冶金毕业设计 年产x万吨氧化铝溶出车间设计

1、江江 西西 理理 工工 大大 学学 本本 科科 毕毕 业业 设设 计（论文）计（论文） 题题 目：年产目：年产 110110 万吨氧化铝石灰拜耳法溶出车间设万吨氧化铝石灰拜耳法溶出车间设 计计 学学 院：冶金与化学工程学院院：冶金与化学工程学院 专专 业：冶金工程业：冶金工程 班班 级：级： 学学 号：号： 学学 生：生： 指导教师：指导教师： 职称：职称： 时间：时间：20132013 江江 西西 理理 工工 大大 学学 本本 科科 毕毕 业业 设设 计（论文）任计（论文）任 务务 书书 冶金与化学工程学院 冶金工程专业 2009 级（2013 届） 班 号 题题 目：目：年产 110 万吨

2、氧化铝石灰拜耳法溶出车间设计 原始依据原始依据(包括设计（论文）的工作基础、研究条件、应用环境、工作目的等)： 在做毕业设计之前我们来到中铝山西分公司 80 万吨氧化铝厂进行了一次实 习，此次实习的目的之一就是为这次毕业设计打基础，所以毕业设计也是参照 中铝山西分公司的实际情况进行的。 为了检验我们对冶金专业知识的掌握程度和为了培养我们在冶金工程领域 从事科学研究、设计、生产和管理工作等方面的能力，就对我们进行工艺制定、 工程设计等方面进行基础的设计训练，使我们达到具有开发新技术、新工艺及 工业设计和生产组织管理的能力。 此次设计，可以使我们学生对国内外的氧化铝生产的先进技术、工艺流程、 主要

3、的技术经济指标、工艺参数、设备结构、设备连接、冶金计算、厂房布置 等方面有个比较全面的了解和掌握，使我们学生真正达到冶金工程专业的目标 要求，成为合格的具备冶金工程专业素质的合格人才。 主要内容和要求：主要内容和要求：（包括设计（研究）内容、主要指标与技术参数，并根据课 题性质对学生提出具体要求）： 1. 厂址及生产能力的选择与说明： 由于学生是在中铝山西分公司 80 万吨氧化铝厂进行实习的，所以毕业设计 也是参照中铝山西分公司的实际情况进行的。因此，厂址的选择、生产能力的 设计都是以此为基础来进行的。 2. 生产方法和工艺流程的选择与论证： 生产方法、工艺流程的选择必须有两种以上的材料进行对

4、比、论证，然后选 择技术上可行、经济上合理的结论，并绘制详细的工艺流程图，对其工艺过程 进行简单的说明。 3. 主要技术条件的选择 根据原材料来源、质量、成分，确定合理经济的生产方法和工艺流程后， 应该选择先进的工艺技术条件和合理的技术经济指标及产品的质量要求等方案。 4. 全厂的物料平衡计算： 要求列出物料收支平衡表。 5. 全厂的设备选型计算： 以全年处理量为依据，计算设备的日处理量和小时处理量，算出各个工序所 需设备的负荷、容量，确定设备的尺寸、规格以满足生产的需要。 6. 每吨氧化铝产品的成本计算; 7. 高压溶出车间的工艺流程、工艺条件的选择与论证： 高压溶出车间的选择必须有两种以上

5、的方案进行对比、论证，然后选择技术 上可行、经济上合理的结论，并绘制详细的工艺流程图，对其工艺过程进行 简单的说明。 8. 高压溶出车间的热平衡计算; 9. 高压溶出车间的设备选择计算； 10. 图纸要求： 高压溶出的主题设备图一张（最好是三视图） 、车间的工艺流程图一张、车 间的设备连接图一张、车间的平面布置图一张。尽可能用 CAD 软件绘图。 11. 翻译一篇与本课题密切相关的外文资料。 日程安排：日程安排： 第 3-5 周：进工厂实习; 第 6-7 周：收集原始资料，查阅文献资料，翻译外文资料，撰写开题报告： 第 8-9 周：冶金计算及设备选择计算； 第 10-14 周：图纸绘制及论文撰

6、写； 第 15 周：毕业答辩 主要参考文献：主要参考文献： 1 毕诗文.氧化铝生产工艺M.北京：化学工业出版社,2006，112130. 2 付高峰等.氧化铝生产知识问答M.北京：冶金工业出版社， 2007，1225. 3 A.A.阿格拉诺夫斯基等苏沈阳铝镁设计院氧化铝专业组译.氧化铝生产生 产手册M.北京：冶金工业出版社，1974，103120. 4 H.A.特洛依茨基苏，白杨译.氧化铝工艺计算M. 北京：冶金工业出版 社，1977，114128. 5 吴金水.拜耳法与混联法氧化铝生产工艺物料平衡计算M.北京：冶金工 业出版社, 2002，545. 6 杨重愚.轻金属冶金学M.北京：冶金工业

7、出版社，1991，2148. 7 郭年祥.化工过程及设备.北京：冶金工业出版社，2007，3278. 指指导导教教师师 （签字） ： 年年 月月 日日 注：本表可自主延伸，各专业根据需要调整。 江江 西西 理理 工工 大大 学学 本本 科科 毕毕 业业 设设 计（论文）开计（论文）开 题题 报报 告告 冶金与化学工程学院 冶金工程专业 2009 级（2013 届） 班 号 题题 目：目：年产 110 万吨氧化铝石灰拜耳法溶出车间设计（原料二） 本课题来源及研究现状：本课题来源及研究现状： 我国铝工业是上世纪中叶发展起来的，目前我国氧化铝产量和品种不段增 加，质量日益提高，在生产技术上取得了一系

