氧化鋁工藝節(jié)能分析及優(yōu)化設(shè)計應(yīng)用

金 剛，楊小平

(貴陽鋁鎂設(shè)計研究院有限公司，貴州 貴陽 550081)

0 引 言

拜耳法氧化鋁生產(chǎn)中能耗大約占生產(chǎn)成本的30%，隨著能源價格不斷上漲，節(jié)能降耗就成為降低氧化鋁生產(chǎn)成本的重要途徑之一。2010年前中國一水硬鋁石拜耳法生產(chǎn)氧化鋁的綜合能耗通常在10～13 GJ/t-Al2O3，近幾年來中國氧化鋁行業(yè)在節(jié)能降耗上取得了一定的成果，一些設(shè)計新建采用一水硬鋁石礦生產(chǎn)的氧化鋁廠，氧化鋁綜合能耗已經(jīng)降到了9.5 GJ/t-Al2O3以下，處于世界同類型企業(yè)的領(lǐng)先水平。目前，氧化鋁工藝的優(yōu)化設(shè)計已經(jīng)逐步在國內(nèi)氧化鋁行業(yè)中得到應(yīng)用，也成為了企業(yè)降本增效的必要條件和措施。如何降低新建和已有氧化鋁廠的生產(chǎn)能耗和成本，工藝優(yōu)化設(shè)計將成為關(guān)鍵因素，也將成為未來氧化鋁技術(shù)發(fā)展的方向和趨勢。

1 氧化鋁工藝能耗分析及節(jié)能降耗方向

1.1氧化鋁工藝能耗分析

在拜耳法生產(chǎn)氧化鋁過程中，工藝能耗主要由蒸汽、電力、水、壓縮空氣和焙燒燃料組成，如圖1，其中蒸汽、電力和焙燒燃料3項占工藝能耗約95 %，氧化鋁系統(tǒng)節(jié)能降耗的關(guān)鍵就在于如何盡可能地降低這3項能耗。目前我國氧化鋁工藝設(shè)計中焙燒爐均采用流態(tài)化焙燒爐，其中比較先進(jìn)的焙燒爐能耗也已降至2.9 GJ/t-Al2O3以下，再繼續(xù)降低能耗的空間不大，因此進(jìn)一步降低蒸汽和電力的消耗也就成為優(yōu)化設(shè)計節(jié)能降耗的研究方向。

1.2 氧化鋁節(jié)能降耗方向

1.2.1 蒸汽能耗分析及節(jié)能降耗方向

在氧化鋁生產(chǎn)系統(tǒng)中蒸汽的消耗是最大的能耗介質(zhì)，全廠蒸汽主要是用于溶出礦漿的加熱和分解母液的蒸發(fā)濃縮，另外預(yù)脫硅礦漿的加熱、全廠用熱水的加熱、各工序的化學(xué)清洗液加熱等也需要消耗蒸汽。溶出工序的蒸汽消耗是氧化鋁系統(tǒng)蒸汽的主要消耗，對于一水硬鋁石礦生產(chǎn)氧化鋁，溶出汽耗在1.50～1.75 t/t-Al2O3，而蒸發(fā)等其它工序汽耗約在0.5～0.75 t/t-Al2O3。

圖1 氧化鋁工藝能耗分布比例圖

近年來，高溫高壓溶出技術(shù)有了較大的改進(jìn)和優(yōu)化，采用全管道化溶出技術(shù)已經(jīng)大大提高了換熱效率，使得溶出的實際汽耗已經(jīng)十分接近理論值，因此，對于溶出工序進(jìn)一步降低汽耗的措施應(yīng)該是提高相對溶出率從而提高全廠循環(huán)效率，同時減少蒸汽輸送過程的損失，這是溶出工序進(jìn)一步節(jié)能降耗的有效途徑和方向。

蒸發(fā)的汽耗也是氧化鋁系統(tǒng)能耗較大的一個工序，目前氧化鋁行業(yè)應(yīng)用最廣泛的是六效逆流降膜蒸發(fā)技術(shù)，其蒸發(fā)汽水比一般可達(dá)到0.24 t-汽/t-水以下，近年來新型的七效逆流降膜蒸發(fā)技術(shù)也開始逐漸使用，其汽水比可降至0.2 t-汽/t-水以下。因此，對于蒸發(fā)工序進(jìn)一步降低汽耗的措施主要是采用新型節(jié)能蒸發(fā)技術(shù)，并充分回收乏汽余熱，以及減少蒸汽輸送過程的損失，這是蒸發(fā)工序進(jìn)一步節(jié)能降耗的有效途徑和方向。

