淺談拜爾法生產(chǎn)氧化鋁工藝中鋁酸鈉溶液的蒸發(fā)技術(shù)

于水波　岳玲　邵丹

摘要：拜爾法生產(chǎn)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(fā)和成品焙燒。文章從處理鋁土礦的類型出發(fā)，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(chǎn)氧化鋁工藝的蒸發(fā)設(shè)備及流程，并介紹了各種鋁酸鈉溶液蒸發(fā)工序的能耗和節(jié)能改造措施的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：拜爾法；鋁酸鈉溶液；蒸發(fā)器；氧化鋁；鋁土礦 文獻(xiàn)標(biāo)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(yè)發(fā)展迅猛，世界氧化鋁工業(yè)新增長的產(chǎn)能中90%為中國氧化鋁工業(yè)貢獻(xiàn)。我國近年來新建的氧化鋁廠大多采用拜爾法工藝生產(chǎn)氧化鋁，現(xiàn)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(chǎn)地和山東等方便進(jìn)口一水軟鋁石和三水鋁石的沿海地區(qū)。無論采用何種礦石，拜爾法處理鋁土礦生產(chǎn)氧化鋁工藝都具有流程短、能耗低、產(chǎn)品質(zhì)量高等特點(diǎn)。相對于燒結(jié)法與串聯(lián)法，在投資、生產(chǎn)管理、節(jié)能降耗等方面都具有巨大的優(yōu)勢。

拜爾法生產(chǎn)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(fā)和成品焙燒。溶出工段為氧化鋁工藝的反應(yīng)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(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。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(fā)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(dá)到溶出工段對堿溶液濃度的要求，使堿液循環(huán)利用。這四大工序構(gòu)成了拜爾法生產(chǎn)氧化鋁的基本流程。而蒸發(fā)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(xiàn)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(fā)方案。

2 拜爾法處理一水硬鋁石的蒸發(fā)工藝

處理一水硬鋁石生產(chǎn)氧化鋁的拜爾法工藝，鋁酸鈉溶液的濃度較高，蒸發(fā)原液（低濃度的蒸發(fā)進(jìn)料）Na2Ok（以氧化鈉的形式表示的堿含量）大約為170～190g/L。蒸發(fā)母液（高濃度的蒸發(fā)出料）Na2Ok大約為240～250g/L。河南、貴州、廣西等地區(qū)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(jìn)入氧化鋁生產(chǎn)系統(tǒng)。系統(tǒng)內(nèi)富集的碳酸鹽對氧化鋁的種子分解反應(yīng)過程有害，需要蒸發(fā)工段把部分鋁酸鈉溶液超高濃度濃縮至Na2Ok320g/L，進(jìn)一步降溫結(jié)晶排出碳酸鈉晶體。山西礦因礦石原因，系統(tǒng)內(nèi)碳酸鈉無富集，無需排鹽工序。鋁酸鈉溶液蒸發(fā)因黏度高、固含高、易結(jié)疤等特點(diǎn)，經(jīng)常年的工業(yè)實(shí)踐和學(xué)習(xí)、引進(jìn)國外的先進(jìn)技術(shù)，六效管式降膜蒸發(fā)器被現(xiàn)有氧化鋁生產(chǎn)業(yè)主廣泛采用?，F(xiàn)有新建的處理一水硬鋁石生產(chǎn)氧化鋁的拜爾法工藝，鋁酸鈉溶液蒸發(fā)工段一般采用六效管式降膜蒸發(fā)器組+強(qiáng)制循環(huán)排鹽蒸發(fā)器形式。蒸發(fā)器組是否包含強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)器由礦石的性質(zhì)決定，生產(chǎn)流程中無碳酸鈉富集的系統(tǒng)不需強(qiáng)制循環(huán)排鹽蒸發(fā)器。拜爾法處理一水硬鋁石工藝中應(yīng)用的六效管式降膜蒸發(fā)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(jìn)一步降低蒸發(fā)工段能耗，可以增加原液閃蒸器與自蒸發(fā)器數(shù)量，增加蒸汽的利用次數(shù)。

