鋁土礦溶出技術(shù)裝備大型化發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢分析

許文強，董 菲，王 寧

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

拜耳法是處理鋁土礦流程簡單、作業(yè)方便、產(chǎn)品質(zhì)量高的一種氧化鋁生產(chǎn)工藝，目前世界上95%以上的氧化鋁企業(yè)均采用拜耳法工藝處理鋁土礦。拜耳法生產(chǎn)工藝的核心是鋁土礦礦漿的溶出工序，其目的是使鋁土礦和循環(huán)母液在一定溫度下反應(yīng)，生成鋁酸鈉溶液，反應(yīng)式為：

Al2O3·(1或3)H2O+2NaOH+aq→2NaAl(OH)4+aq

由于世界各地鋁土礦礦石化學(xué)成分和礦相組成不同，所需要的溶出條件差別很大。國內(nèi)的礦石主要為一水硬鋁石型，普遍采用高溫、高堿的溶出工藝，國外的礦石主要為三水鋁石型，普遍采用低溫、低堿的溶出工藝。

目前中國一水硬鋁石型鋁土礦溶出工藝技術(shù)裝備主要有三類，分別是壓煮溶出技術(shù)裝備、管道化加停留罐溶出技術(shù)裝備和全管道化溶出技術(shù)裝備，都采用高壓蒸汽間接加熱技術(shù)。

以上溶出技術(shù)裝備在國內(nèi)總產(chǎn)能的應(yīng)用情況為，以一水硬鋁石為原料生產(chǎn)氧化鋁方面，從2008年至2016年，氧化鋁單線500～1000kt/a大型化管道化溶出拜耳法系列技術(shù)和大型化管道化加溶出拜耳法系列技術(shù)貢獻了中國總產(chǎn)能的33%，成為主流生產(chǎn)系列技術(shù)；以三水鋁石為原料生產(chǎn)氧化鋁方面，主流系列是單線400kt/a氧化鋁管道化溶出加停留罐拜耳法系列技術(shù)，約占目前中國總產(chǎn)能的17%，單線500kt/a管道化溶出加停留罐拜耳法系列技術(shù)發(fā)展迅速，目前已占中國總產(chǎn)能的14%；而過去從1954年至今約60年間投用的傳統(tǒng)壓煮溶出拜耳法技術(shù)和燒結(jié)法、混聯(lián)法技術(shù)只占目前中國總產(chǎn)能的36%。

近年來，我國在處理一水硬鋁石型鋁土礦技術(shù)方面取得了巨大的進步，特別是采用拜耳法大型管道化溶出技術(shù)處理中低等品位鋁土礦，完成了主體核心技術(shù)裝備及輔助裝備大型化、高效化、短流程和集約化轉(zhuǎn)變，從而實現(xiàn)了中低品位鋁土礦的經(jīng)濟生產(chǎn)，主要技術(shù)和經(jīng)濟指標達到世界先進水平，一定程度上克服了處理一水硬鋁石型鋁土礦在成本方面的不足，其低成本特征在市場競爭中得到了全球氧化鋁業(yè)界的認同。

1 發(fā)展現(xiàn)狀

中國氧化鋁生產(chǎn)技術(shù)從1954年起步，從1954年至1995年，中國處理一水硬鋁石型鋁土礦氧化鋁主流系列是單線約200kt/a氧化鋁系列技術(shù)，生產(chǎn)技術(shù)主要有處理中等品位鋁土礦的混聯(lián)法和處理低品位鋁土礦的燒結(jié)法等傳統(tǒng)技術(shù)。從1995年至2008年，拜耳法技術(shù)在中國迅猛發(fā)展，氧化鋁主流系列是處理A/S≥7～9的鋁土礦，單線≤400kt/a氧化鋁壓煮溶出拜耳法技術(shù)，以上傳統(tǒng)技術(shù)目前約占中國總產(chǎn)能的36%；2008年以前氧化鋁廠系列規(guī)模主要受核心單元壓煮溶出技術(shù)的規(guī)模限制，單線最大產(chǎn)能只有40萬噸。

