氧化铝厂设计_金属冶金_中国百科网
氧化铝厂设计
    
氧化铝厂设计(engineering design of alumina refinery)
以铝矿石、霞石、明矾石或煤灰等为原料，用碱液直接溶出或用火法烧结(或煅烧)后溶出。制成铝酸钠溶液，再经净化、结晶和焙烧，最终获得氧化铝的轻金属冶炼厂设计等。设计范围包括：氧化铝厂原燃料j隹备设计、氧化铝厂铝矿石溶出设计、氧化铝厂生料烧结设计、氧化铝厂熟料溶出设计、氧化铝厂赤泥分离与洗涤设计、氧化铝厂粗液脱硅与硅渣分离设计、氧化铝厂精液分解氢氧化铝分离与洗涤设计、氧化铝厂母液蒸发与结晶碱分离设计、氧化铝厂氢氧化铝焙烧设计和氧化铝厂综合回收设计等。
氧化铝厂的没计内容主要包括：设计规模、产品方案、生产方法与工艺流程、主要设备选择及配置、车间组成和技术经济指标。
简史&& 1892年初，在法国加丹(Gardanne)建成了世界上第一个用拜耳(K．E．Bayer)法生产的氧化铝厂。到20世纪90年代初，世界氧化铝的年总产能力约为4500万t。氧化铝厂的建设规模朝着大型化方向发展，年产百万吨以上的氧化铝厂已超过10个。世界上最大的氧化铝厂在澳大利亚，年产能力达330万t。氧化铝的工业生产，几乎都采用碱法，大多以铝矿石为原料，并以流程最为简单的拜耳法为主，采用碱法生产的氧化铝约占全世界氧化铝生产总量的90％以上。以铝矿石为原料的生产方法尚有碱石灰烧结法和将拜耳法与烧结法组合在一起的联合法。拜耳法要用高品位的铝矿石作原料，烧结法和联合法可处理较低品位和中等品位的铝矿石。此外，还有用霞石、明矾石和煤灰为原料用火法烧结、碱液溶出，提取氧化铝的工厂。
前苏联于1932年建成第一个用碱石灰烧结法生产氧化铝的工厂，开始用低品位的铝矿石为原料，以后改用霞石。至80年代末已建有用拜耳法、碱石灰烧结法和联合法生产氧化铝的工厂以及用本国霞石和明矾石为原料的氧化铝厂。美国在20世纪40年代初有4个使用联合法生产氧化铝的工厂，50年代又建1个使用联合法生产的厂，但至80年代中已全部关闭。波兰和美国有用煤灰为原料的小氧化铝厂。中国的氧化铝厂，根据铝矿石资源状况(多为中、低品位矿)，主要采用联合法和碱石灰烧结法。
在1949年前，中国仅台湾有1个小氧化铝厂。从20世纪50年代初开始，首先对40年代停建的山东氧化铝厂进行恢复建设，然后是郑州、贵州、山西、中州、平果氧化铝厂的新建及山东、郑州和贵州氧化铝厂的多期改、扩建。工厂的设计年产能量，从山东铝厂第一期的3．5万t到山西铝厂的120万t，建设规模增大数十倍，生产方法亦由单纯的碱石灰烧结法发展到技术复杂的联合法。
设计规模&& 设计规模主要由下列因素决定：产品的市场情况，当地建厂及原燃料供应条件，生产方法及主要设备规格和台套，液体用泵输送的可靠性，产品成本比较等。一般，铝土矿品位低时采用烧结法；品位高时采用拜耳法；中等品位，规模大时采用联合法。拜耳法的规模，最小为3万t／a，最大可达300万t／a以上；烧结法的规模，最小为6万t／a，最大可达89万t／a；联合法的起步规模一般为40万t／a，最夫可达100万t／a以上。
产品方案&& 世界各国生产的氧化铝，约90％用于生产电解铝，称为冶金级氧化铝。其余多达百计的品种，用于石油、化工、轻工、电子和建材等行业，称为非冶金级氧化铝(包括氢氧化铝)。氧化铝根据物理性能指标，可分为砂状氧化铝和粉状氧化铝(介于二者之间的称为中间状氧化铝)。自焙阳极电解槽和侧部加料预焙阳极电解槽，可用粉状或中间状氧化铝为原料。中间加料的大型预焙阳极电解槽，则以砂状氧化铝为原料。
生产方法与工艺流程&& 氧化铝生产方法有碱法、酸法、酸碱联合法和热法四种，工业上几乎全部采用碱法。以铝矿石为原料的碱法生产可分为拜耳法、碱石灰烧结法和联合法，而联合法又分为串联法、并联法和混联法三种。用其他原料生产氧化铝的方法，都用火法烧结、碱液溶出，原理上也属于碱法。
