（环境工程专业论文）拜耳法氧化铝管道溶出及平盘过滤清洁生产技术研究.pdf

山东大学硕士学位论文 中文摘要 清洁生产技术是指符合清洁生产理念，以技术进步为基础的，实现从源头节 能降耗、提高资源利用效率的先进生产技术，是以保护自然资源和环境为目的， 实现清洁生产的主要手段和支撑。随着资源能源的短缺和市场竞争的日益激烈， 以及国家环保标准的不断提高，清洁生产技术已成为企业的生命和发展之本。 长期以来，我国的氧化铝工业一直处于高污染、低利用、高消耗的粗放型经 济增长方式，发展基础薄弱、生产技术落后、设备老化是困扰我国氧化铝产业做 强做大的主要原因，由此产生的铝土矿资源、能源和环境污染等问题成为制约我 国氧化铝工业实现可持续发展的重要因素。因此本论文从氧化铝工业清洁生产的 角度出发，系统查阅国内外氧化铝工业的发展现状，评述了今后我国氧化铝工业 的发展趋势和方向，并在此基础上以清洁生产、工业生态学等理论为指导，以氧 化铝生产技术、工业节能技术为支撑，依托山东信发华宇氧化铝有限公司，在对 企业进行全面调查的基础上，研究并提出了拜耳法管道溶出和平盘过滤清洁生产 技术，解决了拜耳法生产氧化铝工艺过程中能耗高、资源利用率低、环境污染重 等问题，获得了良好的经济和环境效益，对企业实现清洁生产和可持续发展具有 重要的应用价值。论文的主要内容包括： ( 1 ) 完善了氧化铝物料平衡、热平衡的核算方法和体系，根据调查的基础 数据，对氧化铝生产过程的原辅材料、能源消耗进行了详细、系统的核算和分析， 得出生产过程中资源、能源的消耗与损失、废物产生与排放、热能利用与损失的 详细数据和结论，为清洁生产关键技术的研究提供了详细的基础数据和资料； ( 2 ) 针对溶出工序存在的能耗高、产能低等问题，研究了管道溶出清洁生 产技术。在调查分析溶出工序生产情况的基础上，论文详细分析了影响溶出效率 的关键因素，通过对溶出基本原理的分析和溶出关键设备换热器的分析和调 查，提出四套管管道溶出换热的技术方案，并对其主要性能指标与国内其它换热 器类型进行了对比分析，明确了其在生产中的优越性；论文通过对溶出自蒸发系 统和蒸汽余热回用网络的优化改造，提高了蒸汽余热的回收率和利用效率。论文 提出的管道溶出清洁生产技术有力地促进了管道溶出工序的清洁生产水平。 山东人学硕士学位论文 ( 3 ) 调查分析了氢氧化铝过滤分离工序的生产情况，通过对过滤分离操作 基本原理的分析，确定了影响平盘过滤分离操作的关键因素，并针对生产中存在 的实际问题，提出平盘过滤二次卸料的清洁生产技术改造方案，同时通过工业试 验和实际应用，验证其工业可行性和清洁生产的效果；通过对生产中的料浆固含、 粒度、温度和平盘转速等工艺参数的调试和分析，优化生产过程的工艺控制参数， 提升了生产效率，提高企业的清洁生产水平。 ( 4 ) 最后分析了清洁生产关键技术工业应用的效果，对技术应用的效益进 行分析，为企业推进清洁生产提供借鉴和动力。 关键词：氧化铝，拜耳法，管道溶出，平盘过滤，清洁生产 i i 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t c l e a n e rp r o d u c t i o nt e c h n o l o g yi sa d v a n c e dt e c h n o l o g y , w h i c hi sb a s e do nt e c h o n i c a d v a n c e m e n ta n da i m e sa te n e r g ys a v i n g , p o l l u t a n t sr e d u c t i o na n di m p r o v e m e n to f r e s o u r c eu t i l i z i n ge f f i c i e n c y c l e a n e rp r o d u c t i o nt e c h n o l o g yi n t e n d st op r o t e c tn a t u r e r e s o u r c e sa n de n v i r o n m e n tf r o mb e i n gw a s t e da n dp o l l u t e da n di st h em a i nw a yt o a c h i e v ec l e a n e rp r o d u c t i o n a st h es h o r t a g eo fe n e r g ya n dr e s o u r c e ，m o r ed r a s t i c a l l y c o m p e t i t i o na n dm o r es t r i c tn a t i o n a le n v i r o n m e n t a ls t a n d a r d s ，c l e a n e rp r o d u c t i o n t e c h n o l o g yh a sb e e nt h el i f ea n d r o o to fc o m p a n yd e v e l o p