氧化铝厂的生产工艺流程与设备改造

2020-12-20邓宝

中国金属通报 2020年10期

邓宝

（杭州锦江集团印尼项目部，山西运城 044300）

世界范围内大规模、深入的工业企业节能研究起始于上个世纪70 年代。经过第一次能源危机，使世界各国认识到，能源的合理利用既是企业产品的成本问题，也关乎国家的经济安全。其后，环境问题和能源价格的上涨趋势也日益突出，国家力量在能源开发及其利用技术上的影响日益加强，节能减排成为一般工业企业生产中的重要组成部分。我国工业企业的节能减排研究是随着我国工业体系的逐步建立而发展起来的。进入上个世纪80 年代以后，随着计划经济和短缺经济的结束、国企市场化改革的深入，我国的节能减排研究快速发展起来。尤其是进入新世纪以来，能源供应压力增大，环境问题日趋严峻，企业节能减排研究获得了政府的大力扶持，多个工业领域的节能工作取得了很大成绩。氧化铝工业是我国有色冶金行业的一个重要组成部分，对其生产工艺的节能降耗技术展开研究也是当前工业节能的重点之一。

1 氧化铝生产工艺概述

①拜耳法所谓拜耳法是因为它是由奥地利人k.J.拜耳在1989 年～1892 年提出而得名的。拜耳法用在处理高铝硅比的铝土矿时，特别是用在处理三水铝石型铝土矿时，流程简单，能耗低，成本低，作业方便，产品质量好以及纯度高等优点，其经济效益远非其它方法所能媲美。目前全世界生产的氧化铝和氢氧化铝，90%以上是采用拜耳法生产的。拜耳法的基本流程：在高温高压条件下，以NaOH 溶液溶出铝土矿，使其中的氧化铝水合物通过反应得到铝酸钠溶液，铁、硅等杂质进入赤泥；而向经过彻底分离赤泥后的铝酸钠溶液中添加晶种，在不断搅拌和逐渐降温的条件下经过分解，析出氢氧化铝AL（OH）3，并得到含大量氢氧化钠的母液；母液经过蒸发浓缩后再返回用于溶出新的一批铝土矿；氢氧化铝经过焙烧脱水后得到产品氧化铝A1203。由拜耳法的基本流程可以看出，拜耳法生产氧化铝有两大过程，即分解与溶出。分解是指铝酸钠溶液的晶种分解过程。摩尔比较低的铝酸钠溶液在常温下，添加氢氧化铝作为晶种，并不断搅拌，溶液中的A1203便以氢氧化铝形式慢慢析出，同时溶液中的摩尔比不断增大；溶出是指用分解母液溶出铝土矿的过程，析出大部分氢氧化铝的溶液，称之为分解母液，在加热时可以溶出铝土矿中的氧化铝水合物。交替使用以上两个过程就可以一批批处理铝土矿，得到纯的氢氧化铝产品。②联合法近年来，联合法的应用取得了很大的成就，该方法综合了拜耳法和烧结法两者的优点，取得较单一的拜耳法或烧结法均无法达到的效果，同时又使铝土矿资源得到更充分的利用，其经济指标介于拜耳法和烧结法之间。联合法原则上以拜耳法为主，烧结法只占生产的10%～30%。联合法有串联、并联和混联三种流程。串联法的实质是矿石先经过拜耳法溶出后，其赤泥再用烧结法处理，所得铝酸钠溶液同样并入拜耳法系统进行晶种分解，而从蒸发母液中析出的一水苏打则送入烧结法系统配料。进一步提取其中的氧化铝和氢氧化铝。

2 氧化铝厂的生产工艺流程与设备改造

2.1 氧化铝生产流程复杂

中国铝土矿因资源特点不完全适合直接用拜耳法处理,目前我国氧化铝生产工艺以混联法为主%在我国的六大氧化铝厂中有三个混联法厂，其产量约占我国氧化铝总产量的50%以上。与简单低耗的拜耳法相比，联合法和烧结法流程长而复杂、投资高、控制困难、能耗也高。

2.2 氧化铝厂过程控制系统（DCS）

①在管控中心办公楼设置氧化铝全厂中心控制室。中心控制室设服务器、工程师站、工操作站。中心控制室的控制系统由一组以太网交换机与各区域控制系统通讯。对整个氧化铝厂各车间集中控制操作。②根据工艺流程及各子项在总图上的区域配置，拟在原矿浆磨制、预脱硅及高压泵房、赤泥沉降分离洗涤、综合过滤、母液蒸发及碱液调配和氢氧化铝焙烧等主要车间设车间级操作员站并配置DCS 系统，DCS 系统与中心控制室进行通讯，③其它车间均按无人值守方式设置。所有车间和工段的控制系统均通过工业以太网络相应集中至全厂中心控制室集中监控。在中心控制室集中显示和操作，便于整个氧化铝厂各工段的整体调配、协调生产，实现生产过程监测、控制和管理的集中化，自动化和网络化等功能，使监控管理实现扁平化并相应减少操作人员，从而提高劳动生产率。监控氧化铝生产过程中各工序的工艺参数。所有工艺参数均可实时地在显示屏的流程图中动态显示。并能在整个流程画面中实时的标注出工艺参数的实际值、报警状态和操作状态等。

