拜耳法生产氧化铝工艺的蒸发技术

汤志彩，王善涛

（山东南山东海氧化铝有限公司，山东 龙口 265706）

拜耳法生产氧化铝是目前应用最普及的生产方式，拜耳法生产氧化铝工艺的优点是能耗低、流程短、生产的氧化铝质量高，相对于烧结法生产工艺，具有投资少、易管理、能耗低等特点，所以目前我国新建设的氧化铝生产企业大多采用了拜耳法生产工艺。

目前我国的氧化铝产能超过了世界总产能的一半，而全世界新增产能的90%来自于中国氧化铝的扩建，大量的氧化铝生产企业集中在利用当地一水硬铝石铝土矿的河南、山西、广西和利用进口一水软铝石和三水软铝石的山东地区，由于生产矿石的不同，各自的蒸发方案也略有差异。

1 拜耳法生产工艺简介

拜耳法生产工艺的第一步流程是对铝土矿石进行破碎和研磨，添加含有大量液碱的母液调配成生产用的矿浆送入溶出工序。

在溶出工序，矿浆经过高温和高压反应制备成铝酸钠溶液。完成该工序的作业后溶液进入赤泥分离工序分离溶液中的溶出固体和液体洗涤赤泥后形成过饱和溶液在晶种分级工序添加晶种是溶液中的氢氧化铝析出。

蒸发工序采用蒸汽加热的方式处理分解后的溶液，使溶液中的水分蒸发达到增加溶液浓度的目的，浓度提高后的溶液可以用于调配矿石重新利用其中的液碱。这些工序就是拜耳法生产的基本工艺过程。因为不同性质的矿石其溶出难易程度有较大差异所需要的母液浓度是不一样的，所以各种矿石生产工艺的蒸发方案也存在差异。

2 一水硬铝石为原料的蒸发工艺

一水硬铝石的溶出难度较大、条件较为苛刻，制备的铝酸钠溶液有较高的浓度，蒸发原液碱含量约在170g/L～190g/L之间，母液的碱含量大约在240g/L～250g/L之间。

我国大部分地区的一水硬铝石含有较高的碳酸盐，在进行溶出反应时矿石中的碳酸盐会大量的进入到生产流程中，这对后续生产工序的分解反应过程有很大的负面影响，要降低这种影响需将溶液的浓度升高的320g/L左右，并将溶液中的杂质以结晶形式排除。山西的铝土矿碳酸盐含量相对较低，流程中碳酸钠无富集所以不需要排盐工序。铝酸钠溶液蒸发工艺一般采用六效管式降膜蒸发器组加上强制循环排盐蒸发器的形式。因为一水硬铝石中存在碳酸钠富集的情况所以在蒸发工序还需要强制循环蒸发器，这是由于矿石的原因决定的，如果不存在碳酸钠富集问题，蒸发工序可以不使用强制循环及排盐系统。但是蒸发器机组的新蒸汽消耗量与蒸发水量还是较高一般在0.24左右，这个问题可以通过增加自蒸发器的数量，提高蒸汽的循环利用次数来改善。

3 六效蒸发器机组的设备组成

随着氧化铝蒸发技术的不断进步，六效管式降膜蒸发器组的蒸水能力得到迅速提高，扩建的大型氧化铝企业普遍采用了大型化、集成化设计。蒸发器机组一般由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、出料泵等九大主要部分构成。根据工艺流程顺序生产物料从四效、六效分两段进入，四效进料经四效、三效、二效、一效与其中的蒸汽进行换热后经过三级闪蒸后出料，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溶液换热后形成新蒸汽冷凝水。

经过换热后的高温溶液在分离室闪蒸出二次蒸汽进入下一效换热并依次进行。经过以上工序到达六效的二次蒸汽蕴含热量较低失去生产利用价值后进入到水冷器中混合循环水冷凝后供其他用水工序使用。蒸发过程中利用新蒸汽换热后形成的冷凝水水质较高可以再次送到电厂作为锅炉用水。其他各效加热室中换热后的二次蒸汽冷凝水在水罐中聚集进入下一效闪蒸利用蕴含在其中的热量。最终形成的二次蒸汽冷凝水在六效冷凝水罐中进入到离心泵中并由离心泵输送的其他工序继续使用。