8、列重要成就，但是我国氧化铝工 业从整体上与世界先进水平相比，还有一定的差距，主要表现在技术装备水平 和某些主要技术经济技术指标上。如生产过程的能耗高和生产率低，氧化铝产 品质量不是很高，因此本设计根据我国的实际情况，采用国外较先进的技术。 如用管道化压煮代替高压溶出罐，采用多级自蒸发，多级预热的管道化溶出， 提高了溶出温度，缩短了溶出时间，提高了回收率，减轻了蒸发负担，降低了 能耗；再如采用先进的闪速焙烧氢氧化铝技术，其节能，且自动化程度高，维 护检修容易，占地面积小等优点。还引进一些大型高效设备，氧化铝生产装备 普遍向大型化发展，以减少设备散热面积，降低热损失，提高设备效率1-4。 我国氧化

9、铝工业经过 20 年，特别是近十年的科技进步，技术水平和装备水 平已大大提高，主要技术经济指标已得到优化，与世界先进氧化铝工业的差距 已明显缩小，但矿石资源明显贫化、能源仍相对高、产品质量不能满足电解铝 要求等可持续发展的问题已经日趋明显。 现在我国氧化铝生产方面的技术已经达到比较先进的水平，但是氧化铝生 产降低能耗、提高劳动生产率、减少环境污染等方面的技术还需要进一步提高 的，况且我国的生产技术水平与国外还有一定的差距，所以我还得进一步提高 自己，要走在世界的先进行列。我国氧化铝工业界应更系统全面地认识和研究 我国的铝土矿资源，加快开发应用可处理我国中低品位一水硬铝石矿资源的新 工艺、新技术

10、，扩大国内外可经济利用的铝资源量，进行高效、节能、清洁的 氧化铝生产，是我国的铝土矿资源的利用和氧化铝工业可持续发展8-11。 随着中国氧化铝产能的迅速扩张，铝土矿的需求也大幅增长，预计 2006 年2010 年间，中国对铝土矿需求的年均增长率将达到 22%。根据美国地质调 查局(USGS)统计，中国目前铝土矿已探明的储量为 7 亿吨，按照目前对铝土矿 的需求状况，能维持约 20 年的生产。 近年来，随着我国改革开放的不断深入，经济稳步快速的发展，市场对氧 化铝的需求大幅度增长。这就要求我国的氧化铝工业重新调整产业结构，既适 应日益增长的市场需求，又要科学、经济、合理地配置使用资源，促进我国铝

11、 工业的可持续发展。我国有丰富的铝土矿资源，其储量为 23 亿吨，排名居世界 第 6 位， 80%以上属于 A/S8 的中低品位矿。我国的铝土矿 99%属于高铝、高 硅、低铁、低铝硅比的一水硬铝石型铝土矿，耐磨难溶，一般需要在较高的温 度、碱液浓度和较高的压力下才能溶出，而且溶出时间较长，较难处理。 改良石灰拜耳法生产氧化铝新工艺就是在拜耳法生产工艺中添加较常规拜 耳法适当过量的石灰添加剂，选择适宜的工艺条件，使得其脱硅产物主要生成 为水合铝硅酸钙 (水化石榴石)，在碱耗允许的前提下采用纯拜耳法流程生产氧 化铝，建设投资少，大幅度降低了生产能耗，生产成本，产品质量高，市场竞 争力强。 选石灰拜

12、耳法生产氧化铝工艺设计作为毕业设计的课题，通过此课题使我 们对氧化铝生产工艺流程、主要技术指标、冶金计算、冶金设备等实际生产情 况得以全面的了解和掌握，同时可以对我们的专业课进行系统的考察，为以后 从事氧化铝行业打下坚实的基础。 课题研究目标、内容、方法和手段：课题研究目标、内容、方法和手段： 目标：通过用石灰拜耳法处理中铝山西分公司铝土矿生产氧化铝的设计， 使我们更深了解氧化铝的生产方法、工艺流程、主要技术条件、冶金设备、国 内外氧化铝生产的现状和发展趋势等实际情况1，使我们成为符合氧化铝生产 的合格的专业技术人才。 针对目前国内外氧化铝现状及发展趋势，本毕业设计的主要内容、方法 和手段如下

13、： (1) 地址及生产能力的选择与说明： 由于学生是在中铝山西分公司 80 万吨氧化铝厂进行的实习，所以其毕业设 计也是根据中铝山西分公司的实际情况进行的，因此，厂址的选择、生产能力 的设计都是以此基础来进行的。 (2) 生产方法和工艺流程的选择与论证： 生产方法、工艺流程的选择必须有两种以上的材料进行对比、论证，然后 选择技术上可行、经济上合理的结论，并绘制详细的工艺流程图，对其工艺过 程进行简单的说明。 (3) 主要技术条件的选择 根据原材料来源、质量、成分，确定合理经济的生产方法和工艺流程后，应 该选择先进的工艺技术条件和合理的技术经济指标及产品的质量要求等方案。 （4）全厂的物料平衡计

14、算： 要求列出物料收支平衡表 （5）全厂的设备选型计算： 以年处理为依据，计算设备的日处理量和小时处理量，算出个工序所需设备 的负荷、容量，确定设备的尺寸、规格以满足生产的需要。 （6）每吨氧化铝产品的成本计算： （7）高压溶出车间的工艺流程、工艺条件的选择与论证： 高压溶出车间的选择必须有两种以上的方案进行对比、论证，然后选择技术 上可行、经济上合理的结论，并绘制详细的工艺流程图，对其工艺过程进行简 单的说明。 （8）高压溶出车间的热平衡计算； （9）高压溶出车间的设备选择计算； （10）图纸要求： 高压溶出的主体设备图一张（最好是三视图） 、车间的工艺流程图一张、车 间的设备连接图一张、车

15、间的平面布置图一张, 尽可能用 CAD 软件绘图。 （11）翻译一篇与本课题密切相关的外文资料。 设计（论文）提纲及进度安排：设计（论文）提纲及进度安排： 第 3-5 周：进工厂实习; 第 6-7 周：收集原始资料，查阅文献资料，翻译外文资料，撰写开题报告： 第 8-9 周：冶金计算及设备选择计算； 第 10-14 周：图纸绘制及论文撰写； 第 15 周：毕业答辩 主要参考文献：主要参考文献： 1 Xu Jin, Supply and Demand of China Aluminum (R).China Lime; Alumina; Sodium aluminate; 目 录 第一章 概 述

