铝土矿溶出技术装备大型化发展现状和趋势分析

许文强，董 菲，王 宁

（东北大学设计研究院（有限公司），辽宁 沈阳 110166）

拜耳法是处理铝土矿流程简单、作业方便、产品质量高的一种氧化铝生产工艺，目前世界上95%以上的氧化铝企业均采用拜耳法工艺处理铝土矿。拜耳法生产工艺的核心是铝土矿矿浆的溶出工序，其目的是使铝土矿和循环母液在一定温度下反应，生成铝酸钠溶液，反应式为：

Al2O3·(1或3)H2O+2NaOH+aq→2NaAl(OH)4+aq

由于世界各地铝土矿矿石化学成分和矿相组成不同，所需要的溶出条件差别很大。国内的矿石主要为一水硬铝石型，普遍采用高温、高碱的溶出工艺，国外的矿石主要为三水铝石型，普遍采用低温、低碱的溶出工艺。

目前中国一水硬铝石型铝土矿溶出工艺技术装备主要有三类，分别是压煮溶出技术装备、管道化加停留罐溶出技术装备和全管道化溶出技术装备，都采用高压蒸汽间接加热技术。

以上溶出技术装备在国内总产能的应用情况为，以一水硬铝石为原料生产氧化铝方面，从2008年至2016年，氧化铝单线500～1000kt/a大型化管道化溶出拜耳法系列技术和大型化管道化加溶出拜耳法系列技术贡献了中国总产能的33%，成为主流生产系列技术；以三水铝石为原料生产氧化铝方面，主流系列是单线400kt/a氧化铝管道化溶出加停留罐拜耳法系列技术，约占目前中国总产能的17%，单线500kt/a管道化溶出加停留罐拜耳法系列技术发展迅速，目前已占中国总产能的14%；而过去从1954年至今约60年间投用的传统压煮溶出拜耳法技术和烧结法、混联法技术只占目前中国总产能的36%。

近年来，我国在处理一水硬铝石型铝土矿技术方面取得了巨大的进步，特别是采用拜耳法大型管道化溶出技术处理中低等品位铝土矿，完成了主体核心技术装备及辅助装备大型化、高效化、短流程和集约化转变，从而实现了中低品位铝土矿的经济生产，主要技术和经济指标达到世界先进水平，一定程度上克服了处理一水硬铝石型铝土矿在成本方面的不足，其低成本特征在市场竞争中得到了全球氧化铝业界的认同。

1 发展现状

中国氧化铝生产技术从1954年起步，从1954年至1995年，中国处理一水硬铝石型铝土矿氧化铝主流系列是单线约200kt/a氧化铝系列技术，生产技术主要有处理中等品位铝土矿的混联法和处理低品位铝土矿的烧结法等传统技术。从1995年至2008年，拜耳法技术在中国迅猛发展，氧化铝主流系列是处理A/S≥7～9的铝土矿，单线≤400kt/a氧化铝压煮溶出拜耳法技术，以上传统技术目前约占中国总产能的36%；2008年以前氧化铝厂系列规模主要受核心单元压煮溶出技术的规模限制，单线最大产能只有40万吨。

近年来，随着氧化铝工业的迅猛发展，氧化铝厂大型化已经是世界氧化铝技术发展的一个重要趋势。氧化铝厂大型化具有明显的经济效益、环境效益和社会效益。要实现氧化铝厂规模和装置大型化必须首先实现溶出技术及装备的大型化。中国一水硬铝石型铝土矿的理化特性，决定了拜耳法生产氧化铝技术必须采用能耗高的高温高碱浓度强化溶出技术，溶出技术及装备的进一步大型化势必带来系统流量、系统阻力的成倍提高。更大规模的高压设备制造难度大、投资高、成本高，这些都制约了中国氧化铝单系列生产规模进一步大型化。

