关键词:氧化铝生产系统;余热回收利用;节能降耗
氧化铝生产从矿石开采、磨制、溶出、蒸发到焙烧生成氧化铝,每一个作业,每一个工序,都要消耗大量的电、煤、燃油等能源。
一、氧化铝工业生产过程中的能源消耗分布
通常情况下，氧化铝工业生产过程中能源消耗分布可大致分为两个方面：①进入氧化铝工业生产系统的能源消耗分布。在氧化铝工业生产过程中，能源消耗主要集中在蒸汽耗能、电力耗能等方面。蒸汽可分为高压蒸汽和低压蒸汽两部分，其所消耗的能量占据能源消耗总量的60%。水则分为新水和循环水，而氧化铝工业生产系统的燃料消耗主要有石灰石、氢氧化铝等焙烧所需能源。②氧化铝工业生产过程中蒸汽的能源消耗分布。众所周知，氧化铝工业生产工序主要有预脱硅、溶出、蒸发等阶段，而在众多工艺过程中，溶出和蒸发两个生产过程所消耗的蒸汽能量高达系统消耗蒸汽总量的67%，且占据了整个氧化铝生产过程能源消耗总量的40%。
二、节能降本技术的研究成果
1.拜耳法高温强化溶出技术研究。我国铝土矿属一水硬铝石型铝土矿，其溶出需在高温、高碱条件下溶出，温度与碱浓度是影响溶出性能的关健因素。通过控制碱浓度和温度，可提高溶出率，大大改善溶出指标，提高系统的循环效率从而提高氧化铝产量，摊薄整个氧化铝的生产成本。该研究采用3个地区的铝土矿作为试验研究原料，分别是贵州遵义矿、贵州清镇矿和广西德保矿，对这3种铝土矿进行了溶出试验后，其结果如下:（1）提高溶出温度可使相对溶出率提高2%～3%，建议溶出温度采用265℃～270℃为最佳，既可以有效提高溶出率，也能控制一定的溶出热耗。（2）为了提高系统的循环效率同时也控制蒸发水量，建议循环母液碱浓度适宜在235～255g/L。（3）为了适当降低碱耗并保证较好的溶出率，建议石灰添加量控制在7%～10%。（4）为了减少设备投资同时保证较好的溶出率，建议溶出停留时间为50～65min。（5）优化闪蒸及冷凝水系统可有效提高二次汽预热矿浆温度，从而降低溶出热耗。
2.高效赤泥快速分离及洗涤技术研究。目前拜耳法生产氧化铝赤泥主要采用大型平底沉降槽和深锥高效沉降槽处理，大型平底沉降槽对生产的波动适应性强，絮凝剂用量较少，清理结疤、检修维护方便，但存在氧化铝水解损失大，洗涤效率较差等缺点。深锥高效深锥沉降槽，洗涤效率好，水解损失小，但存在絮凝剂用量多，清理结疤难、检修维护工作量大等缺点。高效压滤机是一种高效快速固液分离的设备，其分离洗涤效率高，赤泥附碱损低，同时分离时间段可降低氧化铝的水解损失，降低洗水用量，提高精液Nk浓度，提高循环效率，降低蒸发蒸汽消耗。因此，将高效压滤机引入赤泥分离及洗涤工段，并研究赤泥洗涤效率提高后，拜耳法生产相关技术指标的调整以及由此带来的经济效益。
3.分解槽大型化及搅拌节能技术研究。近年来氧化铝生产单条线规模已扩大到80～140万t/年，现有φ14×36.5m、平均有效容积4500m3左右的分解槽已难以满足市场对减少占地、减少投资、减少能耗的需求，因此，分解槽大型化的需求越来越迫切。本次研究开发的φ18×42m规格、体积约10500m3分解槽，为世界首创。（1）研发过程。仿真模拟搅拌试验。首先建模进行现有φ14 m分解槽仿真模拟搅拌试验，在验证了φ14m分解槽仿真模拟结果与实际生产数据相符，并确认了所建仿真模型的可靠性后，再开展了φ18 m分解槽的仿真模拟搅拌试验。搅拌器研发。搅拌器设计研发的关键技术路线—基于Fluent的分层均化搅拌理论进行φ18m分解槽的搅拌器研究。传统的分解槽搅拌设计过程中，通常按分解槽的高度来设置桨叶层数，如φ14×37m分解槽一般设置5层桨叶，按流体力学的相似原理，开发φ16m及φ18m分解槽时，高度达到40m及以上，桨叶层数将达到6～8层，而搅拌功率也将高达130～160kW。