【文章內(nèi)容簡介】 由于鋁及鋁合金具有許多優(yōu)良的性能，而且鋁的資源又很豐富，因此，鋁工業(yè)自問世以來發(fā)展十分迅速。 1890~1990 年，全世界金屬鋁的總產(chǎn)量約為 萬噸，到 20 世紀(jì) 50 年代中葉，鋁的產(chǎn)量已超過銅而居有色金屬之首，僅次 于鋼鐵。1990 年世界原鋁產(chǎn)量超過 1600 萬噸（此外，還有占鋁消耗量 20%左右的再生鋁），約占世界有色金屬總產(chǎn)量的 40%。而 2020 年世界原鋁產(chǎn)量達(dá)到 3189 萬噸。 冰晶石 氧化鋁熔體電解仍然是目前工業(yè)生產(chǎn)金屬鋁的唯一方法，所以鋁生產(chǎn)包括從鋁礦石生產(chǎn)氧化鋁以及電解鋁兩個(gè)主要過程。每生產(chǎn) 1 噸金屬鋁消耗近2 噸氧化鋁。因此，隨著電解鋁的迅速增長，氧化鋁生產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展起來。 當(dāng)前氧化鋁生產(chǎn)大部分以鋁土礦為原料，生產(chǎn)方法只要是拜耳法，因?yàn)榇朔椒梢越档拖?、提高勞?dòng)生產(chǎn)率、降低生產(chǎn)成本且產(chǎn)品質(zhì)量佳。氧化鋁生產(chǎn)技術(shù)經(jīng)濟(jì) 指標(biāo)的提高，主要是由于工藝過程不斷完善的結(jié)果。例如在拜耳法生產(chǎn)中采用管道化溶出代替高壓溶出進(jìn)行鋁土礦的溶出，用流態(tài)化煅燒代替回轉(zhuǎn)窯進(jìn)行氫氧化鋁的煅燒，在母液蒸發(fā)中采用在氧化鋁生產(chǎn)成本中占有相當(dāng)大的比重，降低能耗仍是當(dāng)前氧化鋁生產(chǎn)中的重大任務(wù) [6]。 目前，氧化鋁工業(yè)總的發(fā)展方向是充分利用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，廣泛研究新工藝、新設(shè)備、新技術(shù)以強(qiáng)化生產(chǎn)，降低能耗，提高產(chǎn)品質(zhì)量，綜合利用資源，減少或消除對(duì)環(huán)境的污染，提高生產(chǎn)過程的連續(xù)化、自動(dòng)化水平，利用電子計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)全流程集中控制 [12]。 我國鋁工業(yè)是上世紀(jì)中葉發(fā) 展起來的，目前我國氧化鋁產(chǎn)量和品種不段增加，質(zhì)量日益提高，在生產(chǎn)技術(shù)上取得了一系列重要成就，但是我國氧化鋁工業(yè)從整體上與世界先進(jìn)水平相比，還有一定的差距，主要表現(xiàn)在技術(shù)裝備水平和某些主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)上。如生產(chǎn)過程的能耗高和生產(chǎn)率低，氧化鋁產(chǎn)品質(zhì)量不是很高，因此本設(shè)計(jì)根據(jù)我國的實(shí)際情況，采用國外較先進(jìn)的技術(shù)。如用管道化壓煮代替高壓溶出罐，采用多級(jí)自蒸發(fā)，多級(jí)預(yù)熱的管道化溶出，提高了溶出溫度，縮短了溶出時(shí)間，提高了回收率，減輕了蒸發(fā)負(fù)擔(dān)，降低了能耗；再如采用先進(jìn)的閃速焙燒氫氧化鋁技術(shù)，其節(jié)能，且自動(dòng)化程度高 ，維護(hù)檢修容易，占地面積小等優(yōu)點(diǎn)。還引進(jìn)一些大型高效設(shè)備，氧化鋁生產(chǎn)裝備普遍向大型化發(fā)展，以減少設(shè)備散熱面積，降低熱損失，提高設(shè)備效率 [14]。 我國氧化鋁工業(yè)經(jīng)過 20 年，特別是近十年的科技進(jìn)步，技術(shù)水平和裝備水平已大大提高，主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)已得到優(yōu)化，與世界先進(jìn)氧化鋁工業(yè)的差距已明顯縮小，但礦石資源明顯貧化、能源仍相對(duì)高、產(chǎn)品質(zhì)量不能滿足電解鋁要求等可持續(xù)發(fā)展的問題已經(jīng)日趨明顯。 