1.2.2 電耗分析及節(jié)能降耗方向

在氧化鋁生產(chǎn)系統(tǒng)中電耗是第三大能耗，對于國內(nèi)的一水硬鋁石拜耳法氧化鋁廠，其工藝電耗約在220～260 kwh/t-Al2O3，工藝電耗主要是氧化鋁生產(chǎn)系統(tǒng)各種設(shè)備用電，其中物料輸送所耗電占整個電耗約80%以上。因此，降低電耗的有效措施要從降低生產(chǎn)系統(tǒng)小時物料流量減少輸送設(shè)備用電負(fù)荷、采用合理的總圖布局和車間配置整合以減少物料輸送距離入手，這是進(jìn)一步降低全廠工藝電耗的有效途徑和方向。

2 氧化鋁節(jié)能優(yōu)化技術(shù)的設(shè)計應(yīng)用

2.1 系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化

循環(huán)效率是評判整個氧化鋁生產(chǎn)系統(tǒng)能效成本的關(guān)鍵指標(biāo)，循環(huán)效率越高則氧化鋁生產(chǎn)系統(tǒng)的單位能耗和生產(chǎn)成本越低，而與之相關(guān)的3個因素分別為循環(huán)母液Nk濃度、溶出液Rp1及分解母液Rp2。從循環(huán)效率公式η=Nk×(Rp1—Rp2)來看，提高循環(huán)效率主要是提高系統(tǒng)循環(huán)母液堿濃度、提高溶出率和分解率。

經(jīng)計算，當(dāng)循環(huán)母液Nk濃度從240 g/L提高至250 g/L，溶出液Rp1從1.15提高至1.18，分解母液Rp2從0.58降低至0.55時，其循環(huán)效率可從136.8 kg/m3提高至157.5 kg/m3，也就意味著氧化鋁生產(chǎn)系統(tǒng)的單位能耗和成本分別可降低約15 %。因此，從系統(tǒng)節(jié)能綜合考慮，氧化鋁生產(chǎn)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計應(yīng)適當(dāng)?shù)靥岣哐h(huán)母液堿濃度，選擇最佳的溶出溫度來提高溶出率，制定最優(yōu)的分解制度來提高分解率，以盡可能地提高循環(huán)效率，達(dá)到整個氧化鋁生產(chǎn)系統(tǒng)節(jié)能降耗的目的。

2.2 新型節(jié)能技術(shù)及大型設(shè)備的研發(fā)應(yīng)用

新型節(jié)能技術(shù)和大型設(shè)備的研發(fā)應(yīng)用使氧化鋁工業(yè)節(jié)能降耗的水平更上一層樓。

近年來，我國氧化鋁行業(yè)研發(fā)了一些新型的節(jié)能技術(shù)，其中包括七效逆流降膜蒸發(fā)技術(shù)，其蒸發(fā)汽水比可達(dá)到0.18 t-汽/t-水，比六效蒸發(fā)節(jié)約汽耗約20 %以上，其節(jié)能效果明顯，目前在我國某氧化鋁廠已經(jīng)建成投產(chǎn)，運(yùn)行情況良好。

設(shè)備大型化也是一種有效的節(jié)能途徑，它可以減少設(shè)備數(shù)量和設(shè)備運(yùn)行功率，如分解采用大型Φ18×42 m的分解槽技術(shù)不僅減少了分解槽數(shù)量和投資，還可節(jié)約運(yùn)行電耗，同樣規(guī)模產(chǎn)能的分解系統(tǒng)，采用Φ18 m大型分解槽技術(shù)可節(jié)約42 %左右的電耗。

另外，在蒸發(fā)工序各效蒸發(fā)器蒸汽管上采用新型的減溫減壓器，可減少蒸汽的過飽和度，提高蒸汽的熱利用率，從而降低蒸發(fā)汽耗約5.3 %。在氧化鋁廠的各個循環(huán)水站采用新型的無電耗水能機(jī)，可取消原循環(huán)水站的輸送泵，節(jié)約電耗約4.6 kWh/t-Al2O3。

2.3 總圖布局節(jié)能優(yōu)化設(shè)計

在氧化鋁全廠的總圖布局上，如果布置合理可大大減少物流的輸送距離，節(jié)約物料的輸送能耗和管路損失，也是氧化鋁系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化設(shè)計的一個重要手段?？倛D布局的節(jié)能優(yōu)化設(shè)計主要有以下幾點(diǎn)：

1)按照氧化鋁工藝流程的特點(diǎn)，各個工藝車間可單向循環(huán)成“回”字形布置，避免物料流向出現(xiàn)往返和交叉，從而可減少物料輸送的能耗。

2)根據(jù)總圖場地的高差，合理布局相鄰車間，利用地勢的高位差自壓輸送溶液和料漿，減少或取消輸送泵，節(jié)約電耗。如預(yù)脫硅車間可布置在溶出高壓隔膜泵車間的高處，分解槽可根據(jù)場地高差逐級布置等等。