16、.1 第二章 厂址和生产能力的选择与论证 .4 2.1 厂址的选择和论证 .4 2.2 生产能力的选择与论证 .4 第三章 生产方法和工艺流程的选择与论证 .6 3.1 生产方法的选择与论证 .6 3.2 工艺流程的选择与论证 .6 第四章 主要技术条件的选择 .10 4.1 破碎与磨碎 .10 4.2 预脱硅 .10 4.3 高压溶出 .10 4.4 赤泥的沉降分离与洗涤 .10 4.5 精滤 .11 4.6 种子分解 .11 4.7 母液蒸发 .11 4.8 氢氧化铝过滤 .11 4.9 焙烧 .11 4.10 混矿计算氧化铝回收率 .12 第五章 全厂物料平衡计算 .13 5.1 原料成

17、分 .13 5.2 生产过程中的主要技术条件 .13 5.3 以 1000kg 碎铝土矿为计算标准 .14 5.3.1 石灰添加量 .14 5.3.2 配碱计算 .14 5.3.3 进入湿磨的成分量 .17 5.3.4 进入溶出矿浆液的成分量 .18 5.3.5 进入溶出液的成分量 .18 5.3.6 进入溶出赤泥的成分量 .18 5.3.7 溶出过程中水的平衡 .19 5.3.8 进入分离赤泥的成分量 .19 5.3.9 赤泥沉降分离 .20 5.4 晶种搅拌分解 .21 5.5 产品 Al(OH)3分离、洗涤与焙烧.23 5.6 种分母液蒸发 .24 5.7 苏打滤饼及其附液量 .25 5

18、.8 蒸发水量计算 .26 5.9 Al(OH)3焙烧.26 5.10 生产 1t 产品氧化铝的物料平衡计算 .29 5.10.1 破碎平衡 .29 5.10.2 湿磨平衡 .30 5.10.3 溶出平衡 .30 5.10.4 溶出矿浆稀释及赤泥沉降分离平衡 .32 5.10.5 赤泥洗涤平衡 .35 5.10.6 粗液叶滤平衡 .37 5.10.7 晶种搅拌分解平衡 .38 5.10.8 晶种与产品 Al(OH)3分离平衡.40 5.10.9 产品 Al(OH)3洗涤平衡.42 5.10.10 Al(OH)3焙烧平衡.44 5.10.11 种分母液蒸发平衡 .45 5.10.12 苏打结晶滤

19、饼苛化 .47 第六章 全厂设备选择计算 .52 6.1 全厂物料流量平衡 .52 6.2 全厂主要设备选择 .56 6.3 全厂主要设备 .56 第七章 吨氧化铝产品成本估算 .57 第八章 高压溶出车间工艺条件的选择与论证 .58 第九章 高压溶出车间热平衡计算 .60 9.1 自蒸发各级参数 .60 9.2 计算自蒸发水量 .60 9.3 矿浆预热 .61 第十章 高压溶出车间设备选择计算 .64 10.1 预热器计算 .64 10.2 间接加热压煮器加热面积 .65 10.3 计算自蒸发器 .65 10.4 给料油泵计算 .66 参考文献 .67 外文资料 .68 中文翻译 .72 致

20、 谢 .79 小论文 .80 江西理工大学 2013 届本科生毕业设计（论文） -1- 第一章 概 述 由于铝及其合金具有许多优良性能，而且铝的资源又很丰富，由于铝及其 合金具有许多优良性能，而且铝的资源又很丰富，因此，铝工业问世以来发展 十分迅速。 2005 年世界原铝产量已经达到 3193 万吨，其中我国产量 780 万吨。 目前世界上生产氧化铝的国家有 30 余个，氧化铝厂 85 座。主要集中在澳 大利亚、 中国、美国、巴西和俄罗斯，这 5 个国家氧化铝产能占世界总产能的 70%左右，其中澳 大利亚铝土矿资源得天独厚，氧化铝产能占世界的 25%左 右。全球氧化铝厂中规模在 100 万吨/

21、年以上的有 30 家，生产能力占全球总产 能的 50%以上其中 300 万吨/年以上的 3 家均在澳大利亚。世界氧化铝的生产经 营主要集中在 6 家跨国企业集团手中，其中美铝和加铝控制了全球 30%以上的 氧化铝生产能力2。 冰晶石氧化铝熔体电解仍然是目前工业生产金属铝的唯一方法，所以铝 生产包括从铝矿石生产氧化铝以及电解铝冶炼两个主要过程。每生产 1t 金属铝 消耗近 2t 氧化铝， 因此随着电解炼铝的迅速增长，氧化铝生产也迅速发展起 来，2005 年世界氧化铝产量达到 6131 万吨，其中我国产量 858 万吨。90以 上的氧化铝是供电解炼铝用，之外使用的氧化铝称之为非冶金用氧化铝或多品

22、种氧化铝。铝或多品种氧化铝。 我国具有较丰富的铝土矿资源，迄今已探明保守储量 23 亿吨，位居世界第 4，具备发展氧化铝工业的资源条件。据 2004 年以来的不完全统计，国内已公 布的氧化铝投资项目达 27 个，测算总规模达 1604.1 万 t。即使不考虑利用国外 铝土矿资源和到海外投资办厂的项目，总规模也达到 2814.1 万 t。2006 年底， 中铝公司氧化铝生产 952 万 t，除目前已公布在建的氧化铝规模外，全国还有拟 建氧化铝总规模 1992 万 t 接近国外所有拟建(扩建)氧化铝项目的总和。氧化铝 工业的迅速发展不同于以往的低水平重复建设，而是上规模、高水平，优化了 结构，极大

