浅谈拜尔法生产氧化铝工艺中铝酸钠溶液的蒸发技术

于水波　岳玲　邵丹

摘要：拜尔法生产氧化铝主要包含六大工序，即原料处理、溶出、赤泥分离洗涤、种子分解、蒸发和成品焙烧。文章从处理铝土矿的类型出发，分别介绍了适用于拜尔法处理一水硬铝石、一水软铝石、三水铝石生产氧化铝工艺的蒸发设备及流程，并介绍了各种铝酸钠溶液蒸发工序的能耗和节能改造措施的应用。

关键词：拜尔法；铝酸钠溶液；蒸发器；氧化铝；铝土矿 文献标识码：A

中图分类号：TF821 文章编号：1009-2374（2015）04-0082-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.0323

1 概述

近十年来，我国氧化铝工业发展迅猛，世界氧化铝工业新增长的产能中90%为中国氧化铝工业贡献。我国近年来新建的氧化铝厂大多采用拜尔法工艺生产氧化铝，现有的氧化铝厂大多分布在河南、山西、贵州、广西等一水硬铝石铝土矿产地和山东等方便进口一水软铝石和三水铝石的沿海地区。无论采用何种矿石，拜尔法处理铝土矿生产氧化铝工艺都具有流程短、能耗低、产品质量高等特点。相对于烧结法与串联法，在投资、生产管理、节能降耗等方面都具有巨大的优势。

拜尔法生产氧化铝主要包含六大工序，即原料处理、溶出、赤泥分离洗涤、种子分解、蒸发和成品焙烧。溶出工段为氧化铝工艺的反应阶段，即从铝土矿中提取氧化铝至碱溶液（铝酸钠溶液）。赤泥分离洗涤为分离溶出后的固体与液体并洗涤残渣，使残渣达到排放标准。种子分解工段的目的在于把铝酸钠溶液中，高浓度的铝成分分解成氢氧化铝。蒸发工段为处理分解后的铝酸钠溶液，采用换热蒸水的方式使溶液增浓，达到溶出工段对碱溶液浓度的要求，使碱液循环利用。这四大工序构成了拜尔法生产氧化铝的基本流程。而蒸发工段因使用大量的蒸汽加热而成为拜尔法氧化铝厂的能耗大户。现在，就我国拜尔法氧化铝厂主要处理的三种矿石分类，介绍一下适合各种矿石的蒸发方案。

2 拜尔法处理一水硬铝石的蒸发工艺

处理一水硬铝石生产氧化铝的拜尔法工艺，铝酸钠溶液的浓度较高，蒸发原液（低浓度的蒸发进料）Na2Ok（以氧化钠的形式表示的碱含量）大约为170～190g/L。蒸发母液（高浓度的蒸发出料）Na2Ok大约为240～250g/L。河南、贵州、广西等地区的一水硬铝石中碳酸盐含量较高，溶出过程中大量碳酸盐进入氧化铝生产系统。系统内富集的碳酸盐对氧化铝的种子分解反应过程有害，需要蒸发工段把部分铝酸钠溶液超高浓度浓缩至Na2Ok320g/L，进一步降温结晶排出碳酸钠晶体。山西矿因矿石原因，系统内碳酸钠无富集，无需排盐工序。铝酸钠溶液蒸发因黏度高、固含高、易结疤等特点，经常年的工业实践和学习、引进国外的先进技术，六效管式降膜蒸发器被现有氧化铝生产业主广泛采用。现有新建的处理一水硬铝石生产氧化铝的拜尔法工艺，铝酸钠溶液蒸发工段一般采用六效管式降膜蒸发器组+强制循环排盐蒸发器形式。蒸发器组是否包含强制循环蒸发器由矿石的性质决定，生产流程中无碳酸钠富集的系统不需强制循环排盐蒸发器。拜尔法处理一水硬铝石工艺中应用的六效管式降膜蒸发器组的汽水比（新蒸汽的用量与蒸水量的比）约在0.23～0.25左右，如需进一步降低蒸发工段能耗，可以增加原液闪蒸器与自蒸发器数量，增加蒸汽的利用次数。

现有处理一水硬铝石氧化铝厂的单线产能从几万t到80万t不等，而六效管式降膜蒸发器组的蒸水能力也从几十t每小时到370t每小时不等。现在新建的氧化铝厂普遍采用大型化、集成化设计，单线小产能的氧化铝厂已经逐渐被淘汰。对应于50万t氧化铝产能的拜尔法氧化铝厂，蒸发器组蒸水能力一般为240～300t/h，对应于70～80万t氧化铝厂，蒸发器组蒸水能力一般为360～370t/h。我国现有投入使用的最大的蒸发器为山西平陆县某氧化铝厂370t/h蒸发器组。

