北京青年工社阳志洪，刘莉娜
（贵阳铝镁设计研究院，贵州贵阳550081）
摘要：拜耳法的循环效率直接影响氧化铝生产的技术经济指标。它直接关系到氧化铝厂的生产能力、单位能耗、运行成本以及建设投资。影响循环效率的直接因素有循环母液苛性碱浓度、溶出液苛性比和循环母液苛性比。本文对影响氧化铝生产循环效率的三大直接因素进行逐一分析阐述。结合生产中实践经验，提出提高系统循环效率行之有效的方法，使之服务于氧化铝厂的工程设计和实际生产，以满足降低工程总投资和单位运行成本的需求，达到节能降耗的目的。 关键词：氧化铝；循环效率；拜耳法；αk
Analysis of the Factors Affecting Alumina Production Cycle
Efficiency
YANG Zhihong, LIU Li’na
（Guiyang Aluminum & Magnesium Design Research Institute Guiyang 550081）
Abstract: Bayer cycle efficiency is directly affected alumina production technical and economic index.
It's directly related to the alumina production capacity, unit energy consumption, operation and capital cost. The direct factors influencing cycle efficiency is test liquor Nk, digestion liquor αk and test liquorα0. This paper analyzes the three direct factors affecting cycle efficiency of refinery. Combined with practical experience, we put forward effective method to improve the system cycle efficiency, so as to serve the alumina plant of engineering design and the actual production. In order to meet the needs of reducing the total project investment and unit operating cost, achieve the purpose of energy saving.
Keywords: alumina, circulation efficiency, Bayer process, αk
氧化铝生产中通常将单位体积循环母液在一次循环周期中所产出的氧化铝的量称为循环效率[1-2]。循环效率是氧化铝生产的主要指标之一，它是反映生产运用经济效果（运行成本）的一项综合技术经济指标，直接关系着氧化铝厂的生产能力、单位能耗、运行成本以及建设投资。拜耳法的循环效率公式为：
E=1.645×N k（1/αk-1/αo）
其中：E为拜耳法的循环效率，kg/m3；N k为循环母液苛性碱浓度，g/l；αk为溶出液苛性比值；αo——循环母液苛性比值。
众所周知，循环效率越高，意味着每次循环中单位体积的循环母液能产出更多的成品氧化铝。因此设备产能可以相应提高，氧化铝厂的单位建设投资及过程成本会相应降低。从公式不难看出，影响循环效率的因素有N k，αk以及αo。提高循环母液苛性碱浓度，降低溶出液苛性比值以及提高循环母液苛性比值均能使系统循环效率提高。下面分别对上述三种因素对循环效率的影响做综合比较。
作者简介：阳志洪，高级工程师，从事铝冶金的设计与研究。电话：************，email:****************
