?氧化鋁生產(chǎn)方法

氧化鋁的制取可以大致分為堿法、酸法、酸堿聯(lián)合法以及熱法，但是目前工業(yè)生產(chǎn)廠家均采用堿法生產(chǎn)。

圖1 堿法生產(chǎn)示意圖

數(shù)據(jù)來(lái)源：《氧化鋁生產(chǎn)工業(yè)的能耗分析及節(jié)能研究》

堿法生產(chǎn)即為使用堿性物質(zhì)（NaOH或Na2CO3）處理鋁土礦，其目的是將礦石中的氧化鋁與礦石中的其他雜質(zhì)（如鐵、鈦和硅）分離。在這個(gè)過(guò)程中氧化鋁會(huì)溶于堿性溶液并以鋁酸鈉漿液的形式存在， 而其余不溶于堿性溶液的物質(zhì)（如鐵、鈦和硅）則會(huì)成為不溶解的化合物(即赤泥)并與鋁酸鈉漿液分離。純凈的鋁酸鈉漿液則會(huì)進(jìn)一步加工得到氫氧化鋁并經(jīng)過(guò)焙燒得到氧化鋁。

拜耳法

2.1 拜耳法的基本原理

拜耳法由澳大利亞拜耳在1889-1892年期間發(fā)明，在處理低硅鋁土礦時(shí)有著流程簡(jiǎn)單、產(chǎn)品質(zhì)量好的特點(diǎn)，是目前氧化鋁工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用最廣泛的方法，目前90%以上的氧化鋁是由拜耳法生產(chǎn)。

拜耳法的本質(zhì)即為以下化學(xué)反應(yīng)在不同條件下的交替進(jìn)行：

以上的化學(xué)反應(yīng)為可逆反應(yīng)，不同的反應(yīng)方向表示著拜耳法制取的不同流程。在高溫下分解母液（堿性溶液）將氧化鋁從鋁土礦中析出得到鋁酸鈉漿液時(shí)，化學(xué)反應(yīng)為從左往右進(jìn)行；在常溫下，向鋁酸鈉漿液中添加晶種攪析出氫氧化鋁時(shí)化學(xué)反應(yīng)從右往左進(jìn)行，最后再通過(guò)焙燒將氫氧化鋁轉(zhuǎn)化為氧化鋁。

圖2 拜耳法生產(chǎn)示意圖

數(shù)據(jù)來(lái)源：《氧化鋁生產(chǎn)工業(yè)的能耗分析及節(jié)能研究》

2.2 拜耳法的成本

根據(jù)前文提及的拜耳法的工藝流程，我們基本可以將拜耳法的成本分為以下三類(lèi)：原料、能耗以及其他費(fèi)用，其中前兩種的成本隨著原料價(jià)格和能源費(fèi)用變化存在著較大波動(dòng)，而后一種的成本則較為固定。

圖3 拜耳法生產(chǎn)成本圖

數(shù)據(jù)來(lái)源：《淺談我廠堿耗影響因素及降低途徑》，紫金天風(fēng)研究所

原料成本

拜耳法中的原料成本主要來(lái)源于三個(gè)方面：鋁土礦、苛性堿和石灰石，其中最重要的生產(chǎn)原料為鋁土礦，苛性堿和石灰的消耗量與鋁土礦本身的品位密切相關(guān)。下表位不同鋁土礦品位（鋁硅比）下生產(chǎn)1噸氧化鋁的鋁土礦、石灰苛性堿消耗量，我們可以發(fā)現(xiàn)對(duì)于高品位的鋁土礦，在生產(chǎn)氧化鋁的過(guò)程中無(wú)論是鋁土礦本身的消耗量還是石灰和苛性堿的消耗量都要更低。而對(duì)于低品位的鋁土礦來(lái)說(shuō)，生產(chǎn)同樣數(shù)量的氧化鋁則消耗更多的鋁土礦才可析出足夠的氧化鋁，并在這個(gè)過(guò)程中消耗更多的石灰和苛性堿。

表1 拜耳法生產(chǎn)物料與鋁硅比關(guān)系表

數(shù)據(jù)來(lái)源：《精礦鋁硅比對(duì)選礦-拜耳法經(jīng)濟(jì)性的影響》，紫金天風(fēng)研究所

能耗成本

能耗成本是拜耳法氧化鋁生產(chǎn)過(guò)程中的第二大成本，能耗的分布與相關(guān)的生產(chǎn)工藝息息相關(guān)，其能耗分布如下圖所示：

表2 拜耳法能耗分布表

表3 拜耳法生產(chǎn)蒸汽能耗分布表

?數(shù)據(jù)來(lái)源：《氧化鋁生產(chǎn)能耗分析及節(jié)能研究》，紫金天風(fēng)研究所

其中與溶出、過(guò)濾以及蒸發(fā)等工藝密切相關(guān)的蒸汽是能耗最多的部門(mén)，其次氫氧化鋁的焙燒是耗能第二大的部分。于此同時(shí)我們也注意到，鋁土礦的品位對(duì)拜耳法氧化鋁的生產(chǎn)耗能也有著相當(dāng)程度的影響，其中鋁土礦品位對(duì)各個(gè)工序能耗占比如下表所示：

表4 拜耳法各工序能耗占比

數(shù)據(jù)來(lái)源：《精礦鋁硅比對(duì)選礦-拜耳法經(jīng)濟(jì)性的影響》，紫金天風(fēng)研究所

影響的主要原因是隨著鋁硅的比的提升每生產(chǎn)一噸氧化鋁的鋁土礦量會(huì)逐步下降，與其相關(guān)的生產(chǎn)能耗隨即下降，根據(jù)有關(guān)論文我們繪制出以下鋁硅比與耗能圖：