以铝矿石为原料的碱法生产氧化铝的原理是用碱与矿石中的氧化铝反应，转变成铝酸钠。铝酸钠溶液经净化、结晶析出氢氧化铝，焙烧后得到氧化铝。
生产方法的选择主要依据铝矿石的品应及其加工特性。铝矿石的铝硅比(矿石中Al2O3和可反应SiO2含量的质量比)是衡量铝矿石品位的主要指标，也是确定生产方法、选择工艺流程的重要依据。铝矿石铝硅比在3．5～4．5和工厂规模在年产40万t以下时，一般采用碱石灰烧结法。铝硅比在8以上时，可以采用拜耳法。铝硅比在4．5～8之间(或8以上)和工厂规模在年产40万t以上时，采用联合法较经济。具体采用哪种方法，要根据技术经济比较确定。
拜耳法&& 碱法生产氧化铝方法的一种。以化学家拜耳(K．E．Bayer)命名。将铝矿石和循环碱液(或石灰)共同磨细成原矿浆，加热使矿石中的氧化铝溶解，生成铝酸钠溶液，与不溶残渣(赤泥)分离后，经净化、分解，析出氢氧化铝，焙烧得氧化铝。(图1)。
拜耳法工艺流程简单，综合能耗低，但要求高品位优质铝矿石做原料。
碱石灰蛲结法&& 碱法生产氧化铝方法的一种。将铝矿石、石灰石(或石灰)、纯碱和循环碱液共同磨细成生料浆，经高温烧结成熟料块，矿石中氧化铝生成固体铝酸钠，再加调整液使之溶解为铝酸钠溶液，与不溶残渣(赤泥或褐泥)分离后，经脱硅、净化、分解析出氢氧化铝、焙烧获得氧化铝。工艺流程见图2。
碱石灰烧结法流程较拜耳法复杂，氧化铝回收率较拜耳法高，综合能耗最高，但可处理低品位铝矿石，使用较廉价的纯碱来补充生产过程中的碱耗。
联合法&& 拜耳法和烧结法两种工艺流程的组合。按组合方式不同，有串联法、并联法和混联法三种。(1)串联法。是将拜耳法生产系统和烧结法生产系统串接进行生产的方法。铝矿石进入拜耳法系统溶出，分离出的赤泥，全部送烧结法系统，加入石灰石和纯碱等配制成生料浆，经烧结并用碱液溶出，制成铝酸钠溶液，净化后成为精液，然后与拜耳法系统的精液合并，进行搅拌分解，析出氢氧化铝，经焙烧后成为氧化铝。此种方法可处理中等品位的铝矿石。(2)并联法。是将拜耳法系统和烧结法系统平行组合生产的一种方法。高品位铝矿石进拜耳法系统，低品位矿石进烧结法系统。两个系统各自产出的氢氧化铝合并焙烧后成为氧化铝。(3)混联法。兼有串联法和并联法特点的方法。铝矿石分别加入拜耳法系统和烧结法系统，拜耳法系统产出的赤泥送烧结法系统，再加入石灰石、纯碱和铝矿石一起配制成生料浆，经焙烧、溶出、脱硅等过程所得精液，部分并入拜耳法系统，用搅拌分解析出氢氧化铝，其余用碳酸化分解析出氢氧化铝，再经洗涤、焙烧获得氧化铝。工艺流程见图3。此法中的拜耳法系统可用中等品位的铝矿石。
联合法中除并联法中的拜耳法系统外，对铝矿石品位要求均不太严格，但工艺流程最长，综合能耗介于拜耳法和烧结法之间。
主要设备&& 包括生产设备和辅助生产设备。
生产设备有：(1)破碎、研磨设备。包括各种破碎机、球磨机等；(2)压力反应设备。包括溶出器、脱硅器等；(3)高温火法设备。包括回转窑、石灰炉、流态化焙烧炉等；(4)热交换设备。包括列管换热器、套管换热器、板式换热器等；(5)蒸发设备。包括膜式蒸发器，自然或强制循环蒸发器等；(6)液固分离设备。包括各种类型沉降槽，加压和真空过滤机等；(7)装卸堆取物料设备；(8)包装设备。
辅助生产设备有各种槽、罐、分级设备、吸尘设备、固体和流体物料输送设备以及风机等。
车间组成&& 与生产方法有关，流程最复杂的联合法由原燃料准备、铝矿石溶出、赤泥分离洗涤(拜耳法)、生料烧结、熟料溶出和赤泥分离洗涤、粗液脱硅与硅渣分离、精液分解与氢氧化铝分离洗涤、氢氧化铝焙烧、氧化铝包装和母液蒸发等主要生产工序(或车间)组成。
单纯拜耳法中，不包括生料烧结、熟料溶出和赤泥分离洗涤、粗液脱硅和硅渣分离工序。单纯碱石灰烧结法中，不包括铝矿石溶出和拜耳法赤泥分离洗涤工序。