現(xiàn)在我國氧化鋁生產(chǎn)方面的技術(shù)已經(jīng)達(dá)到比較先進(jìn)的水平，但是氧化鋁生產(chǎn)江西理工大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 3 降低能耗、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、減少環(huán)境污染等方面的技術(shù)還需要進(jìn) 一步提高的，況且我國的生產(chǎn)技術(shù)水平與國外還有一定的差距，所以我還得進(jìn)一步提高自己，要走在世界的先進(jìn)行列。我國氧化鋁工業(yè)界應(yīng)更系統(tǒng)全面地認(rèn)識(shí)和研究我國的鋁土礦資源，加快開發(fā)應(yīng)用可處理我國中低品位一水硬鋁石礦資源的新工藝、新技術(shù)，擴(kuò)大國內(nèi)外可經(jīng)濟(jì)利用的鋁資源量，進(jìn)行高效、節(jié)能、清潔的氧化鋁生產(chǎn)，是我國的鋁土礦資源的利用和氧化鋁工業(yè)可持續(xù)發(fā)展 [811]。 江西理工大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 4 第二章 廠址和生產(chǎn)能力的選擇與論證 廠址的選擇和論證 氧化鋁廠的設(shè)計(jì)，大體可以分為以下幾種： 首先是 新 建氧化鋁廠的設(shè)計(jì)。此種類型的設(shè)計(jì)，要求比較全面，要求完成從建廠調(diào)查廠址選擇到施工圖設(shè)計(jì)這一成套任務(wù)。 然后是 現(xiàn)有氧化鋁廠或車間的擴(kuò)建或改造設(shè)計(jì)。這是為適應(yīng)擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)?；蛟黾赢a(chǎn)品品種改革重大的生產(chǎn)工藝而提出的設(shè)計(jì)任務(wù)。 還有就是 技術(shù)措施性工程設(shè)計(jì)任務(wù)，其設(shè)計(jì)工作量小，一般有原廠承擔(dān)，經(jīng)費(fèi)來自工廠的技術(shù)措施費(fèi)用。 廠址的 選擇對(duì)于國民經(jīng)濟(jì)的合理布局，國家資金的利用，企業(yè)建設(shè)速度、建設(shè)成本以及整個(gè)廠的正常生產(chǎn)是至關(guān)重要的，并且關(guān)系到國防、公農(nóng)業(yè)發(fā)展和醫(yī)療衛(wèi)生等各方面。廠址選擇不當(dāng)，將增加建設(shè)投資和產(chǎn)品成本，造成環(huán)境 污染，將會(huì)危及人民的健康，給國家造成更大損失，因此正確選擇廠址十分重要。 廠址的選擇與許多因素有關(guān)，應(yīng)綜合考慮。根據(jù)有關(guān)資料，將廠址選在山西河津一帶比較合理，在此建廠具有一下優(yōu)點(diǎn)： （ 1） 煤礦資源豐富； （ 2） 距礦石開采區(qū)近，可以減少原料運(yùn)輸費(fèi)用； （ 3） 水資源豐富可靠，能提供工廠用水量； （ 4） 山西水電資源豐富，可保證工廠用電； （ 5） 交通便利，有水路、公路和鐵路的運(yùn)輸優(yōu)勢(shì)； （ 6） 廠區(qū)地勢(shì)平坦，基石程度較大，地震效應(yīng)對(duì)建筑沒有太大的影響，可以節(jié)約工廠基建投資； （ 7） 這個(gè)區(qū)域遠(yuǎn)離城區(qū)，而當(dāng)?shù)仫L(fēng)向主要是西北風(fēng)，有利于工廠廢氣擴(kuò)散，減輕工業(yè)污染； （ 8） 背靠龍門山，有豐富的石灰石資源。 生產(chǎn)能力的選擇與論證 氧化鋁廠生產(chǎn)能力的選擇是根據(jù)很多因素確定的，而其本身有影響著建設(shè)中以及生產(chǎn)以后的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)效果。生產(chǎn)能力的確定首先在國家計(jì)劃指導(dǎo)下，根據(jù)資源、動(dòng)力、當(dāng)時(shí)國情以及預(yù)期的經(jīng)濟(jì)效果等情況來考慮的 [13]。 （ 1） 氧化鋁廠的生產(chǎn)能力應(yīng)符合國家的經(jīng)濟(jì)建設(shè)計(jì)劃，以免生產(chǎn)的盲目性； 江西理工大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 5 （ 2） 生產(chǎn)能力還取決于資源的情況。