23、地提升了我国氧化铝工业整体水平和竞争力。但是，如果这种投资 热继续无序膨胀，势必造成产品相对过剩3.。 目前我国氧化铝企业达 40 多家，已建和在建产能达 4350 多万吨/年，其中 处理国内铝土矿的产能为 3250 万吨/年。2010 年全国氧化铝产量 2896 万吨，是 世界第一大氧化铝生产国。 我国是铝消耗大国，目前我国电解铝的生产原料氧化铝存在不足的现象， 随着电解铝生产技术的发展，自动化电子计算机控制程度的提高和环境保护标 准的日益严格，电解铝厂要求供应砂状氧化铝。现在我国处理一水硬铝石型铝 江西理工大学 2013 届本科生毕业设计（论文） -2- 土矿，采用拜耳法生产工艺，加上现有

24、的技术，可以生产出砂状氧化铝，其质 量指标可以达到国际砂状氧化铝规定的水平。因此本设计降采用拜耳法生产工 艺生产砂状氧化铝1。 由于铝及铝合金具有许多优良的性能，而且铝的资源又很丰富，因此，铝 工业自问世以来发展十分迅速。18901990 年，全世界金属铝的总产量约为 2.8 万吨，到 20 世纪 50 年代中叶，铝的产量已超过铜而居有色金属之首，仅次于 钢铁。1990 年世界原铝产量超过 1600 万吨（此外，还有占铝消耗量 20%左右 的再生铝） ，约占世界有色金属总产量的 40%。而 2005 年世界原铝产量达到 3189 万吨。 冰晶石-氧化铝熔体电解仍然是目前工业生产金属铝的唯一方法

25、，所以铝生 产包括从铝矿石生产氧化铝以及电解铝两个主要过程。每生产 1 吨金属铝消耗 近 2 吨氧化铝。因此，随着电解铝的迅速增长，氧化铝生产业迅速发展起来。 当前氧化铝生产大部分以铝土矿为原料，生产方法只要是拜耳法，因为此 方法可以降低消耗、提高劳动生产率、降低生产成本且产品质量佳。氧化铝生 产技术经济指标的提高，主要是由于工艺过程不断完善的结果。例如在拜耳法 生产中采用管道化溶出代替高压溶出进行铝土矿的溶出，用流态化煅烧代替回 转窑进行氢氧化铝的煅烧，在母液蒸发中采用在氧化铝生产成本中占有相当大 的比重，降低能耗仍是当前氧化铝生产中的重大任务6。 目前，氧化铝工业总的发展方向是充分利用现代

26、科学技术，广泛研究新工 艺、新设备、新技术以强化生产，降低能耗，提高产品质量，综合利用资源， 减少或消除对环境的污染，提高生产过程的连续化、自动化水平，利用电子计 算机技术实现全流程集中控制12。 我国铝工业是上世纪中叶发展起来的，目前我国氧化铝产量和品种不段增 加，质量日益提高，在生产技术上取得了一系列重要成就，但是我国氧化铝工 业从整体上与世界先进水平相比，还有一定的差距，主要表现在技术装备水平 和某些主要技术经济技术指标上。如生产过程的能耗高和生产率低，氧化铝产 品质量不是很高，因此本设计根据我国的实际情况，采用国外较先进的技术。 如用管道化压煮代替高压溶出罐，采用多级自蒸发，多级预热的

27、管道化溶出， 提高了溶出温度，缩短了溶出时间，提高了回收率，减轻了蒸发负担，降低了 能耗；再如采用先进的闪速焙烧氢氧化铝技术，其节能，且自动化程度高，维 护检修容易，占地面积小等优点。还引进一些大型高效设备，氧化铝生产装备 普遍向大型化发展，以减少设备散热面积，降低热损失，提高设备效率1-4。 我国氧化铝工业经过 20 年，特别是近十年的科技进步，技术水平和装备水 平已大大提高，主要技术经济指标已得到优化，与世界先进氧化铝工业的差距 已明显缩小，但矿石资源明显贫化、能源仍相对高、产品质量不能满足电解铝 江西理工大学 2013 届本科生毕业设计（论文） -3- 要求等可持续发展的问题已经日趋明显

28、。 现在我国氧化铝生产方面的技术已经达到比较先进的水平，但是氧化铝生 产降低能耗、提高劳动生产率、减少环境污染等方面的技术还需要进一步提高 的，况且我国的生产技术水平与国外还有一定的差距，所以我还得进一步提高 自己，要走在世界的先进行列。我国氧化铝工业界应更系统全面地认识和研究 我国的铝土矿资源，加快开发应用可处理我国中低品位一水硬铝石矿资源的新 工艺、新技术，扩大国内外可经济利用的铝资源量，进行高效、节能、清洁的 氧化铝生产，是我国的铝土矿资源的利用和氧化铝工业可持续发展8-11。 江西理工大学 2013 届本科生毕业设计（论文） -4- 第二章 厂址和生产能力的选择与论证 2.1 厂址的选

29、择和论证 氧化铝厂的设计，大体可以分为以下几种： 首先是新建氧化铝厂的设计。此种类型的设计，要求比较全面，要求完成 从建厂调查厂址选择到施工图设计这一成套任务。 然后是现有氧化铝厂或车间的扩建或改造设计。这是为适应扩大生产规模 或增加产品品种改革重大的生产工艺而提出的设计任务。 还有就是技术措施性工程设计任务，其设计工作量小，一般有原厂承担， 经费来自工厂的技术措施费用。 厂址的选择对于国民经济的合理布局，国家资金的利用，企业建设速度、 建设成本以及整个厂的正常生产是至关重要的，并且关系到国防、公农业发展 和医疗卫生等各方面。厂址选择不当，将增加建设投资和产品成本，造成环境 污染，将会危及人民