技术特点&& 主要有：(1)氧化铝厂的工业场地要求宽阔、平坦、生产厂区的长宽比接近1．5：1为宜。(2)工厂排出物料中均含有碱及其它杂质、每吨氧化铝产出赤泥约1～2t，除烧结法、串联法和混联法的少量赤泥可利用于生产水泥和其它建筑材料外，大部分需利用自然地形择地堆存，堆场要作防渗处理，以防污染环境。生产污水回收后循环利用。废气均须经处理后排放。(3)部分厂房建筑物和构筑物及有关设施，要考虑防碱。(4)干法车间产生的粉尘、磨机和风机的噪声以及高温湿法车间的湿、热等，设计均须采取相应处理措施。(5)氧化铝厂热、电用量较大，一般均自建热电站。
技术经济指标&& 以一水硬铝石矿为原料的氧化铝厂设计的主要技术经济指标，如表。
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氧化铝厂建设标准
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分享实现窑炉高产的措施
实现窑炉高产的措施有：采用内燃烧砖；干坯码窑；选择正确的码窑形式，稀码快烧；增加窑内通风量；增加燃料的燃烧强度；加快冷却速度等。
1.采取内燃烧砖的方法
内燃烧砖时，因为热量发自坯体内部，所以有烧成速度快、燃烧需要空气量少、外加燃料少、火行速度快的优点。若欲达到高速度烧成，内燃料的掺量应合理，应使内燃料的发热量达到烧成所需热量的80%以上为好。如果达不到该掺量，就很难实现快速烧成，达到高产的目的。
2.用充分干燥的坯子装窑
如果将要烧成的坯体含水率高，那么就要增加烧成过程中的能耗。同时增加烧成过程废气的排出量，加重排烟系统的负担。高含水率的坯体在预热时也不能升温太快，否则就会出现裂纹等废品、次品。这样对坯体在窑预热带的预热造成较大限制，使窑的预热速度较慢，导致窑炉的烧成速度也较低，不能实现快速烧成。当采用干坯入窑后，坯体在预热带的预热速度明显提高，预热质量得到极大改善，为烧成打下良好的基础，为坯体在窑烧成带的快速烧成提供了必要的条件，能得到优质高产的良好效果。
3.选择正确的码坯形式，采用较稀的码窑密度
要选择正确的坯垛形式以保证坯垛各部位气流分配的比例，尤其要重视炕腿的形式。
窑炉焙烧道内的通风条件，不但决定于烟囱或风机抽力的大小，而且取决于窑体结构的阻力和坯垛阻力。阻力大时，窑内通风条件差，通风量小，烧成速度慢。阻力小时，通风条件好时，通风量大，烧成速度快。码窑时，要按照&稀码快烧&的原则，尽量稀码，加大窑内通风量，提高窑内综合传热系数。注意窑内风量的分配，做到上密下稀，燃料在断面分配合理。对于内燃砖和外燃砖用不同的码窑方法。外燃烧砖时，做到上密下稀，中密边稀，调整窑断面上的温度分布。内燃烧砖时，虽然也要按照&稀码快烧&的原则进行码窑，但由于码窑过程就是燃料在窑内的分配过程，相当于外投煤加煤量多少的控制过程，这时的码窑方法与外燃烧砖不一样，码坯时应做到上密下稀、边密中稀，使窑内的温度尽可能均匀。理论计算结果与在生产实践中的检验表明，二直一斜和三直一斜码法是阻力较小、有利于窑内通风的较好的码窑形式，但由于三直一斜码法稳定性较二直一斜差，故建议厂家使用二直一斜、二直一横、三直一横，甚至三直一斜码法，而禁止使用一直一横、一直一斜的码法。这是由于后者对窑内通风阻力最大，通风条件最差的码窑方法。
现在生产厂家一般都不使用火眼脱空方法，但是在哈风的地方，一定要拉缝。哈风拉缝有几个好处，一是可以使窑内的低温气体及潮气很及时地从拉缝处的通道进入支烟道，总烟道内减少了气体流动的阻力；二是将窑内断面上的风量进行了重新分配，前一坯垛风量&偏析&的现象，可以在拉缝处得到调整，使风量在断面上流量分布更趋合理，利于窑断面温度的均匀性；三是有利于消除窑内坯垛中气流&死&通道的存在，因为&死&通道的存在，可能影响较大部位的温度制度，影响部分砖的烧成质量；四是哈风拉缝能调整窑断面上下的排风量，不至于使一部分的风量过大，而另一部分的风量偏小，哈风拉缝的宽度可与哈风口宽度一样，也可以比哈风略小，但最低宽度应在20cm以上，拉缝太小时，效果不明显。
