?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)過程中氧化鋁會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進(jìn)一步加工得到氫氧化鋁并經(jīng)過焙燒得到氧化鋁。

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：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，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)對于高品位的鋁土礦，在生產(chǎn)氧化鋁的過程中無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。而對于低品位的鋁土礦來說，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)來源：《精礦鋁硅比對選礦-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，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)來源：《精礦鋁硅比對選礦-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)過程中的其他成本包括了人工、運(yùn)輸以及生產(chǎn)過程中的折舊、修理等制造費(fèi)用，相比于能源以及原料這些費(fèi)用一般相對穩(wěn)定，價(jià)格波動小，其各類占比圖如下：

圖5 拜耳法生產(chǎn)其他成本圖

?數(shù)據(jù)來源：《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、以及其他成本都會隨著鋁土礦品位的改變而波動。鋁土礦的品位的降低會帶來生產(chǎn)中原料的用量以及工時(shí)的增加，而這會使得生產(chǎn)過程中能耗、人工以及折舊等成本的上升，但鋁土礦品位下降帶來的鋁土礦采購成本的下跌也會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)來源：紫金天風(fēng)研究所

下圖是苛性堿和動力煤價(jià)格波動對總生產(chǎn)成本影響的敏感性分析，我們假設(shè)苛性堿和動力煤的價(jià)格分別出現(xiàn)了5%、10%和15%的增長，并對以鋁硅比為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)格波動的影響較?。?/p>

動力煤的價(jià)格波動對氧化鋁生產(chǎn)成本的影響較苛性堿的波動更大。

圖6 苛性堿價(jià)格波動對生產(chǎn)成本的影響對比圖

圖7 動力煤價(jià)格波動對生產(chǎn)成本的影響對比圖

?數(shù)據(jù)來源：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)別在于對鋁土礦的處理方式以及氧化鋁的析出方式，我們在此將分別討論這兩種工藝：

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 溶出過程，燒結(jié)法在將氧化鋁溶入分解母液前會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 分解過程，燒結(jié)法通過向鋁酸鈉溶液中通入二氧化碳析出氫氧化鋁，再通過焙燒的得到氧化鋁。

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。