目前氧化鋁生產(chǎn)規(guī)模趨向大型化，工廠的大型化可以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，減少單位成品投資，降低產(chǎn)品成本，提高連續(xù)化和自動(dòng)化水平 。在國外，大型化氧化鋁廠的生產(chǎn)年限一般 都在五十年以上； （ 3） 礦石加工的難易程度對(duì)生產(chǎn)能力也有很大的影響。如優(yōu)質(zhì)的三水鋁石型礦石處理起來方便，所需的設(shè)備較小，在這樣的情況下，生產(chǎn)能力可以選大些，但山西鋁土礦是難容礦，高鐵低硅是其最大的特點(diǎn)，故生產(chǎn)能力不易過大，這只是一方面影響，由于現(xiàn)在溶出技術(shù)的提高，這方面問題已得到解決； （ 4） 在確定產(chǎn)能時(shí)，還要考慮到分期建設(shè)和擴(kuò)建問題，為充分利用國家資金，減少一次性投資，可以采用“以鋁養(yǎng)鋁”的辦法分期擴(kuò)建。建設(shè)期的劃分影響到投資的充分利用，剩下的擴(kuò)建產(chǎn)量不宜與現(xiàn)有產(chǎn)量相差過于懸殊。山西鋁廠現(xiàn)在已新建的 80 萬噸氧化鋁廠， 因此設(shè)計(jì)的年產(chǎn) 110 萬噸的氧化鋁廠的產(chǎn)能是可以實(shí)現(xiàn)的。 江西理工大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 6 第三章 生產(chǎn)方法和工藝流程的選擇與論證 生產(chǎn)方法的選擇與論證 迄今為止 氧化鋁的生產(chǎn)方法 ，已經(jīng)提出了很多從鋁礦石或其它含鋁原料中提取 氧化鋁 的方法。由于技術(shù)和經(jīng)濟(jì)方面的原因，有些方法已被淘汰，有些還處于試驗(yàn)研究階段。 其生產(chǎn)方法 可以分堿法、酸法、酸堿聯(lián)合法和熱法，現(xiàn)在幾乎全的氧化鋁廠都采用堿法生產(chǎn)。堿法又分為拜耳法、燒結(jié)法、聯(lián)合法等多種工藝流程。 拜耳法是由奧地利化學(xué)家拜耳于 1889～ 1892 年 期間 發(fā)明的一種從鋁土礦中提 取氧化鋁的方法。一百多年來在工藝技術(shù)方面已經(jīng)有了許多改進(jìn)，但基本原理并未發(fā)生變化。為紀(jì)念拜耳這一偉大貢獻(xiàn)，該方法一直沿用拜耳法這一名稱。 拜耳法是直接利用含有大量游離氫氧化鋁的循環(huán)母液處理鋁土礦，以溶出其中的氧化鋁而獲得鋁酸鈉溶液，鋁酸鈉溶液加晶種分解后，氧化鋁以氫氧化鋁的形式析出，種分母液經(jīng)過種分濃縮后返回重新用于溶出鋁土礦。用拜耳法生產(chǎn)具有很多優(yōu)點(diǎn) [1617]： （ 1） 流程簡單，設(shè)備易于制造； （ 2） 加工過程為濕法冶煉，有利于改善勞動(dòng)環(huán)境； （ 3） 拜耳法能耗低，生產(chǎn)成本低； （ 4） 拜耳法產(chǎn)品質(zhì)量高； （ 5） 拜耳法的勞動(dòng)生產(chǎn)率高。 處 理高品位鋁土礦時(shí)生產(chǎn)成本也很低，比其它方法工藝簡單，但拜耳法生產(chǎn)時(shí)，原料中的 SiO2 主要以鈉硅渣的形式排出， 1kg SiO2 要造成 1kg 氧化鋁和 的堿損失。若礦石中的 SiO2含量過高，將使氧化鋁回收率很低，而堿耗很大，從而提高生產(chǎn)成本，不能經(jīng)濟(jì)地進(jìn)行生產(chǎn)。 氧化鋁生產(chǎn)方法的選擇，主要是根據(jù)鋁土礦的品位，技術(shù)上可行，經(jīng)濟(jì)上合理以及礦物類型等。國外氧化鋁廠所用礦石品位普遍較高，礦石鋁硅比大部分都在 10 以上，多為易溶的三水鋁石，山西礦石類型大都為難容的一水硬鋁石，用拜耳法生產(chǎn)時(shí)，對(duì)礦石的品位要求比較高 ，現(xiàn)在我國拜耳法生產(chǎn)氧化鋁必須添加石灰。 工藝流程的選擇與論證 采用拜耳法生產(chǎn)氧化鋁已有 100 多年的歷史， 100 多年來隨著科學(xué)的發(fā)展、新技術(shù)的應(yīng)用，這一方法已經(jīng)有了很大的發(fā)展和改進(jìn)。目前，它仍是世界上生產(chǎn)江西理工大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 7 氧化鋁的主要方法之一。