4.增加窑内通风量
增加窑内通风量的方法有：充分发挥排风设备的抽力作用和减小系统阻力。
充分发挥排风设备的抽力作用，可以从两方面入手。第一是防止冷风侵入窑内，窑的预热带和总烟道处于负压区，冷空气很容易从不严密的地方侵入窑内，与烟气混合后经排烟设备排出窑外。冷空气侵入窑内后，不但降低了烟气温度，而且使窑冷却带的进气量减少，这必然减少烧成带参与燃烧的空气供应量，减慢了燃料燃烧速度和坯体烧成速度。第二是合理使用风闸，风闸适当的多提高用，闸口的通风面积就会加大，对气流的阻力就小，排烟设备的抽力作用就能充分地发挥出来。
另外，通过风闸调整，能控制窑内气体的流向，调节各部位的流速，充分利用废热预热坯体，可以大大地缩短预热过程，加快烧成进度。
减少系统阻力对增加窑内通风量也是非常重要的。在窑内气体运动的各种阻力中，起决定作用的是码坯时的坯垛阻力。坯垛阻力的大小，主要取决于码坯的稀密程度和气体通过坯垛通路的远近。坯垛越稀，通路越短，则阻力就越小；坯垛越密或通路越长，则阻力就越大。其次，码坯的操作质量，对坯垛阻力也有一定的影响。码坯时要求头对头、缝对缝、火道对直、火路畅通。这样，就能减小阻力，反之，阻力就要加大。
5.增加燃料燃烧强度
增加燃料燃烧温度，采用小铲投煤，勤添快添的方法，增加单位时间窑内燃料燃烧的强度，使窑内温度能很快达到制品烧成所需温度。
6.快速冷却
烧成后制品的快速冷却，也是影响烧成速度和轮窑产量的一个重要问题，虽然经过了快烧，但如果不能将烧成品快速的冷却下来，仍然达不到快速烧成，提高轮窑产量的目的，只有实行快速冷却，才能真正实现轮窑高产，是名符其实的提高了轮窑产量。具体操作有抽取余热，将冷却带的余热抽出送往干燥室或送往预热带进行坯体预热，也可作它用。窑门鼓风，在冷却带窑门处向窑内鼓风，以快速降低冷却带成品砖的温度。快打窑门，将冷却带的窑门及时快速地打开，以使窑外冷空气尽快进入窑内，提高冷却速度。
7.改进烧成技术
正确的码窑形式和有效的通风设备，能使燃料在坯垛上合理、均匀的分布，并充分供应燃料燃烧所需的氧气，这将为加快燃料的燃烧过程、加快火行速度打下非常牢固的基础。但与此同时，还必须改进烧成技术，才能达到快烧的目的。否则只片面地改变码窑形式，而不采取与之相适应的烧成方法，往往是徒劳无益的。
要使烧成技术与码窑形式配套，首先认真做到看火加煤，量少勤添，尽可能地增加投煤频次，适当地控制投煤份量，以加快燃料的燃烧速度。其次，采用较高温度烧成，在烧成带经常保持烧成间隔内的高温火度，可以加速燃料的燃烧过程。烧成温度高，送入预热带的热量就多，预热升温就可加快；烧成温度高，烧成砖的保温加强，助燃空气的预热温度提高，可以保证烧成火度的平稳。因此，经常保持烧成火度的足（温度在原料烧成温度范围内）、稳（高低波动很小），就能实现窑炉的快烧和高产。
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氧化铝焙烧炉烟气余热利用探讨
第35卷第3期2013年6月
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ShandongMetallurgy
Vol.35No.3June2013
1烟气余热资源分析
目前，气态悬浮焙烧炉的使用中普遍存在着热量利用率低下、排放烟气余热温度过高等问题。山西兆丰铝业氧化铝分公司有1台1350t/d氧化铝气态悬浮焙烧装置，焙烧炉主要热支出状况为：产品氧化铝从焙烧炉带走显热比例约为10.53%，湿烟气带走热量比例约59.79%。其中干烟气带走的热量比例为10.76%，烟气中水蒸气带走热比例高达为47.03%。排出湿烟气的标态流量达10.6万m3/h，烟气温度约156℃，烟气含水约40%。烟气余热具有很大的利用价值，特别是烟气中水蒸汽潜热的利用。在不能改变生产工艺状况的前提下，只要将烟气和焙烧炉排料氧化铝里的热量回收再投入生产中应用，也能达到节能的目的。