30、的健康，给国家造成更大损失，因此正确选择厂址十分重 要。 厂址的选择与许多因素有关，应综合考虑。根据有关资料，将厂址选在山 西河津一带比较合理，在此建厂具有一下优点： （1）煤矿资源丰富； （2）距矿石开采区近，可以减少原料运输费用； （3）水资源丰富可靠，能提供工厂用水量； （4）山西水电资源丰富，可保证工厂用电； （5）交通便利，有水路、公路和铁路的运输优势； （6）厂区地势平坦，基石程度较大，地震效应对建筑没有太大的影响， 可以节约工厂基建投资； （7）这个区域远离城区，而当地风向主要是西北风，有利于工厂废气扩 散，减轻工业污染； （8）背靠龙门山，有丰富的石灰石资源。 2.2 生产能力

31、的选择与论证 氧化铝厂生产能力的选择是根据很多因素确定的，而其本身有影响着建设 中以及生产以后的技术经济指标效果。生产能力的确定首先在国家计划指导下， 根据资源、动力、当时国情以及预期的经济效果等情况来考虑的13。 （1） 氧化铝厂的生产能力应符合国家的经济建设计划，以免生产的盲目 江西理工大学 2013 届本科生毕业设计（论文） -5- 性； （2） 生产能力还取决于资源的情况。目前氧化铝生产规模趋向大型化， 工厂的大型化可以提高劳动生产率，减少单位成品投资，降低产品 成本，提高连续化和自动化水平 。在国外，大型化氧化铝厂的生产 年限一般都在五十年以上； （3） 矿石加工的难易程度对生产能力

32、也有很大的影响。如优质的三水铝 石型矿石处理起来方便，所需的设备较小，在这样的情况下，生产 能力可以选大些，但山西铝土矿是难容矿，高铁低硅是其最大的特 点，故生产能力不易过大，这只是一方面影响，由于现在溶出技术 的提高，这方面问题已得到解决； （4） 在确定产能时，还要考虑到分期建设和扩建问题，为充分利用国家 资金，减少一次性投资，可以采用“以铝养铝”的办法分期扩建。 建设期的划分影响到投资的充分利用，剩下的扩建产量不宜与现有 产量相差过于悬殊。山西铝厂现在已新建的 80 万吨氧化铝厂，因此 设计的年产 110 万吨的氧化铝厂的产能是可以实现的。 江西理工大学 2013 届本科生毕业设计（论文

33、） -6- 第三章 生产方法和工艺流程的选择与论证 3.1 生产方法的选择与论证 迄今为止氧化铝的生产方法，已经提出了很多从铝矿石或其它含铝原料中 提取氧化铝的方法。由于技术和经济方面的原因，有些方法已被淘汰，有些还 处于试验研究阶段。其生产方法可以分碱法、酸法、酸碱联合法和热法，现在 几乎全的氧化铝厂都采用碱法生产。碱法又分为拜耳法、烧结法、联合法等多 种工艺流程。 拜耳法是由奥地利化学家拜耳于 18891892 年期间发明的一种从铝土矿中 提取氧化铝的方法。一百多年来在工艺技术方面已经有了许多改进，但基本原 理并未发生变化。为纪念拜耳这一伟大贡献，该方法一直沿用拜耳法这一名称。 拜耳法是直

34、接利用含有大量游离氢氧化铝的循环母液处理铝土矿，以溶出其中 的氧化铝而获得铝酸钠溶液，铝酸钠溶液加晶种分解后，氧化铝以氢氧化铝的 形式析出，种分母液经过种分浓缩后返回重新用于溶出铝土矿。用拜耳法生产 具有很多优点16-17： （1） 流程简单，设备易于制造； （2） 加工过程为湿法冶炼，有利于改善劳动环境； （3） 拜耳法能耗低，生产成本低； （4） 拜耳法产品质量高； （5） 拜耳法的劳动生产率高。 处理高品位铝土矿时生产成本也很低，比其它方法工艺简单，但拜耳法生 产时，原料中的 SiO2主要以钠硅渣的形式排出，1kg SiO2要造成 1kg 氧化铝和 0.608kg 的碱损失。若矿石中的

35、SiO2含量过高，将使氧化铝回收率很低，而碱 耗很大，从而提高生产成本，不能经济地进行生产。 氧化铝生产方法的选择，主要是根据铝土矿的品位，技术上可行，经济上 合理以及矿物类型等。国外氧化铝厂所用矿石品位普遍较高，矿石铝硅比大部 分都在 10 以上，多为易溶的三水铝石，山西矿石类型大都为难容的一水硬铝石， 用拜耳法生产时，对矿石的品位要求比较高，现在我国拜耳法生产氧化铝必须 添加石灰。 3.2 工艺流程的选择与论证 采用拜耳法生产氧化铝已有 100 多年的历史，100 多年来随着科学的发展、 新技术的应用，这一方法已经有了很大的发展和改进。目前，它仍是世界上生 江西理工大学 2013 届本科生

36、毕业设计（论文） -7- 产氧化铝的主要方法之一。拜耳法用在处理低硅铝土矿（一般要求 A/S7.0） ， 特别是用在处理三水铝石型铝土矿时有流程简单、作业方便、能量消耗低、产 品质量好等优点。现在除了受原料条件限制的某些地区以外，大多数氧化铝厂 都采用拜耳法生产氧化铝。 本设计采用的拜耳法流程见图 3-1。 拜耳法工艺流程实质包括溶出、稀释、分解、蒸发四个主要工序在内的循 环过程，除以上工序外，还有矿石的破碎细磨过程、赤泥渣和氢氧化铝的分解 洗涤过程，氢氧化铝的焙烧过程和碳酸钠苛化过程等18-20。 进入矿仓的铝土矿经中碎和细碎之后，按要求配一定的标准的循环母液，同时 配入一定量的石灰和补碱，

