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engineering design of alumina refinery
简介
以铝矿石、霞石、明矾石或煤灰等为原料，用碱液直接溶出或用火法烧结(或煅烧)后溶出，制成铝酸钠溶液，再经净化、结晶和焙烧，最终获得氧化铝的轻金属冶炼厂设计等。设计范围包括：氧化铝厂原燃料准备设计、氧化铝厂铝矿石溶出设计、氧化铝厂生料烧结设计、氧化铝厂熟料溶出设计、氧化铝厂赤泥分离与洗涤设计、氧化铝厂粗液脱硅与硅渣分离设计、氧化铝厂精液分解氢氧化铝分离与洗涤设计、氧化铝厂母液蒸发与结晶碱分离设计、氧化铝厂氢氧化铝焙烧设计和氧化铝厂综合回收设计等。
氧化铝厂的设计内容主要包括：设计规模、产品方案、生产方法与工艺流程、主要设备选择及配置、车间组成和技术经济指标。
简史 1892年初，在法国加丹(Gardanne)建成了世界上第一个用拜耳(K.E.Bayer)法生产的氧化铝厂。到20世纪90年代初，世界氧化铝的年总产能力约为4500万t。氧化铝厂的建设规模朝着大型化方向发展，年产百万吨以上的氧化铝厂已超过10个。世界上最大的氧化铝厂在澳大利亚，年产能力达330万t。氧化铝的工业生产，几乎都采用碱法，大多以铝矿石为原料，并以流程最为简单的拜耳法为主，采用碱法生产的氧化铝约占全世界氧化铝生产总量的90%以上。以铝矿石为原料的生产方法尚有碱石灰烧结法和将拜耳法与烧结法组合在一起的联合法。拜耳法要用高品位的铝矿石作原料，烧结法和联合法可处理较低品位和中等品位的铝矿石。此外，还有用霞石、明矾石和煤灰为原料用火法烧结、碱液溶出，提取氧化铝的工厂。
前苏联于1932年建成第一个用碱石灰烧结法生产氧化铝的工厂，开始用低品位的铝矿石为原料，以后改用霞石。至80年代末已建有用拜耳法、碱石灰烧结法和联合法生产氧化铝的工厂以及用本国霞石和明矾石为原料的氧化铝厂。美国在20世纪40年代初有4个使用联合法生产氧化铝的工厂，50年代又建1个使用联合法生产的厂，但至80年代中已全部关闭。波兰和美国有用煤灰为原料的小氧化铝厂。中国的氧化铝厂，根据铝矿石资源状况(多为中、低品位矿)，主要采用联合法和碱石灰烧结法。
在1949年前，中国仅台湾有1个小氧化铝厂。从20世纪50年代初开始，首先对40年代停建的山东氧化铝厂进行恢复建设，然后是郑州、贵州、山西、中州、平果氧化铝厂的新建及山东、郑州和贵州氧化铝厂的多期改、扩建。工厂的设计年产能量，从山东铝厂第一期的3.5万t到山西铝厂的120万t，建设规模增大数十倍，生产方法亦由单纯的碱石灰烧结法发展到技术复杂的联合法。
设计规模 设计规模主要由下列因素决定：产品的市场情况，当地建厂及原燃料供应条件，生产方法及主要设备规格和台套，液体用泵输送的可靠性，产品成本比较等。一般，铝土矿品位低时采用烧结法;品位高时采用拜耳法;中等品位，规模大时采用联合法。拜耳法的规模，最小为3万t/a，最大可达300万t/a以上;烧结法的规模，最小为6万t/a，最大可达89万t/a;联合法的起步规模一般为40万t/a，最大可达100万t/a以上。
产品方案 世界各国生产的氧化铝，约90%用于生产电解铝，称为冶金级氧化铝。其余多达百计的品种，用于石油、化工、轻工、电子和建材等行业，称为非冶金级氧化铝(包括氢氧化铝)。氧化铝根据物理性能指标，可分为砂状氧化铝和粉状氧化铝(介于二者之间的称为中间状氧化铝)。自焙阳极电解槽和侧部加料预焙阳极电解槽，可用粉状或中间状氧化铝为原料。中间加料的大型预焙阳极电解槽，则以砂状氧化铝为原料。
生产方法与工艺流程 氧化铝生产方法有碱法、酸法、酸碱联合法和热法四种，工业上几乎全部采用碱法。以铝矿石为原料的碱法生产可分为拜耳法、碱石灰烧结法和联合法，而联合法又分为串联法、并联法和混联法三种。用其他原料生产氧化铝的方法，都用火法烧结、碱液溶出，原理上也属于碱法。
以铝矿石为原料的碱法生产氧化铝的原理是用碱与矿石中的氧化铝反应，转变成铝酸钠。铝酸钠溶液经净化、结晶析出氢氧化铝，焙烧后得到氧化铝。
生产方法的选择主要依据铝矿石的品位及其加工特性。铝矿石的铝硅比(矿石中Al2O3和可反应SiO2含量的质量比)是衡量铝矿石品位的主要指标，也是确定生产方法、选择工艺流程的重要依据。铝矿石铝硅比在3.5～4.5和工厂规模在年产40万t以下时，一般采用碱石灰烧结法。铝硅比在8以上时，可以采用拜耳法。铝硅比在4.5～8之间(或8以上)和工厂规模在年产40万t以上时，采用联合法较经济。具体采用哪种方法，要根据技术经济比较确定。