1循环母液N k浓度
有资料显示[3]，循环母液N k浓度每升高1g/l，系统的循环效率大约可以提高0.4%左右。要提高配料循环母液的N k浓度，最直接的方法及时增大系统蒸水量。不过这样会带来蒸发工序能耗的增加。循环母液浓度的选取，主要考虑提高循环母液N k浓度带来的系统收益是否足够弥补增大蒸发水量带来的蒸发热耗。此外，蒸发母液N k浓度还受到设备蒸发能力与材质的制约。多年的生产实践表明，间接加热压煮溶出技术处理一水硬铝石矿的氧化铝厂，循环母液的N k浓度一般控制在240~255g/l之间为宜。
1.1排盐苛化的影响
系统苛化反应如下述公式进行：
Na2CO3+Ca(OH)2→NaOH+CaCO3↓
苛化反应在一定的浓度及温度条件下进行，母液苛化后N c浓度及N c/N T比值均降低，N k浓度升高。这样一来可以使系统的循环效率有所提高。此外，由于碳碱浓度降低，使得溶出和蒸发机组闪蒸浓缩不至于有大量碳酸钠晶体析出，以免影响氧化铝的正常生产。
1.2石灰添加的影响
众所周知，拜耳法氧化铝生产中，石灰的添加在处理我国一水硬铝土矿的高压溶出过程中起着至关重要的作用：它能消除矿石中钛杂质的影响，提高溶出速度与Al2O3溶出率；改善赤泥沉降性能；净化溶液，清除溶液中的磷，钒，氟化物以及有机物等有害杂质；生成水化石榴石，减少生产过程中碱损失。
不过石灰的添加也带来一些负面的影响，比如加大了Al2O3损失及赤泥的数量。此外，石灰中不完全煅烧的成分会使循环母液发生反苛化反应，造成母液中N k浓度下降，降低系统循环效率。因此必须设法提高石灰石的分解率，同时最大限度保证石灰活性。 2溶出液苛性比αk
国内铝土矿资源具有开采价值的均为一水硬铝石型铝土矿，拜耳法溶出过程需采用高温高压溶出工艺。实践表明，在250~260℃的溶出温度下，溶出液αk值大多只能达到1.4左右，远不能到达国外矿石溶出后所达到的αk值 1.32。有研究资料表明[4]，当循环母液苛性浓度为240g/l时，溶出液苛性比值介于1.35~1.55之间时，苛性比每下降0.1，系统中循环母液的量将减少13%以上，同时高压溶出蒸汽耗量也将减少13%左右。此外，溶出液αk对晶种分解过程影响也很大，较低的αk可以获得较高的分解速度及分解率。
溶出αk是一个综合技术指标，选择偏低，可以提高系统的循环效率，但是势必会影响到矿石溶出的效果，造成氧化铝回收率的下降；选择偏高，虽然对氧化铝的回收率有利，但单位矿石所配循环母液量增加，造成建设投资及运行成本消耗增加。下面以某氧化铝厂运行的溶出及沉降工艺指标为例（循环母液N k220g/l，溶出温度260℃，溶出停留时间60min），针对溶出αk的合理化选取进行数据分析。
表1 某氧化铝厂溶出及沉降工艺指标统计
溶出αk溶出赤泥A/S溶出赤泥N/S
1.36 1.37 1.38 1.39 1.40 1.41 1.42 1.43 1.44 1.45 1.46 1.47 1.48 1.49 1.501.24
1.22
1.21
1.19
1.15
1.15
1.14
1.14
1.14
1.13
1.14
1.14
1.14
1.14
1.12
0.53
0.53
0.54
0.55
0.55
0.55
0.55
0.56
0.56
0.56
0.55
0.55
0.55
0.55
0.56
从表1可见，溶出液αk应尽量控制在1.40~1.45之间。当αk低于1.4后，溶出赤泥A/S有较为明显的升高，主要是因为过低αk的溶出液在分离洗涤过程中发生氧化铝水解，造成大量氧化铝损失。
2.1溶出液αk影响因素
影响溶出液αk的因素很多，如铝土矿矿石类型、矿石A/S比、磨矿工艺、溶出温度与溶出反应时间等等。
2.2溶出液αk控制措施
协作学习
2.2.1保持矿石供矿成分的相对稳定