m e n t f o ral o n gt i m e ，a l u m i n ai n d u s t r yo fc h i n ah a sb e e nd e v e l o p e di nt h ee x t e n s i v em o d e o f1 1 i 曲p o l l u t i o na n dc o n s u m p t i o n ，l o we f f i c i e n c y t h ec a u s et h a tl i m i t sa l u m i n a i n d u s t r y sd e v e l o p m e n ti st h a tt h eb a s eo fa l u m i n ai n d u s t r yo fc h i n ai sw e a ka n d i t s t e c h n o l o g ya n de q u i p m e n ti sl a g g a r d ，w h i c hl e a d st oe n e r g ya n dp o l l u t i o n p r o b l e m sa n dp r e v e n ta l u m i n i ai n d u s t r yf r o ms u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t s ot h i sp a p e r t h o r o u g h l yg r a s p e d t h es t a t u so fd o m e s t i ca n df o r e i g na l u m i n ai n d u s t r ya n d c o m m e n t e dt h ed e v e l o p m e n tt r e n do fd o m e s t i ca n df o r e i 鲫a l u m i n ai n d u s t r y t h e nt h e p a p e rt o o ks h a n d o n gx i n f ah u a y ua l u m i n ac o l t da sa ne x a m p l ea n di n v e s t i g a t e di t s s t a t u sc o m p l e t e l y w i t ht h eg u i d eo ft h et h e o r yo f c l e a n e rp r o d u c t i o na n di n d u s t r i a l e c o l o g ya n dt h es u p p o r to fa l u m i n at e c h n o l o g ya n de n e r g ys a v i n gt e c h n o l o g y , t h e p a p e rs t u d i e da n dd e v e l o p e dc l e a n e rp r o d u c t i o nt e c h o n o l o g i e so fp i p e - d i g g e s t i o na n d h o r i z o n t a lp a ni l t e ri nb a y e r p r o c e s s 1 1 1 ec l e a n e rp r o d u c t i o nt e c h o n o l o g i e ss o l v e dt h e p r o b l e m sw h i c hi sh i g he n e r g yc o n s u m p t i o n ，e n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o na n dl o w r e s o u r c ee f f i c i e n c ya n do b t a i n e dg o o de c o n o m i cb e n e f i t sa n de n v i r o n m e n t a lb e n e f i t s s ot h es t u d yw i l lh a v eb e t t e ra p p l i c a t i o na n dp o p u l a r i z a t i o np r o s p e c t s t h ec e n t r a l c o n t e n t si n v o l v e ： ( 1 ) p e r f e c tt h em e t h o d so fc a l c u l a t i o no fm a t e f i a lb a l a n c ea n dh e a tb a n l a n c ei n a l u m i n ap r o d u c t i o np r o c e s s a c c o r d i n gt ot h eb a s i cd a t ai n