六效蒸发器组的设备一般包括：Ⅰ～Ⅵ效管式降膜蒸发器组；强制循环排盐蒸发器；Ⅰ～Ⅲ级自蒸发器；原液闪蒸器；水冷器；Ⅰ～Ⅵ效冷凝水罐；各效循环泵；Ⅱ～Ⅵ效过料泵；出料泵等。图1为六效管式降膜蒸发器流程图。物料从四效、六效分两段进料，四效进料经四、三、二、一和蒸汽逆流换热后，经三级闪蒸后出料，六效进料经过五效与蒸汽逆流换热后出料。新蒸汽从一效进入，与物料换热后形成新蒸汽冷凝水。换热后的高温物料在分离室闪蒸出二次蒸汽，进入下一效换热。以此类推，末效也就是六效的二次蒸汽因温度过低不能利用，进入水冷器，与循环水直接混合冷凝。新蒸汽冷凝水质量高，可以直接回电厂补充水分。各效加热室冷凝的二次蒸汽冷凝水在本效冷凝水罐内集中，在下一效闪蒸利用热量。最后二次蒸汽冷凝水从六效冷凝水罐经泵输送至蒸发工段外，供氧化铝厂其他工段使用。

图1 六效管式降膜蒸发器流程图

3 适用于处理一水软铝石的蒸发工艺

我国现有的氧化铝厂中处理一水软铝石的较少，主要分布在山东地区，矿石来源为进口澳大利亚矿石。处理一水软铝石生产氧化铝的拜尔法工艺中，铝酸钠溶液的浓度中等，蒸发原液Na2Ok大约为120～140g/L。蒸发母液Na2Ok大约为180～220g/L。一水软铝石工艺中，铝酸钠溶液依然是较高黏度、碱浓度、固含，所以采用同一水硬铝石工艺一样的六效管式降膜蒸发器组+强制循环排盐蒸发器形式。现有最常用的处理一水软铝石蒸发器组蒸水能力为240t/h，设备组成也与上述文字描述的六效管式降膜蒸发器相同。蒸发器组因处理铝酸钠溶液碱浓度中等，汽水比约在0.2～0.23左右。

4 适用于处理三水铝石的蒸发工艺

我国现有处理三水铝石的氧化铝厂同一水软铝石一样分布在山东地区，矿石来源为进口印度尼西亚、几内亚矿石等。处理三水铝石生产氧化铝的拜尔法工艺中，铝酸钠溶液的浓度较低，蒸发原液Na2Ok大约为110～130g/L。蒸发母液Na2Ok大约为160～180g/L。三水铝石工艺中，铝酸钠溶液蒸发同样可以采用六效管式降膜蒸发器组+强制循环排盐蒸发器形式。现有最常用的蒸水能力为240～280t/h，设备组成也与上述文字描述中的六效管式降膜蒸发器相同。蒸发器组因处理铝酸钠溶液碱浓度较低，汽水比约在0.19～0.2左右。

因为处理三水铝石生产氧化铝工艺中，铝酸钠溶液的浓度很低、沸点升低、可利用温差范围宽，所以除了可以采用较普遍的六效管式降膜蒸发器外，还可以使用七效管式降膜蒸发器。七效蒸发器流程基本与六效相同，相对于六效的优点在于二次蒸汽的多一次利用。蒸汽的利用次数越多，汽耗越低也就越节约能源。

七效蒸发器组的设备一般包括：Ⅰ～Ⅶ效管式降膜蒸发器组；强制循环排盐蒸发器；Ⅰ～Ⅳ级自蒸发器；原液闪蒸器；水冷器；Ⅰ～Ⅶ效冷凝水罐；各效循环泵；Ⅱ～Ⅶ效过料泵；出料泵等。

对于240t/h蒸发器组，七效相对于六效增加一台管式降膜蒸发器（Q235R，重约250t），一台冷凝水罐（Q235R，重约2t），两台溶液泵（总功率约160kW）。设备总投资增加约265万元，土建、仪表等其他投资约增加150万元，增加泵运行成本50万元/年（自备电厂，用电按0.4元/kWh）。而七效蒸发器汽水比为0.17～0.19，对于一个年产50万t的氧化铝厂，相对于六效年节约蒸汽约3.2万t。按每t蒸汽80元计，节约256万元，扣除泵运行增加成本，约两年即可回收成本。

5 结语

对于处理一水硬铝石、一水软铝石生产氧化铝工艺而言，六效、七效管式蒸发器组是适用于处理物料要求、生产运行成熟的设备。在节能降耗方面，应根据处理矿石的特点尽量多次利用蒸汽，如尽可能多增加效数、多级原液闪蒸，多级出料自蒸发，多级冷凝水自蒸发等，实现氧化铝厂的节能减排，为降低生产成本和我国的环保事业贡献一份力量。

参考文献

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[4] 阮奇，等.复杂逆流多效蒸发系统常规设计的模型与算法[J].化工学报，2001，52（7）.

作者简介：于水波（1981-），女，辽宁灯塔人，东北大学设计研究院（有限公司）工程师，硕士，研究方向：有色冶金行业氧化铝厂蒸发工段设计与节能方法；岳玲（1981-），女，辽宁沈阳人，东北大学设计研究院（有限公司）工程师，硕士，研究方向：有色冶金行业氧化铝厂分解工段设计；邵丹（1983-），女，辽宁阜新人，东北大学设计研究院（有限公司）工程师，硕士，研究方向：有色冶金行业氧化铝厂赤泥分离及洗涤工段设计。

（责任编辑：黄银芳）