37、苛化碱液一起进入球磨机中细磨到要求的粒度，得 到的合格的原矿浆槽中经间接加热进行预脱硅，然后用高压隔膜泵送进换热器， 用从自蒸发器出来的二次蒸汽来预热矿浆，然后进入新蒸汽加热时间，使反应 基本完成，然后进入降温降压的自蒸发系统，经过 9 级自蒸发后，原矿浆温度 为 134，其二次蒸汽用于预热原矿浆。溶出矿浆在稀释槽中被稀释，并且搅 拌停留 4-5 个小时，在这段时间内，脱硅继续进行，然后稀释液进入吃你沉降 槽进行四次反向洗涤，洗液返回去稀释溶出矿浆，赤泥放在赤泥堆场。送到叶 滤工序的粗液，通过叶滤机再进行热交换降温，进入一段种子搅拌分解槽，首 槽加入细种子，再进行热交换器降温，再进入二段搅拌分

38、解槽，首槽加入粗种 子，通过分级机分级，底流获得氢氧化铝，溢流进入二次分级机，底流的粗种 子，溢流进入沉降槽，所得到的氢氧化铝经洗涤后送往焙烧车间进行焙烧，种 分母液小部分用于稀释工序参加稀释，以提高稀释液的苛性比值，减少氧化铝 的水解损失，剩余的一小部分母液进行深度蒸发，过滤后蒸发母液与未参加蒸 发的种分母液混合调配，得到合格的循环母液送到原矿浆湿磨工序进行下一个 循环溶出。蒸发过程中析出的一水苏打送往苛化得到苛碱，苛化液重新参加配 料。烧后的成品氧化铝送往氧化铝储仓，准备出厂销售。 现对整个流程中的主要工序从理论上作出进一步详细的阐述： (1) 矿石的磨细程度 拜耳法溶出属于多相反应，即是

39、固固、固液之间发生的多相反应。化 学反应一般是在固体颗粒表面上进行的，为此要求参加反应的各成分表面积要 大，混合要均匀。当其他条件相同时，溶出率随着细磨程度的增加而提高，但 是细磨到一定程度后，再提高细磨程度对溶出率的增加已无明显影响。另外， 磨得太细，除增加磨矿费用外，还能引起赤泥沉降性能变坏。管道化装置对矿 石粗细度要求更高一些，为保证矿石粒度，采用闭路细磨流程。 (2) 铝土矿的溶出。详见专题部分 (3) 溶出液的稀释 江西理工大学 2013 届本科生毕业设计（论文） -8- 补充苛性碱 铝土矿 石灰 溶出矿浆 粗液 稠浓赤泥浆热水 精液 赤泥 洗液 堆场 氢氧化铝浆液 母液 晶种 氢氧

40、化铝 Na2CO3H2O 洗涤结晶 氢氧化铝 蒸发母液 氧化铝 图 3-1 拜耳法生产氧化铝工艺流程图 破碎 湿磨 溶出 稀释矿浆 稀释 沉降分离 叶滤赤泥洗涤 晶种分解 沉降分离 洗涤 煅烧 蒸发 分离 溶解 苛化 石灰乳 江西理工大学 2013 届本科生毕业设计（论文） -9- 溶出矿浆稀释的目的在于：1.降低铝酸钠溶液的浓度。溶出矿浆铝酸钠溶液的 浓度很高，其稳定不利于晶种分解，因此用赤泥洗液和氢氧化铝洗液将溶出矿 浆稀释到氧化铝 160g/l 左右，降低了溶液的稳定性，加速分解，同时还能得到 较高的分解率，有利于循环效率的提高。2.稀释有利于铝酸钠溶液进一步脱硅。 虽然铝土矿在溶出前进

41、行了预脱硅，在溶出过程中又进一步进行了脱硅反应， 但是溶出液的氧化铝浓度很高，使得二氧化硅的平衡浓度相应也很高。因此溶 出液的脱硅指数并不高，为保证种分氧化铝产品质量，必须要求精液的脱硅指 数在 300 以上。稀释有利于脱硅，使硅指数上升。3.稀释有利于赤泥分离。铝 酸钠溶液越高，黏度越大，赤泥分离就越困难，故需稀释溶出矿浆是溶液浓度、 黏度降低，便于赤泥分离。4.稀释便于沉降槽的操作。在生产中，溶出矿浆的 成分波动很大，进入稀释槽内混合以后使矿浆成分波动很小，浓度符合要求， 比重稳定，便于沉降槽的操作。由于以上种种有利因素，故需要高稀释工序。 (4) 沉降分离与赤泥洗涤 影响拜耳法赤泥沉降和

42、压缩性能的因素很多，主要有：1.浆液温度。温度 升高，溶液的黏度、比重都下降，沉降速度增加，沉降槽产能提高，同时温度 是 铝酸钠溶液的稳定性增加，减少了氧化铝在分离洗涤过程中的水解损失。2.浓 度的影响。3.絮凝剂作用。综合这些情况本设计采用赤泥洗涤液浓度大于 95， 赤泥分离底流 L/S=4，末次洗涤底流 L/S=2.88.经过计算和经验，其赤泥四次反 向洗涤，附液量完全达到要求。 (5) 种子分解 为适应电解炼铝对氧化铝质量的要求，本设计采用生产砂状氧化铝的技术， 根据我国矿石的特点，为不影响氧化铝生产的单位热耗和产量指标，应采用高 浓度精液分解。 (6) 蒸发工序 蒸发采用 5 组 5

43、效降膜式蒸发器组，汽耗 0.4t-水，蒸发母液苛性碱浓度 230.76g/l，碳酸碱浓度 28.67g/l，苛性比 2.950，种分母液浮游物不大于 1g/l. (7) 焙烧工序 本设计采用目前较先进的流态化闪速焙烧技术，此方法较转回窑焙烧技术 先进得多，工艺也简单，劳动生产率大大提高。 江西理工大学 2013 届本科生毕业设计（论文） -10- 第四章 主要技术条件的选择 根据全厂物料衡算和全厂设备选择计算，需要选择一定的技术条件。主要 的技术条件如下： 4.1 破碎与磨碎 石灰添加量： 8.00% 入磨铝土矿粒度： 15mm 原矿浆粒度： -0.5mm ,100% -0.3mm ,99%