v e s t i g a t e df r o mc o m p a n y , r a wm a t e r i a l sa n de n e r g yc o n s u m e di na l u m i n ap r o d u c t i o np r o c e s sw e r ec a c u l a t e da n d a n a l y s i s e dd e t a i l e d l y t h ec o n s u m p t i o na n dl o s so fr e s o u r c ea n de n e r g ya n d p r o d u c t i o na n de m i s s i o no fw a s t ew e r ec a c u l a t e d t h er e s u l t ss u p p l yd e t a i l e dd a t aa n d i n f o r m a t i o nf o rt h er e s e a r c ho fc l e a n e rp r o d u c t i o nt e c h o n o l o g y i i i 山东大学硕士学位论文 ( 2 ) i no r d e rt os o l v et h ep r o b l e m se x i s t i n gi na l u m i n ap r o d u c t i o n ，s u c ha sh i g h e r e n e r g yc o n s u m p t i o na n dl o w e rp r o d u c t i o n ，c l e a n e rp r o d u c t i o nt e c h o n o l g yo fp i p e d i g e s t i o nw a sr e s e a r c h e d b a s e do nt h ei n v e s t i g a t i o no fd i g e s t i o np r o c e s s ，t h i sp a p e r a n a l y z e dk e yf a c t o r st h a ti n f l u e n c ed i g e s t i o ne f f i c i e n c ya n da d v a n c e df o u r - p i p e d i g g e s t i o nh e a t e x c h a n g e rt e c h n o l o g yt h r o u g ha n a l y s i so fd i g e s t i o nf u n d a m e n t a la n d e q u i p m e n t s t h e np e r f o r m a n c eo ft h ec l e a n e rp r o d u c t i o nt e c h n o l o g yw e r ec o m p a r e d w i t ho t h e rt e c h n o l o g i e sa n dp r o v e dt ob em o r ea d v a n c e d t h i sp a p e ra l s og i v e da p l a n t h a tw o u l dr e b u i l dt h en e t w o r ko fs t e a mh e a tr e u s e si no r d e rt oi n c r e a s ee f f i c i e n c yo f h e a tu t i l i 五n g t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ec l e a n e rp r o d u c t i o nt e c h n o l o g yo fp i p e d i g g e s t i o ni m p r o v e sg r e a t l yc l e a n e rp r o d u c t i o nl e v e lo fp i p ed i g g e s t i o np r o c e s s ( 3 ) t h r o u g hi n v e s t i g a t i o no fs t a t eo ff i l t r a t i o np r o c e s sa n da n a l y s i so ff i l t r a t i o n p r i n c i p l e ，k e yf a c t o r sw h i c hi m p a c th o r i z o n t a lp a nf i l t r a t i o nw e r ed e f i n i t e d t h i sp a p e r g a v eap l a no fc l e a n e rp r o d u c t i o nt e c h n o l o g yo fs