3)將熱電站、溶出和蒸發(fā)車間布置在相鄰附近，盡量減少蒸汽輸送管線長度，可有效減少蒸汽管路損失，從而節(jié)約全廠汽耗。

4)在保證消防安全的前提下，車間之間的間距盡可能減小，保證總圖布局緊湊，縮小全廠占地面積，不僅可節(jié)約投資，還可以大大減少輸送物料的能耗。

2.4 車間配置整合節(jié)能優(yōu)化設(shè)計

氧化鋁工藝流程復(fù)雜，車間數(shù)量較多，因此對于車間配置的優(yōu)化整合，可有效減少動力設(shè)備數(shù)量，縮短物料的輸送距離，節(jié)約物料的輸送能耗和管路損失，也是氧化鋁系統(tǒng)節(jié)能的另一個有效措施。車間配置整合的節(jié)能優(yōu)化設(shè)計主要有以下幾點(diǎn)：

1)整合工序，減少車間數(shù)量，從而可減少動力輸送設(shè)備，節(jié)約電耗。如將原料磨、預(yù)脫硅和高壓泵房整合成一個原礦漿制備車間，將赤泥沉降、熱水站、赤泥輸送及絮凝劑制備整合成一個赤泥漿液處理車間，將蒸發(fā)、分解、焙燒等循環(huán)水整合成一個綜合循環(huán)水系統(tǒng)等。

2)根據(jù)工藝流程路線，將部分車間在空間高度上逐級配置，利用設(shè)備之間高位差自壓輸送物料，取消部分輸送設(shè)備，節(jié)約電耗。如將成品過濾、控制過濾、排鹽苛化、精液熱交換上下分層配置成一個綜合過濾車間，將種子過濾、母液浮游物回收配置在分解槽頂，集中成一個分解過濾車間等。

3 節(jié)能優(yōu)化設(shè)計應(yīng)用效果

對于新建氧化鋁廠和已建氧化鋁廠來說，節(jié)能優(yōu)化設(shè)計是企業(yè)節(jié)能降耗的關(guān)鍵因素，對進(jìn)一步降低能耗及成本都起著至關(guān)重要的作用。

3.1 節(jié)能優(yōu)化設(shè)計應(yīng)用實例

近五年來，我國部分新建氧化鋁廠已經(jīng)開始逐漸采用了節(jié)能優(yōu)化設(shè)計的思路和方法，在建成投產(chǎn)后其生產(chǎn)指標(biāo)也大大優(yōu)于中國氧化鋁行業(yè)的平均水平。表1是2015年建成投產(chǎn)的國內(nèi)某氧化鋁廠采用了部分節(jié)能優(yōu)化設(shè)計后的生產(chǎn)指標(biāo)，包括對系統(tǒng)循環(huán)效率、全廠總圖布局、車間整合配置的優(yōu)化設(shè)計等，其指標(biāo)在全國氧化鋁行業(yè)處于領(lǐng)先水平。

表1 國內(nèi)某氧化鋁廠節(jié)能優(yōu)化設(shè)計生產(chǎn)指標(biāo)

3.2 節(jié)能優(yōu)化設(shè)計效果

隨著節(jié)能優(yōu)化設(shè)計的深入研究和應(yīng)用，還可提升進(jìn)一步節(jié)能降耗的潛能，以目前國內(nèi)拜耳法氧化鋁廠現(xiàn)有的平均能耗指標(biāo)為基礎(chǔ)，對新建規(guī)模為1 500 kt/a以上的氧化鋁廠，通過采用上述所有的節(jié)能優(yōu)化設(shè)計后，其能耗指標(biāo)對比如表2所示。

表2 氧化鋁生產(chǎn)系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化設(shè)計對比表

從表2可以看出，通過采用節(jié)能優(yōu)化設(shè)計，可使氧化鋁生產(chǎn)企業(yè)的能耗水平進(jìn)一步降低，全廠工藝汽耗、電耗和綜合能耗均能節(jié)約10 %以上，單位氧化鋁生產(chǎn)成本可降低約30 元/t-Al2O3，其節(jié)能降本效果明顯。

4 結(jié) 語

隨著能源價格的上漲，氧化鋁生產(chǎn)的節(jié)能降耗已成為未來氧化鋁工業(yè)降本增效的重要措施之一，在現(xiàn)有氧化鋁企業(yè)已有的生產(chǎn)指標(biāo)下再進(jìn)一步降低能耗已經(jīng)成為未來氧化鋁節(jié)能降耗研究的方向和趨勢。分析氧化鋁能耗分布，對整個氧化鋁生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能優(yōu)化設(shè)計，可以有效地降低氧化鋁生產(chǎn)系統(tǒng)的汽耗、電耗及綜合能耗，也是進(jìn)一步降低氧化鋁企業(yè)生產(chǎn)成本的關(guān)鍵。