氧化铝工艺节能分析及优化设计应用

金 刚，杨小平

(贵阳铝镁设计研究院有限公司，贵州 贵阳 550081)

0 引 言

拜耳法氧化铝生产中能耗大约占生产成本的30%，随着能源价格不断上涨，节能降耗就成为降低氧化铝生产成本的重要途径之一。2010年前中国一水硬铝石拜耳法生产氧化铝的综合能耗通常在10～13 GJ/t-Al2O3，近几年来中国氧化铝行业在节能降耗上取得了一定的成果，一些设计新建采用一水硬铝石矿生产的氧化铝厂，氧化铝综合能耗已经降到了9.5 GJ/t-Al2O3以下，处于世界同类型企业的领先水平。目前，氧化铝工艺的优化设计已经逐步在国内氧化铝行业中得到应用，也成为了企业降本增效的必要条件和措施。如何降低新建和已有氧化铝厂的生产能耗和成本，工艺优化设计将成为关键因素，也将成为未来氧化铝技术发展的方向和趋势。

1 氧化铝工艺能耗分析及节能降耗方向

1.1氧化铝工艺能耗分析

在拜耳法生产氧化铝过程中，工艺能耗主要由蒸汽、电力、水、压缩空气和焙烧燃料组成，如图1，其中蒸汽、电力和焙烧燃料3项占工艺能耗约95 %，氧化铝系统节能降耗的关键就在于如何尽可能地降低这3项能耗。目前我国氧化铝工艺设计中焙烧炉均采用流态化焙烧炉，其中比较先进的焙烧炉能耗也已降至2.9 GJ/t-Al2O3以下，再继续降低能耗的空间不大，因此进一步降低蒸汽和电力的消耗也就成为优化设计节能降耗的研究方向。

1.2 氧化铝节能降耗方向

1.2.1 蒸汽能耗分析及节能降耗方向

在氧化铝生产系统中蒸汽的消耗是最大的能耗介质，全厂蒸汽主要是用于溶出矿浆的加热和分解母液的蒸发浓缩，另外预脱硅矿浆的加热、全厂用热水的加热、各工序的化学清洗液加热等也需要消耗蒸汽。溶出工序的蒸汽消耗是氧化铝系统蒸汽的主要消耗，对于一水硬铝石矿生产氧化铝，溶出汽耗在1.50～1.75 t/t-Al2O3，而蒸发等其它工序汽耗约在0.5～0.75 t/t-Al2O3。

图1 氧化铝工艺能耗分布比例图

近年来，高温高压溶出技术有了较大的改进和优化，采用全管道化溶出技术已经大大提高了换热效率，使得溶出的实际汽耗已经十分接近理论值，因此，对于溶出工序进一步降低汽耗的措施应该是提高相对溶出率从而提高全厂循环效率，同时减少蒸汽输送过程的损失，这是溶出工序进一步节能降耗的有效途径和方向。

蒸发的汽耗也是氧化铝系统能耗较大的一个工序，目前氧化铝行业应用最广泛的是六效逆流降膜蒸发技术，其蒸发汽水比一般可达到0.24 t-汽/t-水以下，近年来新型的七效逆流降膜蒸发技术也开始逐渐使用，其汽水比可降至0.2 t-汽/t-水以下。因此，对于蒸发工序进一步降低汽耗的措施主要是采用新型节能蒸发技术，并充分回收乏汽余热，以及减少蒸汽输送过程的损失，这是蒸发工序进一步节能降耗的有效途径和方向。

1.2.2 电耗分析及节能降耗方向

在氧化铝生产系统中电耗是第三大能耗，对于国内的一水硬铝石拜耳法氧化铝厂，其工艺电耗约在220～260 kwh/t-Al2O3，工艺电耗主要是氧化铝生产系统各种设备用电，其中物料输送所耗电占整个电耗约80%以上。因此，降低电耗的有效措施要从降低生产系统小时物料流量减少输送设备用电负荷、采用合理的总图布局和车间配置整合以减少物料输送距离入手，这是进一步降低全厂工艺电耗的有效途径和方向。

2 氧化铝节能优化技术的设计应用

2.1 系统节能优化

循环效率是评判整个氧化铝生产系统能效成本的关键指标，循环效率越高则氧化铝生产系统的单位能耗和生产成本越低，而与之相关的3个因素分别为循环母液Nk浓度、溶出液Rp1及分解母液Rp2。从循环效率公式η=Nk×(Rp1—Rp2)来看，提高循环效率主要是提高系统循环母液碱浓度、提高溶出率和分解率。

经计算，当循环母液Nk浓度从240 g/L提高至250 g/L，溶出液Rp1从1.15提高至1.18，分解母液Rp2从0.58降低至0.55时，其循环效率可从136.8 kg/m3提高至157.5 kg/m3，也就意味着氧化铝生产系统的单位能耗和成本分别可降低约15 %。因此，从系统节能综合考虑，氧化铝生产系统优化设计应适当地提高循环母液碱浓度，选择最佳的溶出温度来提高溶出率，制定最优的分解制度来提高分解率，以尽可能地提高循环效率，达到整个氧化铝生产系统节能降耗的目的。