圖4 拜耳法生產(chǎn)鋁土礦鋁硅比和能耗關(guān)系圖

數(shù)據(jù)來(lái)源：《鋁土礦鋁硅比與拜耳法生產(chǎn)能耗的關(guān)系》，紫金天風(fēng)研究所

其他成本

氧化鋁生產(chǎn)過(guò)程中的其他成本包括了人工、運(yùn)輸以及生產(chǎn)過(guò)程中的折舊、修理等制造費(fèi)用，相比于能源以及原料這些費(fèi)用一般相對(duì)穩(wěn)定，價(jià)格波動(dòng)小，其各類(lèi)占比圖如下：

圖5 拜耳法生產(chǎn)其他成本圖

?數(shù)據(jù)來(lái)源：《淺談我廠堿耗影響因素及降低途徑》，紫金天風(fēng)研究所

2.3 拜耳法的成本分析

下表是我們估算的不同的鋁硅比下的每噸氧化鋁的生產(chǎn)成本，氧化鋁生產(chǎn)中的原料、能耗、運(yùn)輸、以及其他成本都會(huì)隨著鋁土礦品位的改變而波動(dòng)。鋁土礦的品位的降低會(huì)帶來(lái)生產(chǎn)中原料的用量以及工時(shí)的增加，而這會(huì)使得生產(chǎn)過(guò)程中能耗、人工以及折舊等成本的上升，但鋁土礦品位下降帶來(lái)的鋁土礦采購(gòu)成本的下跌也會(huì)在很大程度上降低拜耳法氧化鋁的生產(chǎn)成本。

表5 拜耳法生產(chǎn)成本估算表（2023年6月）

數(shù)據(jù)來(lái)源：紫金天風(fēng)研究所

下圖是苛性堿和動(dòng)力煤價(jià)格波動(dòng)對(duì)總生產(chǎn)成本影響的敏感性分析，我們假設(shè)苛性堿和動(dòng)力煤的價(jià)格分別出現(xiàn)了5%、10%和15%的增長(zhǎng)，并對(duì)以鋁硅比為5和6的氧化鋁的生產(chǎn)成本變化，我們發(fā)現(xiàn)以下特征：

以高品位鋁土礦為原料的氧化鋁的生產(chǎn)成本受到其他物料價(jià)格波動(dòng)的影響較小；

動(dòng)力煤的價(jià)格波動(dòng)對(duì)氧化鋁生產(chǎn)成本的影響較苛性堿的波動(dòng)更大。

圖6 苛性堿價(jià)格波動(dòng)對(duì)生產(chǎn)成本的影響對(duì)比圖

圖7 動(dòng)力煤價(jià)格波動(dòng)對(duì)生產(chǎn)成本的影響對(duì)比圖

?數(shù)據(jù)來(lái)源：紫金天風(fēng)研究所

其他氧化鋁生產(chǎn)方式

除拜耳法外，氧化鋁的生產(chǎn)工藝還包括燒結(jié)法和拜耳-燒結(jié)法，這兩種方法和拜耳法都屬于堿法生產(chǎn)，其生產(chǎn)原理都是通過(guò)堿性溶液將鋁土礦中的氧化鋁析出得到鋁酸鈉溶液，再處理溶液得到氧化鋁。這兩種生產(chǎn)工藝與拜耳法生產(chǎn)的區(qū)別在于對(duì)鋁土礦的處理方式以及氧化鋁的析出方式，我們?cè)诖藢⒎謩e討論這兩種工藝：

堿石灰燒結(jié)法

燒結(jié)法是薩里特于1858年提出，并由后人逐步改進(jìn)的方法。其與拜耳法的主要區(qū)別在于：1 溶出過(guò)程，燒結(jié)法在將氧化鋁溶入分解母液前會(huì)將鋁土礦與一定比例的碳酸鈉和石灰石燒結(jié)得到鋁酸鈉、鐵酸鈉、原硅酸鈣金額鈦酸鈣等燒結(jié)物，之后再將燒結(jié)物投入分解母液得到鋁酸鈉漿液；2 分解過(guò)程，燒結(jié)法通過(guò)向鋁酸鈉溶液中通入二氧化碳析出氫氧化鋁，再通過(guò)焙燒的得到氧化鋁。

相比于拜耳法，堿石灰法的步驟更為復(fù)雜，能源消耗更高，這使得堿石灰燒結(jié)法的生產(chǎn)成本過(guò)高，工藝普及度較低。

拜耳-燒結(jié)聯(lián)合法

拜耳-燒結(jié)聯(lián)合法是拜耳法與燒結(jié)法的結(jié)合，其主要特征是：1 使用拜耳法處理高品位的鋁土礦；2 使用拜耳法中產(chǎn)生的赤泥結(jié)合低鋁硅比的礦石通過(guò)燒結(jié)法處理；3 使用燒結(jié)法中產(chǎn)生的碳酸鈉補(bǔ)充拜耳法生產(chǎn)中的堿。

拜耳-燒結(jié)聯(lián)合法的主要優(yōu)勢(shì)在于最大限度的利用了鋁土礦資源，并減少了生產(chǎn)中的堿耗，而缺點(diǎn)在于流程復(fù)雜、協(xié)調(diào)難度大且前期投入高。