通过对分解槽进、出料状态的分析，并经Fluent软件的多次论证计算，φ18m分解槽采用3层桨叶即可满足要求，既保证了物料的停留时间，也确保了底部搅拌达到固液悬浮而不过多地沉积，从而实现整个分解槽从下至上湍流－自流－层流的三层均化状态。该次开发设计的φ18×42m分解槽，分别应用了单轴和三轴分层均化搅拌并进行了模拟仿真计算，搅拌设计计算主要包括桨叶的选择、桨叶层数和搅拌转速3个方面。（2）研究结论。与φ14×36.5m分解槽相比，φ18×42m总占地面积节省3496m2，减少占地约20%。1台φ18×42m分解槽与2台φ14×36.5m分解槽对比，总重量减少约10%，单位有效容积建设费用减少约14%。相对φ14m的分解槽，φ18×42m系列分解槽总年电耗节省11169×103kWh，相比减少约42%的电耗。
4.焙烧炉烟气余热深度回收及利用技术研究。焙烧能耗约占氧化铝综合能耗的30%，而氧化铝厂中氢氧化铝焙烧炉的排放烟气温度高达150℃～190℃，烟气不仅带走大量热量、水和部分氧化铝，而且还会造成环境负荷加大等问题。针对此情况，国内外很多氧化铝厂都采取了多种措施来回收焙烧炉烟气余热，这些氧化铝厂所采用的方法均为将排烟温度尽量降低，但还是控制在酸露点温度(145℃)以上，以防止发生腐蚀，回收的热量将低温水加热用于生活用水或生产洗涤用水等。然而，这种烟气余热回收方法仅是利用了烟气的部分显热，对于氢氧化铝焙烧炉烟气而言，烟气的显热仅占烟气总热量的20%左右，80%左右的热量是烟气中水蒸汽的潜热，因此采用上述方式时，大量的烟气余热仍未得到利用。
同时，烟气中的SO2(SO3)和粉尘也并没有得到有效控制。因此，研究如何进行烟气余热深度回收利用并回收其中的水和氧化铝具有重大的现实意义。
三、氧化铝生产节能降本技术研究的应用分析
1.氧化铝生产节能降本技术应用的方案比较。若将节能降本技术研究成果应用在国内某氧化铝厂的设计中，不仅可节约投资费用，还可降低生产成本。其具体应用方案见表1。
.png)
表1节能降本技术应用在某氧化铝厂设计中的比较表
从上表看出，采用节能降本技术后对于整个氧化铝厂的投资和成本均有显著的效果，不仅大大降低了投资费用，还有效地减少了能耗从而降低生产成本。
2.技术经济比较。国内某氧化铝厂的生产成本为1681.62元/t－Al2O3，若将以上节能降本技术应用在该厂的设计中，生产成本可降低为1623.87元/t－Al2O3，节约成本57.74元/t－Al2O3。其生产成本比较见表2。
.png)
表2节能降本技术应用在某氧化铝厂设计中成本比较表
3.能耗比较。将该文研究的拜耳法高温强化溶出技术、高效赤泥快速分离及洗涤技术、分解槽大型化及搅拌节能技术、焙烧炉烟气余热深度回收及利用技术4项研究成果应用于国内某氧化铝厂，4项节能降本措施应用于国内某氧化铝厂后，可使该氧化铝厂的综合能耗从目前的9.5GJ/t－Al2O3的降低到9.08GJ/t－Al2O3，降低值达0.42GJ/t－Al2O3，节约能耗4.39%。根据上述的分析比较结果可知，在新设计的氧化铝厂中若采用本研究项目的4项综合节能技术，可节约成本约3.43%，降低氧化铝综合能耗约4.39%。建议在以后的氧化铝新厂设计中根据实际情况选择性地采用本项目的节能技术并实施，可大大降低投资及成本，其经济效果明显。
在可持续性经济发展理念的指导下，节能环保不仅成为各行各业发展的重要原则，还是企业增强社会影响力的重要方式。
参考文献：
[1]林建，范文波.拜耳法生产氧化铝节能降耗的探讨[J].冶金与材料，2017，37（5）:1-2.
[2]吴俊.拜耳法生产氧化铝工艺节能降耗的探讨[J].工艺节能，2017（2）:23-26.
论文作者:陈 勇
论文发表刊物:《科学与技术》2019年第18期
论文发表时间:2020/3/16
标签：氧化铝论文; 分解论文; 烟气论文; 节能论文; 桨叶论文; 蒸汽论文; 余热论文; 《科学与技术》2019年第18期论文;