入磨矿石成分的稳定程度主要取决于矿石的均化效果。如果入磨矿石的品味波动较大，会造成配矿循环母液量的波动，而循环母液的调整时间总是滞后于矿石的波动，使得溶出液αk会出现跳跃式的波动，严重影响系统的循环效率。目前氧化铝厂普遍采用“平铺直取”的均化工艺以满足生产要求。实际生产中，为保证入磨矿石品位的相对稳定，一般将不同坑口或不同时期开采的矿石分堆放置，分批使用。这样一来，可以使入磨矿石成分在一段时间内相对一致，避免配矿循环母液量反复波动，合理降低溶出液αk，提高循环效率。
2.2.2保持矿石的磨矿细度
2012nba中国赛氧化铝的溶出过程可视为铝土矿与苛性碱的固液接触反应过程。所以铝土矿的粒度越小，比表面积就越大，与苛性碱接触的几率越大，反应就越彻底，对溶出工艺也就越有利。然而，过分追求矿石的细度会使磨矿工序生产成本增加，同时溶出赤泥粒度变细，赤泥分离及洗涤进行困难。因此，磨矿的最终粒度应控制在一个合理的范围内。生产实践证明，国内的一水硬型铝土矿成品矿浆的粒度一般要求60#目筛上残留小于1%，160#筛目上残留小于22%为宜。
2.2.3控制溶出温度
温度是溶出过程中最主要的影响因素。有研究数据表明，溶出温度每提高10℃，溶出反应的速度大约提高1.5倍，因此温度高低直接影响到溶出的效果，也就影响着溶出液αk。影响溶出温度的因素有：
（1）加热管束结疤，传热效率降低。由于铝土矿中成分繁多以及溶出反应复杂，溶出设备加热管束特别是高温段加热管束极易形成结疤。结疤致密，同时又是热的不良导体，严重阻碍热的传递与交换，不利于溶出矿浆温度的升高，溶出气耗增大。为缓解上述危害，可从以下方式着手：设置预脱硅，增加脱硅时间；及时切换和清理结疤设备；改进结疤清理技术；对高钛或高铁铝土矿实施预处理等等。
（2）机组满灌率低，加热面积缩小。此种情况主要发生在预热及加热压煮器内。由于反应生成的大量不凝性气体充斥在压煮器内造成压煮器不满灌，物料与加热管束接触面积减小，影响热交换的效果，缩短了矿浆的停留时间。生产中通过在压煮器上设置手排管及连排管的方式将压煮器内的不凝性气体快速、安全、有效的排出，使压煮罐到达最低限度的满罐率，到达提高机组温度、延长反应时间、强化溶出效果的目的。
（3）冷凝水排放不畅，热交换效果下降。由于溶出闪蒸乏汽带料或加热管束破裂造成冷凝水管道及阀门堵塞，冷凝水不能及时排出，影响蒸汽换热效果。生产上应对冷凝水系统做好监测，及时发现和排出问题，保证冷凝水系统的畅通。
（4）压煮器搅拌运行不正常。搅拌的作用是使浆液成分均匀，减少矿粒表面的扩散层厚度，起到强化溶出的作用，同时还能加速矿浆与加热介质的传热过程。生产实践证明，压煮器搅拌开与不开，罐内温升相差可达3~5℃。因此生产中应尽量提高压煮器搅拌运转率，强化传热与溶出效果。
3循环母液苛性比αo
循环效率随循环母液αo的升高而升高。循环母液αo的高低主要受分解温度制度、种分分解率以及母液浮游物含量高低控制。
3.1提高种分分解率
首先，以某氧化铝厂2011年1—9月份实际生产运行指标为例，比较种分分解率对循环效率的影响。
表2某氧化铝厂2011年1—9月份指标统计
月份种分分解率/% 循环母液αk循环母液浓度N k/(g/l) 循环效率E(kg/m3)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 51.2
51.9
51.9
52.1
51.9
50.9
50.9
51.4
51.5
3.00
3.04
3.07
3.12
3.10
谢文广中科院3.03
2.99
3.04
3.04
253.5
253.3
254.5
252.7
254.1
253.7
253.9
s管
254.0
253.5
162.3
164.4
164.6
164.7
六书通
165.6
164.2
163.5
165.4
164.3