近年來，隨著氧化鋁工業(yè)的迅猛發(fā)展，氧化鋁廠大型化已經(jīng)是世界氧化鋁技術(shù)發(fā)展的一個重要趨勢。氧化鋁廠大型化具有明顯的經(jīng)濟效益、環(huán)境效益和社會效益。要實現(xiàn)氧化鋁廠規(guī)模和裝置大型化必須首先實現(xiàn)溶出技術(shù)及裝備的大型化。中國一水硬鋁石型鋁土礦的理化特性，決定了拜耳法生產(chǎn)氧化鋁技術(shù)必須采用能耗高的高溫高堿濃度強化溶出技術(shù)，溶出技術(shù)及裝備的進一步大型化勢必帶來系統(tǒng)流量、系統(tǒng)阻力的成倍提高。更大規(guī)模的高壓設(shè)備制造難度大、投資高、成本高，這些都制約了中國氧化鋁單系列生產(chǎn)規(guī)模進一步大型化。

近些年，在總結(jié)氧化鋁各階段技術(shù)開發(fā)過程的經(jīng)驗基礎(chǔ)上，通過致力于氧化鋁節(jié)能減排技術(shù)及裝備的開發(fā)，在氧化鋁高壓溶出核心技術(shù)裝置大型化方面取得了突破性進展，東北大學(xué)設(shè)計研究院（NEUI）于2007年率先開發(fā)了當時國內(nèi)單組產(chǎn)能最大的500kt/a氧化鋁大型管道化加停留罐溶出技術(shù)及裝備[1]，并于2008年12月在孝義興安化工有限公司投運，成功解決了氧化鋁大型化的核心技術(shù)難題。這是當時中國拜耳法處理一水硬鋁石型鋁土礦第一條單組500kt/a氧化鋁的大型管道加停留罐溶出機組，取得了溶出高壓汽耗1.5t/t-Al2O3的領(lǐng)先技術(shù)經(jīng)濟指標。此后，NEUI對氧化鋁大型化技術(shù)進行了持續(xù)優(yōu)化開發(fā)，相繼開發(fā)出NEUI600～1000kt/a管道化加停留罐溶出技術(shù)[2]。

隨著NEUI大型管道化加停留罐溶出技術(shù)的持續(xù)開發(fā)，為進一步優(yōu)化氧化鋁廠核心技術(shù)，NEUI相繼開發(fā)出600～1000kt/a全管道化溶出技術(shù)及裝備，2014年，NEUI800kt/a在山西復(fù)晟鋁業(yè)率先投入產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，成功完成了氧化鋁大型化核心技術(shù)的再創(chuàng)新[3-5]；

中國一水硬鋁石型鋁土礦生產(chǎn)氧化鋁技術(shù)的進步，也促進了近年以進口三水鋁石礦為原料的氧化鋁企業(yè)的技術(shù)進步。以三水鋁石礦為原料的氧化鋁主流系列是單線＜400kt/a氧化鋁系列技術(shù)，約占目前中國總產(chǎn)能的17%，主要采用單流法大型管道化溶出技術(shù)。近年來，氧化鋁單線500kt/a系列技術(shù)發(fā)展迅速，目前已占中國總產(chǎn)能的14%，主要采用單流法大型管道化加停留罐溶出拜耳法技術(shù)。

2 影響溶出的因素及技術(shù)進步

一水硬鋁石鋁土礦本身具備的理化性能使其難磨、難溶。影響溶出過程的因素較多，傳統(tǒng)上根據(jù)溶出技術(shù)的影響因素確定的工藝技術(shù)指標近些年隨著生產(chǎn)實踐的不斷摸索，很多方面也發(fā)發(fā)生了跨越式的革新。主要體現(xiàn)在以下幾個方面[6]：

1)溶出溫度。溫度是溶出過程中最主要的影響因素，通常一水硬鋁石適宜的溶出溫度約為250～265℃。目前，隨著中國鋁土礦資源的匱乏，盡可能提高溶出溫度，從而達到更高的溶出率回收氧化鋁已經(jīng)成為普遍的發(fā)展趨勢。目前的生產(chǎn)實踐已經(jīng)普遍采用了265～280℃的溶出溫度。同時，溶出溫度的提高也意味著能耗的增大，所以針對不同地區(qū)的礦石性質(zhì)尋找適宜的能耗和溶出率的平衡點是確定溶出溫度的關(guān)鍵。