44、原矿将固含： 400g/l 每吨氧化铝补碱量：45kg 4.2 预脱硅 预脱硅温度：105 预脱硅时间：4.5h 4.3 高压溶出 溶出温度：265 脱硅指数：230 保温溶出时间:2h Na2Ok浓度：245g/l 溶出分子比：1.50 循环母液 Na2Ok浓度：245g/l,分子比 2.92 溶出赤泥铝硅比（A/S）：1.45 溶出赤泥钠硅比（N/S）：0.16 稀释浆液 Na2Ok浓度：202.2g/l 江西理工大学 2013 届本科生毕业设计（论文） -11- 4.4 赤泥的沉降分离与洗涤 分离底流固含：28.6% 分离溢流浮游物：0.2g/l 一次洗涤固含：32.6% 二次洗涤固含：

45、32.9% 三次洗涤固含：47% 末次洗涤底流固含：48% 弃赤泥附损：4.5kg-Na2O-干赤泥 3.4kg-Al2O3-干赤泥 0.5kg-Na2Oc-干赤泥 4.5 精滤 CaO 消耗量：400mg/l 精液浮游物：0.015g/l 精液浓度（Na2Ok）：165g/l 精液 ak：1.5 种分母液 ak：2.902 4.6 种子分解 晶种系数：3.5 分解温度：初温 68，终温 35 分解时间：4h 4.7 母液蒸发 强制效蒸发母液浓度 Na2Ok：320g/l 4.8 氢氧化铝过滤 洗水量：0.6t/t-Al(OH)3 分离滤饼水率：18% 江西理工大学 2013 届本科生毕业设计

46、（论文） -12- 洗涤滤饼含水率：8% 4.9 焙烧 烟囱出口含尘量：100mg/nm3 烟囱出口气温度：130140 4.10 混矿计算氧化铝回收率 按混矿计算氧化铝的回收率为 72.26% 江西理工大学 2013 届本科生毕业设计（论文） -13- 第五章 全厂物料平衡计算 5.1 原料成分 原料成分如表 51 所示 表 51 铝土矿及石灰（%） 成 分 项 目 Al2O3SiO2Fe2O3CaO灼减其他CO2总计附水 铝土矿(%) 58.256.1216.780.0912.584.750.63100.002.00 石 灰(%) 2.323.781.5786.252.953.13100.

47、008.00 其他 5,25%包括 TiO24.32% 5.2 生产过程中的主要技术条件 1、循环母液及赤泥滤饼附液的成分 循环母液及赤泥滤饼附液的成分见表 52 表 52 循环母液及赤泥滤饼附液的成分 成分 项 目Al2O3SiO2Na2OkNa2OcCO2计H2O 密度 (20) 循环母液/(gL-1) 114.60.52202.2023.3416.56357.22965.781323.00 赤泥滤饼附液(%) 1.522.0330.2510.1733.97796.023100.00 2、石灰添加量按原矿浆中 CaO 含量 8.00%计。 3、赤泥铝硅重量比及钠硅重量比 溶出赤泥 A/S=

48、2.00；分离赤泥 A/S=2.20；NK/S=0.16；赤泥结晶水为 8%。 4、溶出液及稀释液 溶出液苛性比值 k =1.50，脱硅指数 A/S=230，Al2O3浓度=270g/L； 稀释液 Al2O3浓度=160g/L，脱硅指数 A/S=307。 5、赤泥分离与洗涤液固比 L/S 分离 L/S=4.00；一次洗涤 L/S=3.00；二次洗涤 L/S=2.95；三次洗涤 L/S=2.90；四次洗涤 L/S=2.88；赤泥滤饼附液液固比 L/S=30/70。 6、种分蒸发母液苛性比值（ k）为 2.9024。 江西理工大学 2013 届本科生毕业设计（论文） -14- 7、Al(OH)3洗

49、涤用水量为 1t 干 Al(OH)3耗 1.20t 新水，洗净后 Al(OH)3含 水 6%。 8、苏打滤饼苛化率为 90%，苛化时石灰投入量按 CaO 化学计量的 125%。 9、生产过程中 Al2O3及 Na2O 的机械损失5。 1）破碎及储存 0.30%；湿磨 0.20%； 2）叶滤 0.05%； 3）晶种搅拌分解 0.37%； 4）Al(OH)3洗涤 0.30%； 5）种分原液蒸发 0.20%； 6）Al(OH)3焙烧 0.337%。 5.3 以1000kg碎铝土矿为计算标准 5.3.1 石灰添加量 按每吨碎铝土矿计，设石灰添加量为 X，则： （0.8625X+0.9）/（X+1000

50、）= 8.00% 解之得：X=101.09kg 式中：0.8625 石灰中 CaO 含量，%； 0.901t 铝土矿中 CaO 含量，kg； 8.00原矿浆要求的 CaO 含量，%； 混矿成分见表 53 表 53 混矿成分 成 分 项 目 Al2O3SiO2Fe2O3CaOCO2其他H2O结计附水总计 铝土矿/Kg582.561.20167.80.906.3057.5123.80100020.001020.00 石灰/Kg2.323.781.5786.253.132.95101.098.09109.18 混矿/Kg584.8564.98169.3787.159.4360.45123.80110

51、1.0928.091129.18 混矿/%53.255.914.187.980.85.4911.24100100.00 5.3.2 配碱计算 1、预算生产过程反苛化、化学和机械损失耗用的苛性钠 Na2Ok。经预算后吨 碎铝土矿耗用的 Na2Ok列于表 54。 2、试算出进入溶出液和溶出赤泥的 Al2O3和 SiO2量 拜耳法物料平衡中的配碱计算是难以掌握的，要使整个物料平衡计算准确无 误和不返工，首先应该经过试算以找出准确相关的数据代入到关系式中，然后 江西理工大学 2013 届本科生毕业设计（论文） -15- 求得所需的数据。溶出液和溶出赤泥中的 Al2O3和 SiO2由下列等关系式求得。

52、设进入溶出系统的成分量为： 令循环母液的体积为 V，Al2O3的总量为 A总，溶出液中 Al2O3总量为 A溶， 溶出赤泥中 Al2O3为 A赤；总的 SiO2为 S总，溶出液中的 SiO2为 S溶，溶出赤 泥中的 SiO2为 S赤。则： A总=A溶+A赤=混矿中 Al2O3量+循环母液中 Al2O3量-湿磨损失的 Al2O3量 S总=S溶+S赤=混矿中 SiO2量+循环母液中 SiO2量-湿磨损失的 SiO2量 则有： A溶/ S溶=230 A赤/ S赤=2.00 由于工厂生产数据，假设循环母液的体积为 5.00m3/t 矿，由循环母液带人 的： Al2O3=5.00 114.60=573.