近些年，在总结氧化铝各阶段技术开发过程的经验基础上，通过致力于氧化铝节能减排技术及装备的开发，在氧化铝高压溶出核心技术装置大型化方面取得了突破性进展，东北大学设计研究院（NEUI）于2007年率先开发了当时国内单组产能最大的500kt/a氧化铝大型管道化加停留罐溶出技术及装备[1]，并于2008年12月在孝义兴安化工有限公司投运，成功解决了氧化铝大型化的核心技术难题。这是当时中国拜耳法处理一水硬铝石型铝土矿第一条单组500kt/a氧化铝的大型管道加停留罐溶出机组，取得了溶出高压汽耗1.5t/t-Al2O3的领先技术经济指标。此后，NEUI对氧化铝大型化技术进行了持续优化开发，相继开发出NEUI600～1000kt/a管道化加停留罐溶出技术[2]。

随着NEUI大型管道化加停留罐溶出技术的持续开发，为进一步优化氧化铝厂核心技术，NEUI相继开发出600～1000kt/a全管道化溶出技术及装备，2014年，NEUI800kt/a在山西复晟铝业率先投入产业化应用，成功完成了氧化铝大型化核心技术的再创新[3-5]；

中国一水硬铝石型铝土矿生产氧化铝技术的进步，也促进了近年以进口三水铝石矿为原料的氧化铝企业的技术进步。以三水铝石矿为原料的氧化铝主流系列是单线＜400kt/a氧化铝系列技术，约占目前中国总产能的17%，主要采用单流法大型管道化溶出技术。近年来，氧化铝单线500kt/a系列技术发展迅速，目前已占中国总产能的14%，主要采用单流法大型管道化加停留罐溶出拜耳法技术。

2 影响溶出的因素及技术进步

一水硬铝石铝土矿本身具备的理化性能使其难磨、难溶。影响溶出过程的因素较多，传统上根据溶出技术的影响因素确定的工艺技术指标近些年随着生产实践的不断摸索，很多方面也发发生了跨越式的革新。主要体现在以下几个方面[6]：

1)溶出温度。温度是溶出过程中最主要的影响因素，通常一水硬铝石适宜的溶出温度约为250～265℃。目前，随着中国铝土矿资源的匮乏，尽可能提高溶出温度，从而达到更高的溶出率回收氧化铝已经成为普遍的发展趋势。目前的生产实践已经普遍采用了265～280℃的溶出温度。同时，溶出温度的提高也意味着能耗的增大，所以针对不同地区的矿石性质寻找适宜的能耗和溶出率的平衡点是确定溶出温度的关键。

2)溶出时间。在铝土矿溶出过程中，增加溶出时间，Al2O3的溶出率就会增加，直到达到最大溶出率。通常一水硬铝石适宜的保温溶出时间为50～60 min，随着溶出温度的提高，溶出时间必然也会相应缩短。

3)循环母液碱浓度。相同条件下，循环母液碱浓度越高，铝土矿中Al2O3的溶出速度越快。一水硬铝石适宜的碱浓度（以苛性碱表示）为220～245g/L

4)搅拌强度。足够大的搅拌强度可使整个溶液成分趋于均匀，从而强化传质过程，加速溶出效果。近年随着生产实践的不断摸索，在充分考虑搅拌带来的溶出率的提高以及生产运营中溶出搅拌消耗的一系列费用的情况下，取消溶出搅拌已经为很多企业采用。

5)配料分子比。分子比数值越高，即单位重量的矿石的碱量越高，溶出速度越快，但是会降低循环效率，增大物料流量。通常溶出分子比为1.40～1.45。

近年随着生产实践的不断摸索，在充分考虑配料分子比的提高以及降低循环效率消耗的一系列费用的情况下，溶出分子比在探索中有逐步降低的趋势。

6)矿石细磨程度。在一定程度上，矿石粒度越细，溶出速率越大，但矿石粒度过细将造成赤泥分离洗涤困难，增加运营成本。磨矿细度为0.15～0.4mm。

生产氧化铝的拜耳法溶出技术经过在中国经过几十年的实践应用，影响一水硬铝石型铝土矿溶出的主要因素还是以上一些方面，溶出技术的基础理论基本没有改变，但是最适宜的一水硬铝石型铝土矿溶出的技术指标在生产实践中经过多年的摸索，很多方面也发发生了跨越式的革新。特别是在如何采取适宜的技术指标达到生产运营成本最低、检修费用更低，将理论研究与与实际生产更完美的实践结合等方面中国铝工业已经有了长足进步。