2)溶出時間。在鋁土礦溶出過程中，增加溶出時間，Al2O3的溶出率就會增加，直到達到最大溶出率。通常一水硬鋁石適宜的保溫溶出時間為50～60 min，隨著溶出溫度的提高，溶出時間必然也會相應(yīng)縮短。

3)循環(huán)母液堿濃度。相同條件下，循環(huán)母液堿濃度越高，鋁土礦中Al2O3的溶出速度越快。一水硬鋁石適宜的堿濃度（以苛性堿表示）為220～245g/L

4)攪拌強度。足夠大的攪拌強度可使整個溶液成分趨于均勻，從而強化傳質(zhì)過程，加速溶出效果。近年隨著生產(chǎn)實踐的不斷摸索，在充分考慮攪拌帶來的溶出率的提高以及生產(chǎn)運營中溶出攪拌消耗的一系列費用的情況下，取消溶出攪拌已經(jīng)為很多企業(yè)采用。

5)配料分子比。分子比數(shù)值越高，即單位重量的礦石的堿量越高，溶出速度越快，但是會降低循環(huán)效率，增大物料流量。通常溶出分子比為1.40～1.45。

近年隨著生產(chǎn)實踐的不斷摸索，在充分考慮配料分子比的提高以及降低循環(huán)效率消耗的一系列費用的情況下，溶出分子比在探索中有逐步降低的趨勢。

6)礦石細磨程度。在一定程度上，礦石粒度越細，溶出速率越大，但礦石粒度過細將造成赤泥分離洗滌困難，增加運營成本。磨礦細度為0.15～0.4mm。

生產(chǎn)氧化鋁的拜耳法溶出技術(shù)經(jīng)過在中國經(jīng)過幾十年的實踐應(yīng)用，影響一水硬鋁石型鋁土礦溶出的主要因素還是以上一些方面，溶出技術(shù)的基礎(chǔ)理論基本沒有改變，但是最適宜的一水硬鋁石型鋁土礦溶出的技術(shù)指標在生產(chǎn)實踐中經(jīng)過多年的摸索，很多方面也發(fā)發(fā)生了跨越式的革新。特別是在如何采取適宜的技術(shù)指標達到生產(chǎn)運營成本最低、檢修費用更低，將理論研究與與實際生產(chǎn)更完美的實踐結(jié)合等方面中國鋁工業(yè)已經(jīng)有了長足進步。

在確定了最適宜的一水硬鋁石型鋁土礦溶出的技術(shù)指標的基礎(chǔ)上，采用何種溶出技術(shù)及裝備實現(xiàn)以上技術(shù)指標并且達到投資最低、運行成本最低、節(jié)能、環(huán)保、安全、簡化生產(chǎn)操作及清理檢修則是氧化鋁企業(yè)最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。

3 裝備大型化技術(shù)方案分析

3.1 傳統(tǒng)壓煮溶出技術(shù)裝備

傳統(tǒng)上國內(nèi)規(guī)模較大的氧化鋁廠鋁土礦礦漿的溶出工藝多采用壓煮溶出技術(shù)裝備，最大處理礦漿量僅為500m3/h，即對應(yīng)氧化鋁廠單系列最大產(chǎn)能只有～400kt/a氧化鋁[7-8]。壓煮溶出技術(shù)主要的生產(chǎn)設(shè)備為套管預(yù)熱器+預(yù)熱壓煮器+加熱壓煮器+保溫壓煮器+閃蒸器。壓煮溶出技術(shù)裝備存在以下弊端：

1）理論和生產(chǎn)實踐證明，預(yù)熱壓煮器采用閃蒸汽的二次汽加熱，加熱壓煮器采用新蒸汽加熱，礦漿在壓煮器的管束上容易結(jié)疤，傳熱系數(shù)僅為540～650Kcal/m2.h.℃，熱利用率低。另外只有壓煮器內(nèi)的加熱管束被料漿完全淹沒時，加熱面積的利用率才是最大的，熱效率才最高，因此運行時必須通過定期開啟不凝性氣體管道上的閥門將料漿不凝性氣體予以排除，才能達到壓煮器內(nèi)的加熱管束利用率最大。