53、00 kg SiO2=5.000.52=2.60 kg 进入湿磨的成分量： Al2O3=584.85+573.00=1157.85 kg 64.98+2.6=67.58 kg 溶出矿浆成分量： Al2O3=1157.85 （1-0.2%）=1155.53 kg SiO2=67.58（1-0.2%）=67.45 kg 则 230 S溶+2.00 S赤=1172.50 S溶+ S赤=67.45 A总=230 S溶+2 S赤 S总= S溶+ S赤 联立、求得： S溶=4.476 kg A溶=1029.48 kg S赤=62.969 kg A赤=125.938 kg 江西理工大学 2013 届本科生毕

54、业设计（论文） -16- 表 54 吨碎铝土矿耗用的 Na2Ok分布情况 序号耗用工序名称 占所在工序用量的 比例/% 吨碎铝土矿耗用 数量/kg 占耗用量比例/% 1 湿磨0.201.864.13 2 进入溶出赤泥1.3011.8626.36 3 失去苛性钠1.4713.3029.56 4 硅渣带走0.0760.691.53 5 分离赤泥滤饼附液0.534.8310.73 6 叶滤损失0.050.451.00 7 种分0.373.317.35 8 氢氧化铝分离0.302.685.95 9 种分母液蒸发0.201.783.96 10 结晶苏打附液0.332.956.56 11 氢氧化铝未洗净0

55、.151.292.89 合计45.00100.00 3、列出配碱关系式为 混矿中 Al2O3量-（A/S赤S赤+湿磨损失的 Al2O3量）溶出液 k/1.645+ 混矿中 CO2量62/44+进入赤泥的 Na2Ok量+湿磨过程中损失的 Na2Ok量=全过程 耗用的Na2OK量+V母液 Na2Ok浓度-（溶出液 k母液 Al2O3浓度）/1.645 式中： 1.645 Al2O3与Na2O的分子量之比，即 102/62； 混矿中 CO2量62/44 吨碎铝矿混矿中 CO2消耗的 Na2Ok量， kg。 将有关数据代入配碱关系式中，得： 584.85-（2.0062.97+2.32）1.50/1.

56、645+9.4362/44+9.73+2.12=45+ V202.20-（1.500114.60）/1.645 解得 V=4.06m3 S溶=4.69kg 江西理工大学 2013 届本科生毕业设计（论文） -17- A溶=1078.7kg S赤=62.67kg A赤=125.34kg 将 V=4.06m3作为新的循环母液体积带入重新计算： 得 V=4.06m3 与上次结果一致，故认定循环母液体积 V=4.06m3 5.3.3 进入湿磨的成分量 按每吨碎铝矿计，单位 Kg 1、由混矿进入的： Al2O3=584.85kg SiO2=64.98kg CaO=87.15kg Fe2O3=169.37

57、kg CO2=9.46kg 其他=60.45kg H2O结=123.80 2、由补入的液体苛性钠补入 Na2OK=45.00kg 折成 NaOH=45.0080/62=58.06 kg 折成 42%的液体 NaOH=58.06/0.42=138.24kg 其中 H2O=138.24-45.00=93.24 kg 3、由循环母液带入的： Al2O3=4.06114.60=465.28kg Na2OK=4.06202.20=820.93kg SiO2=4.060.52=2.11kg Na2Oc=4.0623.34=94.76kg CO2=94.7644/62=67.25kg H2O=4.06965

58、.78=3921.1kg 进入湿磨成分量： 进入湿磨成分量=（混矿+循环液+补加的苛性碱液）成分量，其中： Al2O3=584.85+465.28=1050.13kg SiO2=64.98+2.11=67.09kg Na2Ok=45.00+820.93=865.93kg 江西理工大学 2013 届本科生毕业设计（论文） -18- Na2Oc=94.76kg CO2=9.43+67.25=76.68kg CaO=87.15kg Fe2O3=157.8kg 其他=60.45kg H2O结=123.80kg 5.3.4 进入溶出矿浆液的成分量 按每吨碎铝矿计，单位 Kg，湿磨损失为 0.20%，单位

59、 kg Al2O3=1050.13-11050.130.20%=1048.03kg 混矿中 CO2结合的 Na2Oc=7.98（1-0.20%）62/44=11.22kg Na2Oc=94.76-94.760.20%=94.57kg CO2=105.7944/62=75.08kg Na2Ok=865.93-865.930.20%-11.22=852.98kg SiO2=67.09-67.090.20%=66.96kg CaO=87.15-87.150.20%=86.96kg Fe2O3=157.8-157.80.20%=157.48kg 其他=60.45-60.450.20%=60.33kg

60、H2O结=123.80-123.800.20%=123.55kg 5.3.5 进入溶出液的成分量 按每吨碎铝矿计，单位 Kg SiO2=400kg Al2O3=A/SS=2304.00=920.00kg Na2Ok=852.98-62.970.16=842.90kg 校验：溶出液 k =1.645842.90/920.00=1.50 式中： 4.00 及 62.97分别为溶出液中的 SiO2和进入赤泥中的 SiO2量,kg； 0.16溶出赤泥中的钠与硅的重量比。 求溶出液的水量： 已知溶出液 Al2O3浓度=270g/l 故 V=920.00/270=3.4074m3 Na2Ok=842.90