拜耳法 碱法生产氧化铝方法的一种。以化学家拜耳(K.E.Bayer)命名。将铝矿石和循环碱液(或石灰)共同磨细成原矿浆，加热使矿石中的氧化铝溶解，生成铝酸钠溶液，与不溶残渣(赤泥)分离后，经净化、分解，析出氢氧化铝，焙烧得氧化铝。(图1)。
图 1 拜耳法生产氧化铝的工艺流程图
(虚线表示可能产生的流程)
拜耳法工艺流程简单，综合能耗低，但要求高品位优质铝矿石做原料。
碱石灰烧结法 碱法生产氧化铝方法的一种。将铝矿石、石灰石(或石灰)、纯碱和循环碱液共同磨细成生料浆，经高温烧结成熟料块，矿石中氧化铝生成固体铝酸钠，再加调整液使之溶解为铝酸钠溶液，与不溶残渣(赤泥或褐泥)分离后，经脱硅、净化、分解析出氢氧化铝、焙烧获得氧化铝。工艺流程见图2。
碱石灰烧结法流程较拜耳法复杂，氧化铝回收率较拜耳法高，综合能耗最高，但可处理低品位铝矿石，使用较廉价的纯碱来补充生产过程中的碱耗。
联合法 拜耳法和烧结法两种工艺流程的组合。按组合方式不同，有串联法、并联法和混联法三种。(1)串联法。是将拜耳法生产系统和烧结法生产系统串接进行生产的方法。铝矿石进入拜耳法系统溶出，分离出的赤泥，全部送烧结法系统，加入石灰石和纯碱等配制成生料浆，经烧结并用碱液溶出，制成铝酸钠溶液，净化后成为精液，然后与拜耳法系统的精液合并，进行搅拌分解，析出氢氧化铝，经焙烧后成为氧化铝。此种方法可处理中等品位的铝矿石。(2)并联法。是将拜耳法系统和烧结法系统平行组合生产的一种方法。高品位铝矿石进拜耳法系统，低品位矿石进烧结法系统。两个系统各自产出的氢氧化铝合并焙烧后成为氧化铝。(3)混联法。兼有串联法和并联法特点的方法。铝矿石分别加入拜耳法系统和烧结法系统，拜耳法系统产出的赤泥送烧结法系统，再加入石灰石、纯碱和铝矿石一起配制成生料浆，经焙烧、溶出、脱硅等过程所得精液，部分并入拜耳法系统，用搅拌分解析出氢氧化铝，其余用碳酸化分解析出氢氧化铝，再经洗涤、焙烧获得氧化铝。工艺流程见图3。此法中的拜耳法系统可用中等品位的铝矿石。
图2 碱石灰烧结法生产氧化铝的工艺流程图
(虚线表示可能产生的流程)
图3 混联法生产氧化铝工艺流程图
(虚线表示可能产生约流程)
联合法中除并联法中的拜耳法系统外，对铝矿石品位要求均不太严格，但工艺流程最长，综合能耗介于拜耳法和烧结法之间。
主要设备 包括生产设备和辅助生产设备。
生产设备有：(1)破碎、研磨设备。包括各种破碎机、球磨机等;(2)压力反应设备。包括溶出器、脱硅器等;(3)高温火法设备。包括回转窑、石灰炉、流态化焙烧炉等;(4)热交换设备。包括列管换热器、套管换热器、板式换热器等;(5)蒸发设备。包括膜式蒸发器，自然或强制循环蒸发器等;(6)液固分离设备。包括各种类型沉降槽，加压和真空过滤机等;(7)装卸堆取物料设备;(8)包装设备。
辅助生产设备有各种槽、罐、分级设备、吸尘设备、固体和流体物料输送设备以及风机等。
车间组成 与生产方法有关，流程最复杂的联合法由原燃料准备、铝矿石溶出、赤泥分离洗涤(拜耳法)、生料烧结、熟料溶出和赤泥分离洗涤、粗液脱硅与硅渣分离、精液分解与氢氧化铝分离洗涤、氢氧化铝焙烧、氧化铝包装和母液蒸发等主要生产工序(或车间)组成。
单纯拜耳法中，不包括生料烧结、熟料溶出和赤泥分离洗涤、粗液脱硅和硅渣分离工序。单纯碱石灰烧结法中，不包括铝矿石溶出和拜耳法赤泥分离洗涤工序。
技术特点 主要有：(1)氧化铝厂的工业场地要求宽阔、平坦、生产厂区的长宽比接近1.5：1为宜。(2)工厂排出物料中均含有碱及其它杂质、每吨氧化铝产出赤泥约1～2t，除烧结法、串联法和混联法的少量赤泥可利用于生产水泥和其它建筑材料外，大部分需利用自然地形择地堆存，堆场要作防渗处理，以防污染环境。生产污水回收后循环利用。废气均须经处理后排放。(3)部分厂房建筑物和构筑物及有关设施，要考虑防碱。(4)干法车间产生的粉尘、磨机和风机的噪声以及高温湿法车间的湿、热等，设计均须采取相应处理措施。(5)氧化铝厂热、电用量较大，一般均自建热电站。
技术经济指标 以一水硬铝石矿为原料的氧化铝厂设计的主要技术经济指标，如表。
主要技术经济指标(以生产1t氧化铝计)