2)壓煮溶出工藝的壓力容器多，投資大。特別是預(yù)熱壓煮器和加熱壓煮器都是內(nèi)部裝有加熱管束，加熱管束數(shù)量多，至少占用了14～16臺溶出器。而14～16臺溶出器的投資遠遠大于容器內(nèi)加熱管束的投資。且壓煮器須配備攪拌等設(shè)施，增加了一系列投資和運營成本。

3)壓煮溶出工藝預(yù)熱壓煮器和加熱壓煮的加熱管結(jié)疤清理困難，不能采用簡單的水力清洗。需配套酸洗站、堿洗設(shè)施和火法清理設(shè)施，從而又增加了工程投資和運營成本。

4)壓煮器設(shè)備尤其受到設(shè)備制造難度的限制，很難繼續(xù)增大單臺設(shè)備處理能力。

3.2 大型管道化加停留罐溶出技術(shù)裝備

NEUI于2007年率先開發(fā)的當時國內(nèi)單組產(chǎn)能最大的500kt/a氧化鋁大型管道化加停留罐溶出技術(shù)及裝備[3]，成功解決了氧化鋁大型化的核心技術(shù)難題。這是當時中國拜耳法處理一水硬鋁石型鋁土礦第一條單組500kt/a氧化鋁的大型管道加停留罐溶出機組，取得了溶出高壓汽耗1.5t/t-Al2O3的領(lǐng)先技術(shù)經(jīng)濟指標。此后，NEUI對氧化鋁大型化技術(shù)進行了持續(xù)優(yōu)化開發(fā)，相繼開發(fā)出NEUI600～1000kt/a管道化加停留罐溶出技術(shù)。同傳統(tǒng)溶出技術(shù)相比，該技術(shù)節(jié)能效果達1.71GJ/t-Al2O3，節(jié)約占地30%，減少勞動定員36%，降低投資35%。大型管道化加停留罐溶出技術(shù)主要的生產(chǎn)設(shè)備為套管預(yù)熱器+套管加熱器+保溫停留罐+閃蒸器。該技術(shù)優(yōu)勢如下：

1）實現(xiàn)了技術(shù)裝備大型化。本技術(shù)裝備處理礦漿能力大，突破了壓煮溶出工藝處理礦漿能力的限制，本工藝單套設(shè)備處理礦漿量可達到約650～1000m3/h，相比壓煮溶出工藝提高處理量約1.5～2倍。

2）節(jié)能型工藝，熱利用率高。采用多內(nèi)管套管預(yù)熱器和加熱器進行鋁土礦礦漿的預(yù)熱及加熱，在本工序的操作溫度范圍內(nèi)，傳熱系數(shù)可達到900～1200Kcal/m2.h.℃，相比傳統(tǒng)溶出工藝綜合節(jié)能30%以上。

3）降低工程投資和運營成本。多內(nèi)管套管預(yù)熱器和加熱器比預(yù)熱壓煮器和加熱壓煮器投資大大降低，并且壓煮器需要設(shè)置機械攪拌以及潤滑油系統(tǒng)，需要耗電，而采用多內(nèi)管套管預(yù)熱器和加熱器不存在這方面的投資。

4）多內(nèi)管套管預(yù)熱器和加熱器清洗簡便，運行周期長。相比壓煮溶出工藝預(yù)熱壓煮器和加熱壓煮器的加熱管結(jié)疤清理困難、清洗時間長的問題，采用本工藝多內(nèi)管套管預(yù)熱器和加熱器一般只需要定期進行水力清洗，簡單方便，且無酸堿對設(shè)備的腐蝕以及酸堿對環(huán)境的影響。