e c o n d a r y u n l o a d i n gw h o s e f e a s i b i l i t ya n de f f e c ti ni n d u s t r yp r o d u c t i o nw e r ev a l i d a t e dt h r o u g hi n d u s t r i a l e x p e r i m e n t a t i o na n da p p l i c a t i o n s a l s op a r a m e t e r ss u c ha ss o l i dc o n t e n to fs l u r r y , g r a n u l a r i t y , t e m p e r a t u r e ，r o t a t es p e e do fh o r i z o n t a lp a nf i l t e ra n ds oo nw e r e o p t i m i z e dt h r o u g hi n d u s t r i a ld e b u g g i n g r e s u l t ss h o w e dt h a tt h ec l e a n e rp r o d u c t i o n l e v e lw a s i m p r o v e dg r e a t l y ( 4 ) a tl a s t , t h ee f f e c t sa n d b e n e f i t so ft h ec l e a n e rp r o d u c t i o nt e c h n o l o g ya p p l i e di n i n d u s t r yw e r ea n a l y z e da n dt h er e s u l t sw o u l de n c o u r a g ea n do f f e ro t h e rc o m p a n i e s m o r ee x p e r i e n c e s k e y w o r d s ：a l u m i n a , b a y e rp r o c e s s ，p i p ed i g g e s t i o n ，h o r i z o n t a lp a nf i l t e r , c l e a n e r p r o d u c t i o n i v 山东大学硕士学位论文 符号说明 a 1 1 ：产品氢氧化铝： a s ：氧化铝和二氧化硅百分含量的比值； n a 2 0 k ：苛性碱； n a 2 0 0 ：碳酸碱； l s ：液固比； m r ：物料的配比： r e ：雷诺准数； w o e ：结疤生成速度； a k ：苛性比，n a 2 0 k 与m 2 0 3 的摩尔比； a o ：溶液中的氧化铝含量； n - k ：苛性碱浓度； n a ：碱总浓度； n s ：溶液中氧化钠与二氧化硅的百分含量比： v 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集 体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：煮i 盎气 日 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本 人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：杏i 盘。 导师签名 期：啦2 山东大学硕士学位论文 1 1 氧化铝工业发展概况 1 1 1 世界氧化铝工业 第1 章绪论 世界第一个氧化铝工业生产方法烧结法是18 5 6 18 6 0 年在法国萨林德厂 里研究出来的，后来发展成为今天的碱石灰烧结法。该方法将铝土矿与一定数 量的苏打石灰( 或石灰石) 配成炉料，经高温烧结后制得氧化铝，是目前处理高硅 铝土矿生产氧化铝的主要工业生产方法n 。1 。1 8 8 9 1 8 9 2 年奥地利人k j 拜耳发明 了用苛性碱溶液直接浸出铝土矿生产氧化铝的拜耳法，为氧化铝的大规模生产和 迅速发展开辟了道路【4 】。 目前世界氧化铝生产地主要集中在大洋洲、拉丁美洲、北美洲、欧洲、亚洲 和非洲等铝土矿资源较为丰富的3 0 个国家，6 0 多个氧化铝厂。表1 1 所列数字 只是冶金级氧化铝，如果加上化学品氧化铝，2 0 0 3 年世界氧化铝总产量为5 8 5 2 6 万t ，2 0 0 4 年为6 1 8 7 2 万t 。国外冶金级氧化铝一般约占总量的9 2 。 表1 - 12 0 0 1 2 0 0 6 年世界冶金级氧化铝产量统计表( 单位万t ) 亚洲和大洋洲是氧化铝的主要生产地区，其次是中南美洲和欧洲，非洲的氧 化铝产能最低。2 0 0 6 年各地区氧化铝产量所占的比重见图1 1 。 山东大学硕士学位论文 大洋洲 2 7 4 9 欧洲 1 4 7 6 非洲 0 7 9 中南美 2 1 9 8 亚洲 2 6 0 8 8 8 图1 - 12 0 0 6 年各地区氧化铝产量所占的比重 世界氧化铝工业自2 0 0 2 年起随着全球电解铝产量的急剧扩张，步入飞速发 展的时期，其发展逐渐呈现出以下特点： ( 1 ) 氧化铝生产设施逐渐向资源富集地区转移、聚集，大型铝业公司对优 质铝土矿资源的控制度增强。