2.2 新型节能技术及大型设备的研发应用

新型节能技术和大型设备的研发应用使氧化铝工业节能降耗的水平更上一层楼。

近年来，我国氧化铝行业研发了一些新型的节能技术，其中包括七效逆流降膜蒸发技术，其蒸发汽水比可达到0.18 t-汽/t-水，比六效蒸发节约汽耗约20 %以上，其节能效果明显，目前在我国某氧化铝厂已经建成投产，运行情况良好。

设备大型化也是一种有效的节能途径，它可以减少设备数量和设备运行功率，如分解采用大型Φ18×42 m的分解槽技术不仅减少了分解槽数量和投资，还可节约运行电耗，同样规模产能的分解系统，采用Φ18 m大型分解槽技术可节约42 %左右的电耗。

另外，在蒸发工序各效蒸发器蒸汽管上采用新型的减温减压器，可减少蒸汽的过饱和度，提高蒸汽的热利用率，从而降低蒸发汽耗约5.3 %。在氧化铝厂的各个循环水站采用新型的无电耗水能机，可取消原循环水站的输送泵，节约电耗约4.6 kWh/t-Al2O3。

2.3 总图布局节能优化设计

在氧化铝全厂的总图布局上，如果布置合理可大大减少物流的输送距离，节约物料的输送能耗和管路损失，也是氧化铝系统节能优化设计的一个重要手段。总图布局的节能优化设计主要有以下几点：

1)按照氧化铝工艺流程的特点，各个工艺车间可单向循环成“回”字形布置，避免物料流向出现往返和交叉，从而可减少物料输送的能耗。

2)根据总图场地的高差，合理布局相邻车间，利用地势的高位差自压输送溶液和料浆，减少或取消输送泵，节约电耗。如预脱硅车间可布置在溶出高压隔膜泵车间的高处，分解槽可根据场地高差逐级布置等等。

3)将热电站、溶出和蒸发车间布置在相邻附近，尽量减少蒸汽输送管线长度，可有效减少蒸汽管路损失，从而节约全厂汽耗。

4)在保证消防安全的前提下，车间之间的间距尽可能减小，保证总图布局紧凑，缩小全厂占地面积，不仅可节约投资，还可以大大减少输送物料的能耗。

2.4 车间配置整合节能优化设计

氧化铝工艺流程复杂，车间数量较多，因此对于车间配置的优化整合，可有效减少动力设备数量，缩短物料的输送距离，节约物料的输送能耗和管路损失，也是氧化铝系统节能的另一个有效措施。车间配置整合的节能优化设计主要有以下几点：

1)整合工序，减少车间数量，从而可减少动力输送设备，节约电耗。如将原料磨、预脱硅和高压泵房整合成一个原矿浆制备车间，将赤泥沉降、热水站、赤泥输送及絮凝剂制备整合成一个赤泥浆液处理车间，将蒸发、分解、焙烧等循环水整合成一个综合循环水系统等。

2)根据工艺流程路线，将部分车间在空间高度上逐级配置，利用设备之间高位差自压输送物料，取消部分输送设备，节约电耗。如将成品过滤、控制过滤、排盐苛化、精液热交换上下分层配置成一个综合过滤车间，将种子过滤、母液浮游物回收配置在分解槽顶，集中成一个分解过滤车间等。

3 节能优化设计应用效果

对于新建氧化铝厂和已建氧化铝厂来说，节能优化设计是企业节能降耗的关键因素，对进一步降低能耗及成本都起着至关重要的作用。

3.1 节能优化设计应用实例

近五年来，我国部分新建氧化铝厂已经开始逐渐采用了节能优化设计的思路和方法，在建成投产后其生产指标也大大优于中国氧化铝行业的平均水平。表1是2015年建成投产的国内某氧化铝厂采用了部分节能优化设计后的生产指标，包括对系统循环效率、全厂总图布局、车间整合配置的优化设计等，其指标在全国氧化铝行业处于领先水平。

表1 国内某氧化铝厂节能优化设计生产指标

3.2 节能优化设计效果

随着节能优化设计的深入研究和应用，还可提升进一步节能降耗的潜能，以目前国内拜耳法氧化铝厂现有的平均能耗指标为基础，对新建规模为1 500 kt/a以上的氧化铝厂，通过采用上述所有的节能优化设计后，其能耗指标对比如表2所示。

表2 氧化铝生产系统节能优化设计对比表

从表2可以看出，通过采用节能优化设计，可使氧化铝生产企业的能耗水平进一步降低，全厂工艺汽耗、电耗和综合能耗均能节约10 %以上，单位氧化铝生产成本可降低约30 元/t-Al2O3，其节能降本效果明显。

4 结 语

随着能源价格的上涨，氧化铝生产的节能降耗已成为未来氧化铝工业降本增效的重要措施之一，在现有氧化铝企业已有的生产指标下再进一步降低能耗已经成为未来氧化铝节能降耗研究的方向和趋势。分析氧化铝能耗分布，对整个氧化铝生产系统进行节能优化设计，可以有效地降低氧化铝生产系统的汽耗、电耗及综合能耗，也是进一步降低氧化铝企业生产成本的关键。