2.3 神经元网络法

神经元网络的全称是人工神经网络ArtificialNeuralNetwork，ANN，1990 年由Hansen 和Salamon 最早提出。该方法采用物理上可实现的器件或者采用计算机来模拟生物体中的神经网络的某些结构和功能，并运用于工程领域。神经元网络法具有联想记忆、自学习、优化计算和决策等功能，在模式识别、数据处理、人工智能、专家系统、预测预报等领域得到广泛应用。能源工作者把这一技术引入到企业系统能耗的分析中来，为系统能耗分析方法开辟了新的途径。

2.4 氧化铝厂生产执行系统（MES）

其是由计划管理、调度管理、质量管理、设备管理、能源管理、计量管理、统计分析等模块组成。①计划管理：通过氧化铝市场数据，原材料数据，设备状况，产量目标。制定调整生产的指令计划。编制年、月、日、旬、周、日生产计划。计划管理系统是企业管理的首要职能，是生产调度指挥的依据，是企业生产经济技术指标管理的一项重要内容，为其他系统提供目标参考数据。②调度管理：生产调度系统着眼于氧化铝生产全流程的监控、协调，以及突发事件的动态化管理与执行。对氧化铝生产过程关键工艺如原料磨制，高压溶出，沉降分离洗涤，分解，焙烧，母液蒸发的关键点指标计算，生产过程中突发事件处理等。利用良好的人机界面，提供调度决策。通过有效的作业排序和调度来优化车间性能。③质量管理：包括质检取样，质检日报，质检月报，出厂证书等功能。负责实验室样品采样、化验、判定、分析，同时根据检化验结果，形成各种质量统计分析报表。完成对质检标准制定、生产原燃料和产成品的质检取样、出具质检报告等。④设备管理：氧化铝厂生产中由于物料呈碱性，对设备的腐蚀及管道的结疤非常严重。设备的检修，酸洗系统启动或换组生产等工作十分频繁与复杂。利用设备的管理系统平台可有效的进行决策与控制。对设备运行状态、点检、状态检测、检验、保养维修、事故故障、技术改造等进行全过程控制与管理。⑤能源管理：包括能源数据，能源监控，能源统计，能源分析，能源平衡，能源考核等功能。可以对全厂相关的水，电，风，气进行优化管理。氧化铝生产消耗能源比较大。主要耗能工序为管道化溶出、母液蒸发、氢氧化铝焙烧等。⑥计量管理：计量管理系统由物资计量、能源计量、计量器具台帐管理、计量器具检修检定、计量器具状态管理系统等模块构成。主要是针对原料如铝土矿，石灰石，碱液等采购，氧化铝成品销售及厂内物资倒运、物资调拨过程进行的计量管理，采集检斤数据。对计量数据如水、电、气、蒸汽等进入DCS 系统部分进行自动采集，对汽车衡的检斤计量数据自动/手动采集。⑦统计分析管理：对于生产过程的各重要参数进行记录报表打印。以小时、班次、日、月为单位进行计算统计报表。可以随机和定时的打印。并可打印各重要参数的趋势曲线。历史数据自动存储；为历史的事件分析提供依据。编制生产报告和各种统计报表，为优化组织生产和生产调度指挥提供依据。

2.5 制造业生产调度系统的设计思路

生产调度系统是位于上层计划管理系统与底层工业控制层之间的、面向车间层的管理信息系统，在计划管理层与底层控制层之间架起了一座桥梁，填补了两者之间的空隙，不仅是面向生产的系统，而且是连接现场层和经营层，作为上、下两层之间双方信息的传递系统，改善生产经营效益的前沿系统。因此生产调度系统加强了制造计划的执行能力，解决了上层生产计划管理和底层生产过程脱节的矛盾，提高企业信息流的连续性和实时性，从而提高企业的敏捷性，也为企业实现敏捷制造打下坚实的基础。同时，生产调度系统能通过信息传递对从订单下达到产品完成的整个生产过程进行优化管理。当工厂发生实时事件时，生产调度系统能对此及时做出反应，并用当前的准确数据对它们进行指导和处理。这种对状态变化的迅速响应使生产调度系统能够减少企业内部没有附加值的活动，有效地指导工厂的生产运作过程，因此生产调度系统不仅提高了工厂及时交货能力，而且改善物料的流通性能，提高生产回报率。生产调度系统还通过双向的直接通讯在企业内部和整个产品供应链中提供有关产品行为的关键任务信息。

2.6 基于生产周期特征的氧化铝调度优化系统的功能

基于生产周期特征的生产管理解决方案是在生产调度系统的基础上，结合贵州某氧化铝厂的生产和管理特点，按照设备的工艺特点和生产的工艺流程、技术管理，着眼于企业的需求而设置的行业解决方案。基于生产周期特征的氧化铝调度优化系统是通过对各工序的分析和优化，对于和氧化铝生产相关的各个系统进行全面统一的信息集成，以协调各个生产部门的工作，实现了系统的多目标优化，保证氧化铝生产在动态实时环境下高效可靠的运转。基于生产周期特征的氧化铝生产调度优化系统是围绕生产过程设计，主要解决了生产过程中的计划、设备监控、指标控制、实时监控、工艺过程记录以及数据的采集与分析等问题，实现了生产过程的设备和数据信息的实时监控，从而及时发现生产中存在的隐患。