随着市场投资环境的改善，大型矿业公司为更大范 围控制资源，优化资源、资本和技术配置，降低成本，提高效益，逐步将氧化铝 生产由铝消费国家向资源性国家转移。而资源国从发展本国经济、提高产品附加 值出发，纷纷修改矿业和投资法，改善投资环境，积极支持跨国公司在本国新建 或扩建生产设施，使得氧化铝工业布局发展重大变化。铝土矿的开发市场主要集 中在澳洲、几内亚、牙买加、巴西，其生产能力占世界产能的7 5 ，同时也是氧 化铝的主要生产地，氧化铝产量占世界产量的5 0 。 ( 2 ) 兼并收购此起彼伏，行业性跨国公司规模不断扩大，行业集中度进一 步增加。最近几年全球铝行业的收购和兼并，使得全球矿业的集中度进一步提高。 目前，7 0 铝土矿和氧化铝的生产由1 0 家矿业公司所控制。 ( 3 ) 氧化铝生产能力将稳步增长。预计到2 0 2 0 年氧化铝生产能力将达到9 1 0 0 万t ，年均增长率将在2 7 以上。新建氧化铝厂生产规模均在百万t 以上，主要 有澳大利亚科马尔克( c o m a l c o ) 、印度的u t c a l 和中国、几内亚的项目。扩建的 项目主要集中在澳大利亚、巴西、中国等国家的现有资源基础良好的大型氧化铝 厂。 ( 4 ) 资源丰富的发展中国家正逐渐成为跨国铝业公司关注的热点，尚待开 发资源地的铝土矿资源开采、规划工作受到更大的关注。随着矿业全球化的不断 2 山东大学硕士学位论文 深入，广大发展中国家的内外部环境不断改善，更多的发展中国家优质资源也逐 渐受到重视。 1 1 2 中国氧化铝工业 中国具有丰富的铝土矿资源，迄今已探明保守储量2 3 亿t ，位居世界第4 ， 具备发展氧化铝工业的资源条件。1 9 5 4 年7 月1 日我国第一个氧化铝厂山 东铝厂建成投产，当时产量为3 5 万t 。此后我国又陆续建成了郑州、贵州、山 西、中州、平果等重点氧化铝企业，形成六大氧化铝生产基地【5 l ，在经历了5 0 多年的发展后，我国氧化铝工业取得了很大的进步。氧化铝产量和品种不断增加， 质量日益提高。 近几年，国内氧化铝工业受电解铝市场急速扩张的刺激，氧化铝价格不断攀 升，在市场与价格的强力推动下，中国的氧化铝工业规模和产量迅速增大，自 2 0 0 2 年以来，国内铝土矿资源较为丰富的地区纷纷出现扩建和新建氧化铝厂的 热潮。2 0 0 1 年至2 0 0 5 年中国氧化铝产量年平均增长率达到2 0 ，2 0 0 6 年氧化铝 生产增长率更是达到7 1 8 ，中国已成为世界第二大氧化铝生产国【6 。7 1 ，氧化铝 工业已经基本形成规模化生产。中国氧化铝产量的变化趋势如图1 2 所示。 图1 - 2 中国氧化铝年产量变化趋势 由于氧化铝工业是资源消耗型行业，对能源和资源的需求高。中国氧化铝工 业起步较晚，技术相对落后，因而其生产中单位产品的资源和能源消耗较国外的 先进水平有较大差距。据调查国内氧化铝生产企业中生产单位氧化铝的综合能耗 较低的是平果铝厂，达到1 2 3 7g j t a 1 2 0 3 ，远高于国外先进的氧化铝生产企业 3 山东大学硕士学位论文 8 6 g j t a 1 2 0 3 的水平，见表1 2 。 表1 2 国内外氧化铝厂综合能耗的比较( 2 0 0 2 年) 中国氧化铝生产的能耗过高直接导致了国内氧化铝的生产成本远高于国外 平均水平，据统计国内氧化铝生产企业能耗投入可以占到生产总成本的3 5 - - 一 5 0 ，而国外企业能耗只占生产成本的1 8 左右，见图1 3 。 造成这种差距的原因主要在于国内氧化铝大多采用能耗高的烧结法工艺生 产 $ - i z 】，见图1 4 。因此，我国大部分氧化铝生产企业在能耗、物耗、成本方面与 国外存在很大差距【1 3 舶】。 4 山东大学硕士学位论文 纯烧结 2 3 6 5 联法 6 4 9 5 图1 - 4 国内不同生产工艺氧化铝的产量所占的比重 中国氧化铝工业的迅猛发展对国内的氧化铝生产技术提出了更高的要求，特 别是随着近几年国内铝土矿资源的日益紧张和价格成本因素的影响，拜耳法生产 工艺在国内也有了飞速的发展，国内企业和研究机构对拜耳法的应用也做出了一 些有益的尝试。如中国铝业公司提出的选矿拜耳法，就是针对我国低品位铝土矿 的一种氧化铝生产方法，取得了较好的整体经济效益【1 5 1 。 同时氧化铝生产企业也开始大力发展氧化铝清洁生产技术，走可持续的发展 之路，对氧化铝的节能减排起到了重要的推动作用，对于提高自身市场竞争力也 有重要得作用。如在强化烧结法方面，研究并实施了高铝硅比熟料烧成技术以及 配套的高氧化铝浓度熟料溶出技术、高氧化铝浓度浆液的分离沉降技术、高浓度 碳酸化分解技术以及高浓度碳分母液蒸发技术；在强化拜耳法方面，研究并实施 了强化高压溶出技术、强化分解技术等等【1 6 1 7 l ，并研究出针对中国铝土矿特点的 氧化铝生产方法，如现代并联法、石灰改良拜耳法、选矿拜耳法等。此外，在氧 化铝工艺和设备的革新、赤泥的综合利用、三废处理及增加氧化铝产品品种等方 面也取得了显著的成果d 8 - 2 1 】。 