yīng)降低生產(chǎn)成本，使拜耳法免受有機(jī)物的影響，能夠制取出質(zhì)量更高的砂狀氧化鋁。缺點(diǎn)就是工藝流程繁多，并且循環(huán)堿量得到了大幅度的提升。串聯(lián)法是將拜耳法和燒結(jié)法同時使用，優(yōu)點(diǎn)是能夠使氧化鋁的回收率不斷提升，缺點(diǎn)就是生產(chǎn)流程比較難以把控。在生產(chǎn)過程中，經(jīng)常會出現(xiàn)燒結(jié)不成功的現(xiàn)象，并且硫酸鈉不能夠有效地去除。根據(jù)我國鋁土礦的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)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(qū)別，為了有效提升氧化鋁的質(zhì)量以及純度，我國經(jīng)過長期的不懈奮斗，終于自主研發(fā)出了混聯(lián)法。混聯(lián)法具備了拜耳法和燒結(jié)法所有的優(yōu)點(diǎn)，將兩套提取系統(tǒng)融合在了一起，增強(qiáng)了整個生產(chǎn)流程的協(xié)調(diào)性和可控性?；炻?lián)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(jìn)行處理，進(jìn)而得到赤泥和鋁酸鈉溶液，然后將得到的鋁酸鈉溶液進(jìn)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(jié)成熟料，最后再按照燒結(jié)法的操作流程進(jìn)行相關(guān)的操作。使用混聯(lián)法的優(yōu)勢，在處理硅含量較高的鋁土礦時，先采用燒結(jié)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(jié)法產(chǎn)生的一部分溶液輸送到拜耳法中對其進(jìn)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(lián)法主要的優(yōu)點(diǎn)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(lián)法是由燒結(jié)法和拜耳法兩種方法組成的，因此，如果在生產(chǎn)的過程中某個環(huán)節(jié)出現(xiàn)了紕漏，整個生產(chǎn)過程的進(jìn)度都會受到影響。

以上三種生產(chǎn)方法均會用到蒸發(fā)，分解系統(tǒng)產(chǎn)出的分解母液送到蒸發(fā)系統(tǒng)進(jìn)行蒸濃，得到較高濃度的循環(huán)母液參與下一次反應(yīng)，進(jìn)行循環(huán)利用。當(dāng)然循環(huán)母液濃度較低時需加入液堿或堿粉進(jìn)行調(diào)配。

3 氧化鋁生產(chǎn)蒸發(fā)工序能耗狀況

3.1 我國氧化鋁工業(yè)發(fā)展和能耗狀況

在20 年代50 世紀(jì)中期，我國建立了第一個鋁廠，時至今日我國的氧化鋁工業(yè)建設(shè)已經(jīng)取得了十分優(yōu)異的成績。進(jìn)入21 世紀(jì)以后，我國的多項(xiàng)科技成果取得了重大的突破，并不斷刺激著氧化鋁工業(yè)的發(fā)展。根據(jù)調(diào)查結(jié)果顯示，我國氧化鋁的年產(chǎn)量一直呈上升趨勢，氧化鋁廠不斷擴(kuò)張，但是忽略了熱能的大量損失。近幾年隨著國家倡導(dǎo)循環(huán)經(jīng)濟(jì)，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(fā)工序是氧化鋁生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié)，如何減少蒸發(fā)工序能耗損失顯得更為重要。

3.2 氧化鋁生產(chǎn)蒸發(fā)工序原理

蒸發(fā)的基本原理是對溶液進(jìn)行持續(xù)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(fā)，溶劑減少，溶液中的溶質(zhì)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(fā)性的而溶質(zhì)都是不易揮發(fā)的。氧化鋁生產(chǎn)中，選用的溶劑都是水，鋁酸鈉溶液蒸發(fā)后冷凝成水或汽水對其進(jìn)行回收利用。

3.3 氧化鋁生產(chǎn)蒸發(fā)工序介紹

目前氧化鋁生產(chǎn)蒸發(fā)工序流程概述，原液除少部分直接送母液調(diào)配槽外，其余經(jīng)過降膜加強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)器進(jìn)行蒸發(fā)濃縮后送往調(diào)配槽。蒸發(fā)原液在原液閃蒸器內(nèi)進(jìn)行閃蒸，閃蒸的二次汽用作五效的加熱蒸汽，閃蒸后的蒸發(fā)原液經(jīng)五效→六效后與四效→三效→二效→一效→一閃→強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)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(huán)水帶走乏汽和熱量。

3.4 氧化鋁蒸發(fā)工序耗能分析

蒸發(fā)工序是氧化鋁生產(chǎn)過程中的重要環(huán)節(jié)，具有不可替代的作用。綜合以上，在蒸發(fā)過程中，因鋁酸鈉溶液沸點(diǎn)、真空度、蒸發(fā)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(fā)工序同時還具有除雜的作用效果，在生產(chǎn)過程中會出現(xiàn)許多雜質(zhì)進(jìn)而增加能耗，蒸發(fā)工序可以有效去除雜質(zhì)，進(jìn)一步提高氧化鋁生產(chǎn)質(zhì)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(jìn)料不穩(wěn)定、保溫效果差以及蒸發(fā)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(shí)行相關(guān)的策略，一定可以降低氧化鋁生產(chǎn)過程中蒸發(fā)工序的耗能。

4 結(jié)語

建設(shè)氧化鋁工業(yè)對我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展發(fā)揮著關(guān)鍵的作用，因此需要不斷對氧化鋁生產(chǎn)方法進(jìn)行研究優(yōu)化；加大對氧化鋁生產(chǎn)蒸發(fā)工序能耗的重視程度，確保節(jié)能減耗工作有序地推進(jìn)；持續(xù)探索降低氧化鋁生產(chǎn)能耗的有效方法，以促進(jìn)我國氧化鋁產(chǎn)業(yè)不斷的發(fā)展。