因此，考虑将烟气温度降至105℃左右，回收烟气显热，用于加热平盘洗水。105℃至156℃烟气的平均定压比热容为1.428kJ/（m3·K），烟气温度由可加热温差为30℃的水量为59t/h；可回收烟气显热为5.34×1010kJ/a；回收的能量折合标煤为1822tce/a；回收的能量折算为0.6MPa的饱和蒸汽（焓值2756kJ/kg）量为19376t/a；回收能量按蒸汽价格折算达145.3万元/a人民币（蒸汽按75元/t计算）。156℃降到105℃可回收的热量为7.41×106kJ/h；
2热管式换热器余热回收装置
利用热管式换热器的余热回收装置能将烟气中的高品位余热进行回收，可使悬浮焙烧炉热利用效率提高8%～10%。它是把传统焙烧炉排出的烟气，用于加热平盘洗水，实现节能，这个装置的使用对悬浮焙烧炉热利用效率的提高具有实际意义。
收稿日期：作者简介：毕有才，男，1966年生，2000年毕业于太原理工大学机电一体化专业。现为山西兆丰铝业有限责任公司氧化铝分公司副总经理，工程师，从事氧化铝生产技术管理工作。
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氧化铝焙烧炉烟气余热利用探讨
毕有才，徐浩
（山西兆丰铝业氧化铝分公司，山西阳泉045000）
摘要：气态悬浮焙烧炉存在着热量利用率低、排放烟气温度过高等问题，烟气余热具有很大的利用价值。通过增加热交
换系统，利用热管式换热器将烟气中的高品位余热进行回收，降低烟气温度，回收烟气显热，用于加热平盘洗水。既减少了新蒸汽的消耗，又减少了温室气体CO2排放量，相当于年节约标准煤1822t，年经济效益138万元。关键词：气态悬浮焙烧炉；烟气余热回收；热管换热器；余热利用图分类：X758
文献标识码：B
文章编号：（2-02
2.1热交换系统工艺流程
热交换系统包括径向夹套热管换热器、给水预热器、混水器、流程回路和温度调节控制系统。
温度约为65℃的蒸发回水（给水）从总管经加压泵、止回阀、气动阀、管路、阀门进入给水预热器，吸收从径向夹套热管换热器中流出的温度约为125℃的高温水的热量进行预热，经过预热后温度约为95℃的水经阀门进入径向夹套热管换热器。为了保证进入径向夹套热管换热器的水温度在95℃左右，通过安装在阀门前的温度传感器，控制调节安装在通往预热器给水管路上的气动调节阀来调整冷水流量，从而调整流向径向夹套热管换热器的水温。经径向夹套热管换热器与烟气换热后的125℃的高温水，经过预热器与给水热交换后温度降到95℃，经过阀门、流量计送用户终端（热水槽或平盘洗水）。
温度调节系统由数显温度传感器TC、可编程控制器、调节阀及连接导线组成。流程回路、换热器进口处的流体温度通过数显温度传感器、可编程控制器作用于调节阀，实现冷流体流量的实时调节，使换热器最低壁温处于烟气露点温度之上。气动阀设有旁通阀，正常情况下，旁通阀处于关闭状态，当气动阀出现故障时，可通过关闭气动阀前后两个阀门，同时打开旁通阀实现手动控制。此外，流程中还设置了排空放气阀和排污阀，用于系统停运后排泄管道内残留的介质。2.2换热器结构特点
烟气竖直方向流过热管，与热管管束的外表面（包括翅片）进行热交换后，热管内的工质被汽化，汽化后的工质在冷凝段与夹套中的给水进行热交换，工质冷凝放热后重新成为液体。这样循环继续上述过程，使烟气热量源源不断地加热给水。由于热管内汽、液两相处于饱和平衡状态，因此热管管壁具有良好的等温性，可以避免局部“冷区”。热管
贡献者：zzliuhz34