虽然国内采用拜耳法、烧结法或混联法生产氧化铝的工艺日趋成熟，但存在 的问题仍然不容忽视： 第一，随着我国与国际市场的接轨以及国外氧化铝产品的进入，国内氧化铝 行业受到严重的冲击，以目前的状况来看，与国际上大型氧化铝生产企业相比， 国内企业技术设备相对落后、工艺流程自动化水平和生产效率较低，因此，国内 专家的较一致意见认为，氧化铝行业国内竞争呈现国际化，国内氧化铝企业及其 产品竞争力较弱。 5 山东火学硕士学位论文 第二，由于各种原因，我国氧化铝的实际产量远低于产能，预计到2 0 1 0 年 底我国氧化铝产能将达到约3 5 0 0 万t 2 2 1 ，而实际产量却远远达不到，至少还需 进口5 0 0 1 0 0 0 万t 才能满足国内氧化铝的需求，这使得中国氧化铝工业面临着严 峻的挑战。 针对当前国内氧化铝生产中出现的问题，我国氧化铝行业要赶超世界先进水 平，首先要面对的中心课题就是：结合我国铝矿资源特点，进一步加强对清洁生 产关键技术的研究，同时加快工艺流程的优化，依托技术、设备的现代化改造设 计，完善生产过程中自动化控制水平，合理降低生产过程中的能量消耗，降低生 产成本，提高劳动生产率；提高铝土资源综合利用程度，从根本上解决环境污染 的问题。这已成为我国氧化铝生产改进研究的主要方向和关键之一。 1 2 氧化铝生产技术概述 1 2 1 主要的生产方法 碱法生产氧化铝是目前氧化铝生产的主要方法，其原理是用碱( n a o h 或 n a 2 c 0 3 ) 处理铝土矿，使矿石中的氧化铝和碱反应制成铝酸钠溶液。矿石中的 铁、钛等杂质和绝大部分的二氧化硅则成为不溶性的化合物进入赤泥中，铝酸钠 溶液经过净化后，分解析出氢氧化铝 a i ( o h ) 3 ，将a i ( o h ) 3 与碱液分离并经过洗 涤和焙烧后，即获得产品氧化铝。碱法生产氧化铝的工艺技术主要有烧结法、拜 耳法和混联法。 拜耳法是国外应用最广的氧化铝生产技术，目前全世界生产的氧化铝和 a l ( o h 0 3 有9 0 以上是用拜耳法生产的。拜耳法与其它两种方法相比流程简单、 作业方便、产品质量高，其能量消耗【2 3 1 、投资和成本都低于烧结法和混联法。 1 2 2 拜耳法基本工艺和特点 拜耳法在处理高品位铝土矿，尤其是在处理三水铝石型铝土矿时，具有其它 方法所无可比拟的优点。其基本工艺流程如图1 5 。 6 山东大学硕士学位论文 图1 5 拜耳法生产工艺流程图 拜耳法包括了两大过程：即溶出和分解。 铝酸钠溶液的晶种分解过程：分子比较低的( 约1 6 左右) 铝酸钠溶液在常 温下，添加氢氧化铝作为晶种，不断搅拌，溶液中的氧化铝便以氢氧化铝的形式 慢慢析出，同时溶液的分子比不断增大。 7 山东大学硕士学位论文 溶出过程：析出大部分氢氧化铝后的溶液，称之为分解母液，经加热浓缩后， 又可以溶出铝土矿中的氧化铝水合物，这就是利用种分母液溶出铝土矿的过程。 交替使用以上两个过程就可以一批批地处理铝土矿，得到纯的氢氧化铝产品，构 成所谓的拜耳循环。拜耳法的实质是如下反应在不同条件下交替进行的： a 1 2 0 3 。( 1 或3 ) h 2 0 + 2 n a o h + a q = 2 n a a i ( o h ) 4 + a q 拜耳法的特点是：( 1 ) 适合高a s 矿石；( 2 ) 流程简单，能耗低，成本低；( 3 ) 产品质量好，纯度高。 拜耳法分类：由于铝土矿的类型不同，在世界上形成了两种不同的拜耳法方 案。 ( 1 ) 美国拜耳法以三水铝石型铝土矿为原料。由于三水铝石型铝土矿中的氧 化铝很容易溶出，因而采用低温、低碱浓度溶出( 一般情况下为氧化钠1 l o 鲋以 下) ，溶出的温度为1 4 0 1 4 5 ，停留时间不足l h ，分解初温高( 6 0 - - - - , 7 0 。c ) ，种子 添加量较小( 5 0 1 2 0 9 1 ) ，分解时间3 0 4 0 h ，产品为粗粒氢氧化铝，但产出率低， 仅为4 0 - 4 5 鲋。这种氢氧化铝焙烧后得到砂状氧化铝。( 2 ) 欧洲拜耳法以一水软铝 石型铝土矿为原料。采用高温、高碱浓度溶出，苛性钠浓度一般在2 0 0 9 l 以上， 溶出温度达1 7 04 c ，停留时间约2 4 h 。经稀释后，将苛性钠浓度高达1 5 0 9 1 的溶 液进行分解。分解时，分解初温低( 5 5 6 0 c 或更低) ，种子添加量较大( 2 0 0 2 5 0 9 1 ) ，分解时间5 0 7 0 h ，产出率高达8 0 鲋但得到的氢氧化铝颗粒细，为粉 状氧化铝。现今的欧洲拜耳法已是在高温、高碱浓度溶出，低温、高固含、高产 出率的分解条件下生产砂状氧化铝了【2 4 】。 1 2 3 管道溶出技术的发展2 5 。5 1 溶出技术是氧化铝生产工艺的关键生产技术，是提高氧化铝生产效率、降低 氧化铝生产能耗和成本的关键因素，其发展历程经历了由单罐间断溶出到多罐串 联溶出，进而发展为管道溶出技术。管道溶出技术顾名思义就是在铝土矿的溶出 过程中采用了管道化的溶出换热设备，热量通过管道传给矿浆，加热矿浆至一定 温度，从而实现铝土矿中氧化铝充分溶解而进入铝酸钠溶液。 