5）采用無攪拌系統(tǒng)停留反應(yīng)器，降低了系統(tǒng)的維護工作，減少了運營費用。

6）采用水冷式乏汽回收器回收傳統(tǒng)工藝需要外排的二次蒸汽，減少了能量損失。

7）采用全程管道保溫代替壓煮溶出工藝的保溫廠房保溫，降低投資且方便生產(chǎn)操作。

8）工藝配管簡單，生產(chǎn)操作及清理檢修方便，降低了生產(chǎn)操作難度和檢修難度。

3.3 大型全管道化溶出技術(shù)裝備

隨著NEUI大型管道化加停留罐溶出技術(shù)的持續(xù)開發(fā)，NEUI相繼開發(fā)出600～1000kt/a全管道化溶出技術(shù)及裝備，再次開創(chuàng)了中國氧化鋁廠全管道化溶出技術(shù)大型化的先河。大型全管道化溶出技術(shù)裝備實現(xiàn)了單線年產(chǎn)100萬噸氧化鋁管道化溶出一水硬鋁石低品位礦石成套技術(shù)裝備，取得了溶出高壓汽耗1.40t/t-Al2O3的領(lǐng)先技術(shù)經(jīng)濟指標，其主要生產(chǎn)裝備為套管預(yù)熱器+套管加熱器+大型管道保溫器+閃蒸器。大型全管道化溶出技術(shù)裝備主要創(chuàng)新點如下：

1）采用雙組三內(nèi)管高熱效率加熱器并聯(lián)技術(shù)，解決了大口徑無縫鋼管制造難度大、熱效率低的問題，提高了運轉(zhuǎn)率；有效的降低了管道系統(tǒng)阻力和隔膜泵功率，提高了蒸汽熱利用率，雙并聯(lián)技術(shù)還可以互為切換清洗，清洗簡便，運行周期長，大幅降低了停車及檢修時間，設(shè)備一次投資費用和運行費用大大降低；

2）集成應(yīng)用了高溫冷凝水加熱礦漿節(jié)能技術(shù)。

3）采用大型管道保溫器裝備代替了大型管道化加停留罐溶出技術(shù)的停留罐，管道化溶出技術(shù)處理一水硬鋁石鋁土礦，高溫高堿高壓工況下管式反應(yīng)器更加安全可靠，制造周期短、投資費用低、運行費用省，降低了生產(chǎn)運營的難度，有效提高了能量利用率。

4）采用自蒸發(fā)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)：通過優(yōu)化自蒸發(fā)器內(nèi)部捕液器，解決了大型閃蒸器二次乏氣帶料問題；有效降低熱損失，提高蒸汽熱利用率；

5）采用自蒸發(fā)器底部出料、階梯布置技術(shù)，解決了自蒸發(fā)器大型化后易于積料、閃蒸量不足的問題，提高了熱能利用率；

6）將預(yù)脫硅加熱套管與溶出套管一體化集成配置，末級閃蒸二次蒸汽直接進入預(yù)脫硅套管，縮短輸送距離，降低管網(wǎng)負荷，提高熱利用率；并減少了前段工序占地，便于管理和維護；

4 結(jié)論

一水硬鋁石型鋁土礦普遍采用高溫、高堿濃度的溶出方式，不同的一水硬鋁石型鋁土礦處理條件也有較大差別。因此針對不同礦石，應(yīng)以礦石加工試驗報告為依據(jù)，結(jié)合實踐經(jīng)驗，確定其具體的處理條件和技術(shù)指標，同時也要根據(jù)項目規(guī)模、現(xiàn)場施工條件等情況綜合考慮，最終確定選用何種溶出技術(shù)裝備。

近十年中國氧化鋁拜耳法生產(chǎn)技術(shù)裝備的發(fā)展經(jīng)歷了從單線小規(guī)模、高能耗、低效率向單線大規(guī)模、低能耗、高效率發(fā)展的過程，對于氧化鋁企業(yè)來說，大型化是降低成本、節(jié)能減排最有效途徑之一。大型管道化加停留罐溶出技術(shù)裝備和大型全管道化溶出技術(shù)裝備符合大型化趨勢的要求，近年該技術(shù)裝備發(fā)展迅速，目前已占中國氧化鋁總產(chǎn)能的33%，該技術(shù)使低品位的一水硬鋁石型鋁土礦實現(xiàn)了經(jīng)濟生產(chǎn)，生產(chǎn)裝置的大型化促成了投資成本和運行成本的大幅降低。特別是隨著NEUI1000kt/a大型管道化溶出拜耳法技術(shù)于2016年投產(chǎn)，氧化鋁大型化技術(shù)的產(chǎn)能占比將會進一步提升。同時按照國家一帶一路、兩化融合戰(zhàn)略，實現(xiàn)溶出技術(shù)裝備進一步智能化創(chuàng)新技術(shù)，將先進技術(shù)裝備輸向國外，有助于實現(xiàn)我國從“鋁工業(yè)大國”走向“鋁工業(yè)強國”綠色發(fā)展的跨越。