由表2可见，种分分解率越高，分解母液的αk就越高，所以循环母液的αk也就越高。综合考虑分解率与产品质量，在保证产品质量的前提下，优化分解制度，尽量提高种分分解率。具体的实施方法有：（1）采用高固含高晶种比分解条件。国内拜耳法氧化铝厂普遍采用一段分解工艺生产砂状氧化铝。高晶种比是该分解技术一个重要的特点。有研究数据表明，分解种子比提高1.5倍时，相应精液产出率增大7%左右。不过晶种比也不是越大越好，过高的晶种添加量会使槽子搅拌功率增大以及槽子的有效分解容积变小。实践证明，分解首槽固含控制在750~850g/l之间对整个生产过程比较有利，能够获得较好的经济效益。
（2）延长分解时间。某氧化铝厂设计分解时间为42h，分解率45%，采用此分解条件，种分母液αk 较低，不利于系统循环效率的提高。适当延长分解时间可以提高精液产出率又不至于电能过多的消耗。生产实践表明，相同的分解条件下，分解时间由45h提高到60h，精液产出率将会提高3%~4%，有利于系统综合能耗的降低。
（3）严格控制分解温度制度。种分分解过程一般可视为初期的晶种附聚过程和后期的晶种长大过程。为保证前期的附聚速度，槽子的温度不宜过低，一般控制在60~65℃之间。而后期的长大速度主要受溶液的饱和浓度影响，设置中间降温设施，合理安排分解温度梯度，对提高分解速度及精液产出率均起着十分重要的作用。
3.2控制母液浮游物含量
分解母液浮游物主要成分为细的氢氧化铝，在母液蒸发时大部分的氢氧化铝重新溶解在母液中，造成循环母液的有效碱浓度降低，从而导致母液的循环效率降低。此外，部分氢氧化铝会在蒸发器中进行浓缩时附着在蒸发器上，导致蒸发效率降低，设备使用周期缩短，清洗难度增大。每1g/l浮游物会使循环母液αk下降约0.02，使系统循环效率降低1kg/m3左右。因此分解母液浮游物含量越低越好。生产一般要求母液中浮游物含量小于1g/l。
影响母液浮游物含量的因素很多，过滤机滤布穿孔，晶种周期性细化，分解母液中有机物含量过高等等都可能导致母液中浮游物含量升高。为减少分解母液中浮游物的含量，可采取措施有：（1）立盘或平盘过滤机应尽量选有质量好、透气性好、寿命长的滤布。这样立盘过滤机滤液中浮游物含量可控制在1g/l以下，而平盘过滤机可控制在2g/l以下。由此可见，好的滤布可大大降低分解母液中浮游物的含量。
（2）严格控制分解时间。富裕的分解时间，虽然可以提高精液产出率，但是过长的分解时间对分解速度不利，分解时间超过70h时容易导致产品及晶种的细化。
（3）定期排除系统中的有机物。母液中有机物含量过高同样会导致产品及晶种的细化。有机物极易在细氢氧化铝表面以草酸盐形式结晶析出，严重影响氢氧化铝颗粒的附聚及长大，对生产极为不利。
因此必须想办法将系统中累积的有机物定期排除，维持系统平衡。
（4）添加结晶助剂。结晶助剂的添加可以加速细氢氧化铝颗粒的附聚，增大成品氧化铝的粒度与强度。对种分分解率的影响不大。不过添加结晶助剂也会带来一些负面的影响，如增加了系统中有机物含量以及加大了分解槽的沉槽风险，应该适当控制。
（5）设置母液浮游物工序。将分解母液中浮游物以过滤的方式捞出后重新返回分解。过滤后母液浮游物含量可达0.1g/l以下，过滤一般在立式叶滤机中进行，该设备单位面积产能可达3.5~4.0m3/（m2/h），过滤效果良好。
4结论
拜耳法的循环效率直接关系到氧化铝生产的技术经济指标。提高系统循环效率可节省工程投资和运行成本，达到节能降耗的目的。影响循环效率的因素很多，最直接的因素就是循环母液苛性碱浓度N k、溶出液分子比αk和循环母液分子比。
参考文献
[1]杨重愚.氧化铝生产工艺学[M].北京：冶金工业出版社,1993.
[2]毕诗文.氧化铝生产工艺[M].北京：化学工业出版社,2006.
[3]王莉红.浅析提高拜耳法循环效率的措施[J].有金属(节能),2011(4).
[4]田兴久.论拜耳法碱的循环效率[J].轻金属,2003(5).
[5]毕诗文，于海燕，杨毅宏，等.铝土矿的拜耳法溶出[M].北京：冶金工业出版社,1997
[6]杨权平，等.降低拜耳溶出液αk的途径及实施效果[J].轻金属,2005(4).
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