这种溶出方式与早期的压煮器溶出相比有以下几个特点：1 ) 热耗低，管道溶 出过程中矿浆在加热溶出管内流速快，高度湍流，大大强化了矿浆与热载体之间 山东大学硕士学位论文 的传热，而且溶出后浆液的自蒸发水量较大，可降低蒸发过程负荷，降低蒸发热 耗；2 ) 投资少，管道溶出可以有效地提高溶出温度，在较低的压力下就能实现 高的溶出温度，因此管道溶出设备的耐压要求较低，可以大大节省设备的投资费 用，管道化溶出器在设备总投资上只占压煮器溶出罐的7 0 8 0 ，而且其土建 投资费用也较低；3 ) 操作维护简单，管道化溶出系统的自动化程度高，可实现 微机自动控制和现场手动控制的互换，使操作变的更加简单容易，而且结疤清理 上用化学清理代替人工清理，清理工作量大大降低。 匈牙利的b 南尼教授在1 9 5 1 - - 1 9 5 4 年最早进行了管道化溶出试验，试验 得到的结果是：溶出时间很短，氧化铝溶出率高，赤泥沉降性能好。德国联合铝 业公司( v r a 哪在二次世界大战之后开始研究管道化溶出技术。1 9 6 9 年在纳勃( n e b ) 厂建立起德国第一套，也是世界上第一套工业管道化溶出装置，矿浆流量8 0 m 3 h 。 捷克从1 9 6 0 年开始研究管道化溶出技术。最先是一套小型试验装置，流量 o 0 5 0 4 m 3 h ，温度3 6 0 ，压力2 0 m p a ，采用电加热。后又建立起大型试验装置， 采用了套式换热器。试验结果表表明，在2 8 0 以上只要几分钟就可以达到a 1 2 0 3 的理论溶出率。法国1 9 7 6 年在萨林德( s a l i n d r e s ) 厂投产了第一套管道化溶出装 置，用于处理当地一水软铝石型铝土矿，它采用的是单套管的预热系统。 我国拜耳法间接加热溶出技术的研究开始于2 0 世纪6 0 年代。1 9 6 8 年贵州 铝厂就进行过管道化溶出试验，为我国强化溶出技术的开发作了开创性的工作。 一直到1 9 8 9 年我国自主研制的管道预热停留罐强化溶出技术建成投入工业生 产，此装置适合处理我国难溶的一水硬铝石型铝土矿。从1 9 9 2 年开始，我国氧 化铝生产企业开始引进法铝的“单管预热高压釜溶出”和德国的“r a 6 管道化溶 出”两种间接加热高温溶出的技术及装备，大大提高了我国氧化铝生产的溶出工 艺技术和装备水平。 1 2 4 平盘过滤分离技术的发展 3 6 - 3 9 1 平盘过滤分离技术的主要作用是将氢氧化铝从铝酸钠溶液中过滤、分离出 来，从而减少其含水量及浮碱含量，提高氢氧化铝的性能质量。其采用的主要设 备是平盘过滤机，在生产中来自种分车间的氢氧化铝料浆进入氢氧化铝料浆槽， 经氢氧化铝料浆泵，打入平盘过滤机，料浆经平盘过滤机过滤后的浆液，分别进 9 山东大学硕士学位论文 入母液、强滤液、弱滤液槽。平盘过滤机所产生的滤饼通过卸料螺旋落入皮带， 通过皮带输送到焙烧炉的缓冲小仓，进入焙烧炉供焙烧用。平盘过滤技术与其它 过滤分离技术相比，具有以下优点： 盘面可承受较大的料液冲击，承载能力大，滤饼厚度易于控制，过滤空间 大，气流排出阻力小，速度快，排量大，在所有过滤设备中，单位面积产能最大。 平盘过滤机的过滤物料在盘面之上，从盘面下抽真空，过滤方向与重力方 向相同，过滤动力为重力与真空吸力之和，所以过滤效率高。 吸滤过程中，大颗粒先下降至底层，细颗粒物料沉于上层，过滤层结构合 理，阻力小。 过滤和洗涤工序在同一机上实现，并可根据产品的需要进行多次逆向洗 涤，既能保证产品质量，又可节约新水，提高洗液浓度。 采用螺旋卸料方式，盘面上始终保留一层物料，吸干水分是由上而下来完 成，可保证产品的质量，盘面的残余滤饼厚度可根据产品质量要求调节。 平盘过滤机的过滤物料在盘面之上，由下料装置布料，适用于过滤颗粒变 化范围大的物料，特别是大颗粒物料和比重大易沉淀的物料。 平盘过滤机结构简单，维护方便，易于实现自动化控制。 传统的分离设备有转鼓真空过滤机、带式过滤机等，从2 0 世纪9 0 年代开始， 一些氧化铝厂陆续从国外引进平盘过滤机，国内亦有制造厂家如洛阳矿山机器厂 也开始对老式圆盘真空过滤机进行改造，以替代4 0 m 2 真空转鼓过滤机，在一定 程度上满足了现有生产的需要。 总体上来说，在国内近几年新上的氧化铝项目中，所使用的平盘过滤机主要 有两类。一类是进口平盘过滤机，自山西铝厂率先从法国道尔公司引进的两台 5 1 m 2 平盘过滤机于1 9 9 2 年和1 9 9 4 年先后投入运行后，包括山东铝业公司、平 果铝业公司、长城铝业公司和中州铝厂在内的多家大型氧化铝厂也先后引进了道 尔公司生产的平盘过滤机；另一类是山东信发华宇氧化铝公司、山东魏桥铝电有 限公司等厂家使用的江苏新宏大、启东金松等公司生产的国产平盘真空过滤机。 进口平盘过滤设备造价较高，但是处理能力大，如能开发提高国产平盘过滤设备 的产能将极大降低企业的生产成本。 1 0 山东大学硕士学位论文 1 3 论文研究的目的和意义 1 3 1 目的 在氧化铝生产中，拜耳法是目前世界上应用最为广泛的工艺，其在处理三水 铝石型铝土矿时，流程简单，操作方便，其经济效果远非其他方法所能媲美。