拜耳法用在處理低硅鋁土礦（一般要求 A/S＞ ），特別是用在處理三水鋁石型鋁土礦時(shí)有流程簡單、作業(yè)方便、能量消耗低、產(chǎn)品質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)?，F(xiàn)在除了受原料條件限制的某些地區(qū)以外，大多數(shù)氧化鋁廠都采用拜耳法生產(chǎn)氧化鋁。 本設(shè)計(jì)采用的拜耳法流程見圖 31。 拜耳法工藝流程實(shí)質(zhì)包括溶出、稀 釋、分解、蒸發(fā)四個(gè)主要工序在內(nèi)的循環(huán)過程，除以上工序外，還有礦石的破碎細(xì)磨過程、赤泥渣和氫氧化鋁的分解洗滌過程，氫氧化鋁的焙燒過程和碳酸鈉苛化過程等 [1820]。 進(jìn)入礦倉的鋁土礦經(jīng)中碎和細(xì)碎之后，按要求配一定的標(biāo)準(zhǔn)的循環(huán)母液，同時(shí)配入一定量的石灰和補(bǔ)堿，苛化堿液一起進(jìn)入球磨機(jī)中細(xì)磨到要求的粒度，得到的合格的原礦漿槽中經(jīng)間接加熱進(jìn)行預(yù)脫硅，然后用高壓隔膜泵送進(jìn)換熱器，用從自蒸發(fā)器出來的二次蒸汽來預(yù)熱礦漿，然后進(jìn)入新蒸汽加熱時(shí)間，使反應(yīng)基本完成，然后進(jìn)入降溫降壓的自蒸發(fā)系統(tǒng)，經(jīng)過 9 級(jí)自蒸發(fā)后，原礦漿溫度為 134℃，其二次蒸汽用于預(yù)熱原礦漿。溶出礦漿在稀釋槽中被稀釋，并且攪拌停留 45 個(gè)小時(shí)，在這段時(shí)間內(nèi)，脫硅繼續(xù)進(jìn)行，然后稀釋液進(jìn)入吃你沉降槽進(jìn)行四次反向洗滌，洗液返回去稀釋溶出礦漿，赤泥放在赤泥堆場(chǎng)。送到葉濾工序的粗液，通過葉濾機(jī)再進(jìn)行熱交換降溫，進(jìn)入一段種子攪拌分解槽，首槽加入細(xì)種子，再進(jìn)行熱交換器降溫，再進(jìn)入二段攪拌分解槽，首槽加入粗種子，通過分級(jí)機(jī)分級(jí)，底流獲得氫氧化鋁，溢流進(jìn)入二次分級(jí)機(jī)，底流的粗種子，溢流進(jìn)入沉降槽，所得到的氫氧化鋁經(jīng)洗滌后送往焙燒車間進(jìn)行焙燒，種分母液小部分用于稀釋工序參加稀釋，以 提高稀釋液的苛性比值，減少氧化鋁的水解損失，剩余的一小部分母液進(jìn)行深度蒸發(fā)，過濾后蒸發(fā)母液與未參加蒸發(fā)的種分母液混合調(diào) 配，得到合格的循環(huán)母液送到原礦漿濕磨工序進(jìn)行下一個(gè)循環(huán)溶出。蒸發(fā)過程中析出的一水蘇打送往苛化得到苛堿，苛化液重新參加配料。燒后的成品氧化鋁送往氧化鋁儲(chǔ)倉，準(zhǔn)備出廠銷售。 現(xiàn)對(duì)整個(gè)流程中的主要工序從理論上作出進(jìn)一步詳細(xì)的闡述： (1) 礦石的磨細(xì)程度 拜耳法溶出屬于多相反應(yīng)，即是固 — 固、固 — 液之間發(fā)生的多相反應(yīng)?；? 學(xué)反應(yīng)一般是在固體顆粒表面上進(jìn)行的，為此要求參加反應(yīng)的各成分表面積要大，混合要 均勻。當(dāng)其他條件相同時(shí)，溶出率隨著細(xì)磨程度的增加而提高，但是細(xì)磨到一定程度后，再提高細(xì)磨程度對(duì)溶出率的增加已無明顯影響。另外，磨得太細(xì)，除增加磨礦費(fèi)用外，還能引起赤泥沉降性能變壞。管道化裝置對(duì)礦石粗細(xì)度要求更高一些，為保證礦石粒度，采用閉路細(xì)磨流程。 (2) 鋁土礦的溶出。詳見專題部分 (3) 溶出液的稀釋 江西理工大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 8 補(bǔ)充苛性堿 鋁土礦 石灰 溶出礦漿 粗液 稠濃赤泥漿 熱水 精液 赤泥 洗液 堆場(chǎng) 氫氧化鋁漿液 母液 晶種 氫氧化鋁 Na2CO3 H2O 洗滌 結(jié)晶 氫氧化鋁 蒸發(fā)母液 氧化鋁 圖 31 拜耳法生產(chǎn)氧化鋁工藝流程圖 破碎 濕磨 溶出 稀釋礦漿 稀釋 沉降分離 葉濾 赤泥洗滌 晶種分解 沉降分離 洗滌 煅燒 蒸發(fā) 分離 溶解 苛化 石灰乳 江西理工大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文）