在确定了最适宜的一水硬铝石型铝土矿溶出的技术指标的基础上，采用何种溶出技术及装备实现以上技术指标并且达到投资最低、运行成本最低、节能、环保、安全、简化生产操作及清理检修则是氧化铝企业最关键的环节。

3 装备大型化技术方案分析

3.1 传统压煮溶出技术装备

传统上国内规模较大的氧化铝厂铝土矿矿浆的溶出工艺多采用压煮溶出技术装备，最大处理矿浆量仅为500m3/h，即对应氧化铝厂单系列最大产能只有～400kt/a氧化铝[7-8]。压煮溶出技术主要的生产设备为套管预热器+预热压煮器+加热压煮器+保温压煮器+闪蒸器。压煮溶出技术装备存在以下弊端：

1）理论和生产实践证明，预热压煮器采用闪蒸汽的二次汽加热，加热压煮器采用新蒸汽加热，矿浆在压煮器的管束上容易结疤，传热系数仅为540～650Kcal/m2.h.℃，热利用率低。另外只有压煮器内的加热管束被料浆完全淹没时，加热面积的利用率才是最大的，热效率才最高，因此运行时必须通过定期开启不凝性气体管道上的阀门将料浆不凝性气体予以排除，才能达到压煮器内的加热管束利用率最大。

2)压煮溶出工艺的压力容器多，投资大。特别是预热压煮器和加热压煮器都是内部装有加热管束，加热管束数量多，至少占用了14～16台溶出器。而14～16台溶出器的投资远远大于容器内加热管束的投资。且压煮器须配备搅拌等设施，增加了一系列投资和运营成本。

3)压煮溶出工艺预热压煮器和加热压煮的加热管结疤清理困难，不能采用简单的水力清洗。需配套酸洗站、碱洗设施和火法清理设施，从而又增加了工程投资和运营成本。

4)压煮器设备尤其受到设备制造难度的限制，很难继续增大单台设备处理能力。

3.2 大型管道化加停留罐溶出技术装备

NEUI于2007年率先开发的当时国内单组产能最大的500kt/a氧化铝大型管道化加停留罐溶出技术及装备[3]，成功解决了氧化铝大型化的核心技术难题。这是当时中国拜耳法处理一水硬铝石型铝土矿第一条单组500kt/a氧化铝的大型管道加停留罐溶出机组，取得了溶出高压汽耗1.5t/t-Al2O3的领先技术经济指标。此后，NEUI对氧化铝大型化技术进行了持续优化开发，相继开发出NEUI600～1000kt/a管道化加停留罐溶出技术。同传统溶出技术相比，该技术节能效果达1.71GJ/t-Al2O3，节约占地30%，减少劳动定员36%，降低投资35%。大型管道化加停留罐溶出技术主要的生产设备为套管预热器+套管加热器+保温停留罐+闪蒸器。该技术优势如下：

1）实现了技术装备大型化。本技术装备处理矿浆能力大，突破了压煮溶出工艺处理矿浆能力的限制，本工艺单套设备处理矿浆量可达到约650～1000m3/h，相比压煮溶出工艺提高处理量约1.5～2倍。

2）节能型工艺，热利用率高。采用多内管套管预热器和加热器进行铝土矿矿浆的预热及加热，在本工序的操作温度范围内，传热系数可达到900～1200Kcal/m2.h.℃，相比传统溶出工艺综合节能30%以上。

3）降低工程投资和运营成本。多内管套管预热器和加热器比预热压煮器和加热压煮器投资大大降低，并且压煮器需要设置机械搅拌以及润滑油系统，需要耗电，而采用多内管套管预热器和加热器不存在这方面的投资。