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

六效蒸發(fā)器組的設(shè)備一般包括：Ⅰ～Ⅵ效管式降膜蒸發(fā)器組；強(qiáng)制循環(huán)排鹽蒸發(fā)器；Ⅰ～Ⅲ級自蒸發(fā)器；原液閃蒸器；水冷器；Ⅰ～Ⅵ效冷凝水罐；各效循環(huán)泵；Ⅱ～Ⅵ效過料泵；出料泵等。圖1為六效管式降膜蒸發(fā)器流程圖。物料從四效、六效分兩段進(jìn)料，四效進(jìn)料經(jīng)四、三、二、一和蒸汽逆流換熱后，經(jīng)三級閃蒸后出料，六效進(jìn)料經(jīng)過五效與蒸汽逆流換熱后出料。新蒸汽從一效進(jìn)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(jìn)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(jìn)入水冷器，與循環(huán)水直接混合冷凝。新蒸汽冷凝水質(zhì)量高，可以直接回電廠補(bǔ)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(nèi)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(jīng)泵輸送至蒸發(fā)工段外，供氧化鋁廠其他工段使用。

圖1 六效管式降膜蒸發(fā)器流程圖

3 適用于處理一水軟鋁石的蒸發(fā)工藝

我國現(xiàn)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(qū)，礦石來源為進(jìn)口澳大利亞礦石。處理一水軟鋁石生產(chǎn)氧化鋁的拜爾法工藝中，鋁酸鈉溶液的濃度中等，蒸發(fā)原液Na2Ok大約為120～140g/L。蒸發(fā)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(fā)器組+強(qiáng)制循環(huán)排鹽蒸發(fā)器形式?，F(xiàn)有最常用的處理一水軟鋁石蒸發(fā)器組蒸水能力為240t/h，設(shè)備組成也與上述文字描述的六效管式降膜蒸發(fā)器相同。蒸發(fā)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(fā)工藝

我國現(xiàn)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(qū)，礦石來源為進(jìn)口印度尼西亞、幾內(nèi)亞礦石等。處理三水鋁石生產(chǎn)氧化鋁的拜爾法工藝中，鋁酸鈉溶液的濃度較低，蒸發(fā)原液Na2Ok大約為110～130g/L。蒸發(fā)母液Na2Ok大約為160～180g/L。三水鋁石工藝中，鋁酸鈉溶液蒸發(fā)同樣可以采用六效管式降膜蒸發(fā)器組+強(qiáng)制循環(huán)排鹽蒸發(fā)器形式。現(xiàn)有最常用的蒸水能力為240～280t/h，設(shè)備組成也與上述文字描述中的六效管式降膜蒸發(fā)器相同。蒸發(fā)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(chǎn)氧化鋁工藝中，鋁酸鈉溶液的濃度很低、沸點(diǎn)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(fā)器外，還可以使用七效管式降膜蒸發(fā)器。七效蒸發(fā)器流程基本與六效相同，相對于六效的優(yōu)點(diǎn)在于二次蒸汽的多一次利用。蒸汽的利用次數(shù)越多，汽耗越低也就越節(jié)約能源。

七效蒸發(fā)器組的設(shè)備一般包括：Ⅰ～Ⅶ效管式降膜蒸發(fā)器組；強(qiáng)制循環(huán)排鹽蒸發(fā)器；Ⅰ～Ⅳ級自蒸發(fā)器；原液閃蒸器；水冷器；Ⅰ～Ⅶ效冷凝水罐；各效循環(huán)泵；Ⅱ～Ⅶ效過料泵；出料泵等。

對于240t/h蒸發(fā)器組，七效相對于六效增加一臺管式降膜蒸發(fā)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(shè)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(yùn)行成本50萬元/年（自備電廠，用電按0.4元/kWh）。而七效蒸發(fā)器汽水比為0.17～0.19，對于一個年產(chǎn)50萬t的氧化鋁廠，相對于六效年節(jié)約蒸汽約3.2萬t。按每t蒸汽80元計，節(jié)約256萬元，扣除泵運(yùn)行增加成本，約兩年即可回收成本。

5 結(jié)語

對于處理一水硬鋁石、一水軟鋁石生產(chǎn)氧化鋁工藝而言，六效、七效管式蒸發(fā)器組是適用于處理物料要求、生產(chǎn)運(yùn)行成熟的設(shè)備。在節(jié)能降耗方面，應(yīng)根據(jù)處理礦石的特點(diǎn)盡量多次利用蒸汽，如盡可能多增加效數(shù)、多級原液閃蒸，多級出料自蒸發(fā)，多級冷凝水自蒸發(fā)等，實(shí)現(xiàn)氧化鋁廠的節(jié)能減排，為降低生產(chǎn)成本和我國的環(huán)保事業(yè)貢獻(xiàn)一份力量。

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

（責(zé)任編輯：黃銀芳）