由 于我国的铝土矿资源中大部分属于难溶出的一水硬铝石型矿石，不适于采用拜耳 法处理工艺，因此我国拜耳法生产工艺发展起步较晚，但近几年随着国家积极推 进资源型企业走出去的政策，国内企业纷纷走出国门，积极开发利用国外的高品 质的三水铝石型铝土矿，因此发展拜耳法生产技术已成为国内企业亟待解决的问 题。 管道溶出工序和平盘过滤工序作为拜耳法的核心组成部分，对氧化铝的生产 起着至关重要的作用。随着氧化铝产品的市场需求迅速扩大，企业需要大幅度提 高氧化铝的产量及产品质量，同时，能源和铝土矿资源的日益紧缺，大大提高了 氧化铝生产的成本，给企业的发展带来巨大的压力。传统的生产技术已不符合这 种发展的需要，严重制约了氧化铝生产的发展。因此，开发研制低耗、高效的管 道化溶出和平盘过滤清洁生产技术，降低氧化铝生产能耗和成本，提高生产效率， 大力发展氧化铝清洁生产是当前氧化铝生产的重要研究内容。 本论文针对当前氧化铝生产中存在的能耗高、管道结疤重、产能不足等问题， 以及发展中所面临的巨大的能源短缺和环境污染的压力，从清洁生产的角度出 发，选取山东省最大的氧化铝生产企业茌平信发华宇氧化铝有限公司为研究对 象，借鉴国内外氧化铝生产技术与实践经验，以降低生产能耗，提高氧化铝产能、 改进产品质量、降低氧化铝生产成本为目标，运用清洁生产理论和方法研究开发 拜耳法生产氧化铝清洁生产技术及工艺，为促进氧化铝产业的跨越式发展和高效 可持续发展作有益的探索和尝试。 1 3 2 意义 我国的氧化铝产业起步于上世纪5 0 年代，起步较国外同行晚了近半个世纪， 产业发展的基础非常薄弱，虽然最近几年发展速度较快，但受国内铝土矿资源的 限制，氧化铝工业一直处于高能耗、高污染的发展状态下。随着新的市场经济条 山东大学硕士学位论文 件的形成，单纯依靠低的人工成本、资源投入和以环境污染为代价的发展方式已 经难以在竞争日渐激烈的氧化铝市场占有一席之地，因此基于氧化铝工业可持续 发展的要求，建设低能耗、低污染的氧化铝发展模式已经成为目前氧化铝发展的 重要方向，清洁生产工艺和技术的发展将是氧化铝工业健康发展的关键和基础。 鉴于此，本论文选取信发华宇氧化铝有限公司作为研究对象，对拜耳法氧化 铝生产技术和工艺进行研究，力争实现生产过程的低投入、低污染，实现氧化铝 工业的清洁生产，一方面使企业达到经济效益、社会效益与环境效益的统一，以 实现增强其市场竞争力和可持续发展能力；另一方面可将新工艺、新技术设备在 同行业企业中加以推广，将会大大增强我国氧化铝产业在国际氧化铝市场中的竞 争力。 1 4 论文研究的技术方法 本论文的研究在借鉴国内外氧化铝生产技术的基础上，紧密结合华宇氧化铝 公司的生产实际和氧化铝产业发展的需求，确立研究计划。其研究方法以实验研 究为基础，理论分析为指导，把生产工艺改进和技术研发作为主体，围绕节能减 排的中心目标，全面地开展拜耳法氧化铝清洁生产技术的研究。论文研究将采用 的主要技术路线如图1 - 6 所示。 山东大学硕士学位论文 图1 - 6 论文研究的技术路线 1 3 山东大学硕上学位论文 第2 章拜耳法物料和能量平衡的建立 2 1 物料平衡的测定 本论文研究依托山东茌平信发华宇氧化铝有限公司( 以下简称华宇公司) ， 是一家集热、电、氧化铝生产经营于一体的特大型民营企业。华宇公司2 0 0 4 年 8 月开工建设2 0 0 万t 氧化铝项目，采用“低温溶出拜耳法”技术，矿石采用进 口的三水铝石型铝土矿，是国内第一家选用进口矿石的现代民营企业，也是国内 单厂规模最大的氧化铝生产企业。2 0 0 7 年华宇公司氧化铝年产氧化铝3 0 0 万t ， 实现利税6 0 多亿元，生产状况已步入了稳步发展阶段。 2 1 1 全厂物料平衡的测定 采用现场调查、实地监测的方式，并结合生产报表的数据绘制华宇公司全厂 的物料平衡图，见图2 1 。 1 4 液碱1 4 3 5 3 8 4 8 3 t 一 铝土矿8 5 6 8 5 0 6 5 t 蒸汽7 3 3 3 5 7 8 4 t 絮凝剂2 2 5 9 0 2 8 8 5 t 石灰2 3 0 2 1 4 3 2 t _ 天然气1 5 3 0 4 1 8 8 m 3 电7 4 7 7 4 30 0 8 k w h 煤气13 4 2 7 8 0 6 2 4 m 3 蒸发2 1 2 5 3 8 2 9 3 t 图2 - 1 华宇公司氧化铝物料平衡( 0 7 年统计) 山东大学硕士学位论文 2 1 2 生产过程物料平衡的建立 2 1 2 1 基础数据 铝土矿的化学组成：矿物形态：三水铝石，石英硅0 7 5 ，见表2 1 。 表2 - 1 铝土矿的化学组成 n a 2 0 ka 1 2 0 3n a 2 0 。 密度 粗液的组成1 ：舢2 0 31 7 3 9 a ；a k = 1 5 密度为1 3 0 0 k g m 3 ： n a 2 0 损失：1 9 7 4 8k g t a o ； 底流l s ：分离沉降槽底流l s = 3 5 ，洗涤沉降槽底流l s = 3 8 ； 弃赤泥附液中n a 2 0 = 1 7 6 8 g a ； 考虑到自蒸发，溶出矿浆浓缩率6 ： 2 1 2 2 损失计算 生产中氧化铝和氧化钠是最主要的原料，根据基础数据分析这两个主要原料 的损失情况。氧化铝在生产中产生损失的环节有运输过程、化学损失、附液损失、 水解损失、分解损失和蒸