4）多内管套管预热器和加热器清洗简便，运行周期长。相比压煮溶出工艺预热压煮器和加热压煮器的加热管结疤清理困难、清洗时间长的问题，采用本工艺多内管套管预热器和加热器一般只需要定期进行水力清洗，简单方便，且无酸碱对设备的腐蚀以及酸碱对环境的影响。

5）采用无搅拌系统停留反应器，降低了系统的维护工作，减少了运营费用。

6）采用水冷式乏汽回收器回收传统工艺需要外排的二次蒸汽，减少了能量损失。

7）采用全程管道保温代替压煮溶出工艺的保温厂房保温，降低投资且方便生产操作。

8）工艺配管简单，生产操作及清理检修方便，降低了生产操作难度和检修难度。

3.3 大型全管道化溶出技术装备

随着NEUI大型管道化加停留罐溶出技术的持续开发，NEUI相继开发出600～1000kt/a全管道化溶出技术及装备，再次开创了中国氧化铝厂全管道化溶出技术大型化的先河。大型全管道化溶出技术装备实现了单线年产100万吨氧化铝管道化溶出一水硬铝石低品位矿石成套技术装备，取得了溶出高压汽耗1.40t/t-Al2O3的领先技术经济指标，其主要生产装备为套管预热器+套管加热器+大型管道保温器+闪蒸器。大型全管道化溶出技术装备主要创新点如下：

1）采用双组三内管高热效率加热器并联技术，解决了大口径无缝钢管制造难度大、热效率低的问题，提高了运转率；有效的降低了管道系统阻力和隔膜泵功率，提高了蒸汽热利用率，双并联技术还可以互为切换清洗，清洗简便，运行周期长，大幅降低了停车及检修时间，设备一次投资费用和运行费用大大降低；

2）集成应用了高温冷凝水加热矿浆节能技术。

3）采用大型管道保温器装备代替了大型管道化加停留罐溶出技术的停留罐，管道化溶出技术处理一水硬铝石铝土矿，高温高碱高压工况下管式反应器更加安全可靠，制造周期短、投资费用低、运行费用省，降低了生产运营的难度，有效提高了能量利用率。

4）采用自蒸发器内部结构优化技术：通过优化自蒸发器内部捕液器，解决了大型闪蒸器二次乏气带料问题；有效降低热损失，提高蒸汽热利用率；

5）采用自蒸发器底部出料、阶梯布置技术，解决了自蒸发器大型化后易于积料、闪蒸量不足的问题，提高了热能利用率；

6）将预脱硅加热套管与溶出套管一体化集成配置，末级闪蒸二次蒸汽直接进入预脱硅套管，缩短输送距离，降低管网负荷，提高热利用率；并减少了前段工序占地，便于管理和维护；

4 结论

一水硬铝石型铝土矿普遍采用高温、高碱浓度的溶出方式，不同的一水硬铝石型铝土矿处理条件也有较大差别。因此针对不同矿石，应以矿石加工试验报告为依据，结合实践经验，确定其具体的处理条件和技术指标，同时也要根据项目规模、现场施工条件等情况综合考虑，最终确定选用何种溶出技术装备。

近十年中国氧化铝拜耳法生产技术装备的发展经历了从单线小规模、高能耗、低效率向单线大规模、低能耗、高效率发展的过程，对于氧化铝企业来说，大型化是降低成本、节能减排最有效途径之一。大型管道化加停留罐溶出技术装备和大型全管道化溶出技术装备符合大型化趋势的要求，近年该技术装备发展迅速，目前已占中国氧化铝总产能的33%，该技术使低品位的一水硬铝石型铝土矿实现了经济生产，生产装置的大型化促成了投资成本和运行成本的大幅降低。特别是随着NEUI1000kt/a大型管道化溶出拜耳法技术于2016年投产，氧化铝大型化技术的产能占比将会进一步提升。同时按照国家一带一路、两化融合战略，实现溶出技术装备进一步智能化创新技术，将先进技术装备输向国外，有助于实现我国从“铝工业大国”走向“铝工业强国”绿色发展的跨越。