4 一水软铝石为原料的蒸发工艺

由于我国的铝土矿多是一水硬铝石，所以以一水软铝石为生产原料的多是新建的氧化铝企业，这些企业以进口澳大利亚的矿石为原料，主要分布交通便利的在山东地区，相对于一水硬铝石，一水软铝石制备溶液的浓度要低一些，原液的碱含量在130g/l左右，母液的碱含量在180g/l～220g/l之间，其溶液的黏度和液碱的浓度、固含等也是比较高的，蒸发工艺也是六效管式降膜蒸发器加强制循环与一水硬铝石蒸发类似。处理这种矿石的蒸发器机组的蒸水能力在240t/h左右，汽水比约在0.2～0.23左右。

5 拜尔法处理三水软铝石的蒸发工艺

我国的铝土矿主要是一水硬铝石和一水软铝石，而三水软铝石主要是进口的铝土矿，现在处理三水软铝石的氧化铝生产企业主要集中在山东地区，由于交通便利山东地区的氧化铝生产企业大量进口来自其他国家的三水软铝石生产氧化铝。三水软铝石生产氧化铝工艺的特点是其铝酸钠溶液的浓度相对较低，蒸发原液中的碱含量只有110g/L～130g/L左右，而蒸发母液的碱含量在160g/L～180g/L之间。利用三水软铝石生产工艺中铝酸钠溶液的蒸发技术同样可以利用六效管式降膜蒸发器组加上强制循环排盐蒸发器形式。其中最常用的蒸发器机组的蒸水能力在240t/h～280t/h，蒸发机组的组成也与六效管式降膜蒸发器一样，蒸发器组处理铝酸钠溶液碱浓度较低，汽水比约在0.19～0.2左右。由于三水软铝石生产氧化铝工艺流程中的铝酸钠溶液的浓度低可利用的温差范围更宽，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。

6 七效蒸发器机组的设备组成

七效蒸发器流程基本与六效相同，相对于六效蒸发器七效蒸发器的优点在于二次蒸汽可以多利用一次，蒸汽利用的次数越多，蒸汽消耗也就越低，这样可以节约更多的蒸汽消耗降低生产成本。

七效蒸发器机组主要由：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、冷器、Ⅰ～Ⅶ效冷凝水罐、各效循环泵、Ⅱ～Ⅶ效过料泵、出料泵等组成。

其实七效蒸发器相当于六效蒸发器再增加一台管式降膜蒸发器，所以实际上可以通过技改将六效蒸发器变为七效蒸发器。以50万吨氧化铝厂240t/h的蒸发器机组的技改为例，其基本成本如下：

设备总投资增加约265万元，主要包括1台Q235R的管式降膜蒸发器和1台Q235R的冷凝水罐再加上两台总功率为160kw的离心泵。

安装蒸发器、水罐、离心泵的土建和管道材料需150万元左右，另外投入运行后还要增加每年约50万元左右的运行成本。由于七效蒸发器的汽水比可以达到0.17～0.19之间，每年可节约3.2万吨蒸汽，每年可产生250万元以上的经济效益。

7 结语

蒸发工序是保持拜耳法生产工艺系统液量平衡的关键，蒸发工序的蒸汽消耗量占氧化铝生产所用蒸汽总消耗量的40%左右，因此蒸发工序的节能降耗工作有很大的挖掘潜力，掌握不同的铝土矿生产氧化铝工艺及其对蒸发工序的影响，结合企业生产的实际情况，尽量将蒸汽进行多次利用减少浪费，通过技改增加蒸发效数以及增加高效的闪蒸装置实现氧化铝生产的节能减排不失为一个好办法。