高天明，楊沁東，代 濤

(1.中國地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所，北京 100037；2.中國地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所國土資源部成礦作用與資源評價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100037；3.中國地質(zhì)科學(xué)院全球礦產(chǎn)資源戰(zhàn)略研究中心，北京 100037；4.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與資源學(xué)院，北京 100083)

0 引 言

中國是全球最大的氧化鋁生產(chǎn)和消費(fèi)國，其氧化鋁產(chǎn)量占世界的比重由2006年的23%，上升到2015年的54%[1-2]。氧化鋁產(chǎn)量的不斷增加不僅引起了鋁土礦資源和能源的巨大消耗，還對環(huán)境造成了一定污染[3]。中國鋁工業(yè)的環(huán)境負(fù)擔(dān)主要發(fā)生在氧化鋁生產(chǎn)段[4]。同時，鋁冶煉對金屬資源的耗費(fèi)也不容小覷，中國噸鋁的赤泥產(chǎn)量為1.6 t[4]，2015年中國鋁冶煉階段鋁金屬的損耗高達(dá)216萬t[1]。為了解決氧化鋁工業(yè)中的資源損失與環(huán)境污染問題，開展氧化鋁生產(chǎn)階段的物質(zhì)流分析，評價(jià)不同工藝的資源環(huán)境效益，一方面對發(fā)展氧化鋁清潔生產(chǎn)提供依據(jù)，另一方面對于探究降低鋁資源損失的手段與措施，減少資源浪費(fèi)都有著重要意義。

已有學(xué)者開展了氧化鋁工業(yè)中資源效率問題的相關(guān)研究。吳復(fù)忠等運(yùn)用投入產(chǎn)出分析方法，建立了氧化鋁企業(yè)的資源效率、能源效率和環(huán)境效率的數(shù)學(xué)模型[5]；周鳳祿等建立起了氧化鋁工業(yè)的物質(zhì)流、能量流的框架，在此框架的基礎(chǔ)上討論了氧化鋁生產(chǎn)過程中企業(yè)的能耗及資源效率、能源效率[6]；肖序等在元素流和價(jià)值流分析的基礎(chǔ)上引入資源效率，構(gòu)造流程制造業(yè)生產(chǎn)工序與流程的資源效率和資源流成本的關(guān)系式，構(gòu)建運(yùn)用于流程制造業(yè)的“元素流-價(jià)值流”計(jì)算與分析方法，并將其應(yīng)用于某氧化鋁生產(chǎn)企業(yè)[7]；在能耗方面，劉麗儒等通過構(gòu)建拜耳法、燒結(jié)法與聯(lián)合法的基準(zhǔn)物流圖定量分析各個工序的能耗，并以某氧化鋁廠的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，繪制其實(shí)際的物流與能耗情況，通過理論上構(gòu)建的基準(zhǔn)物流圖與實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)的比較，來指導(dǎo)氧化鋁廠如何降低能耗[8-10]。環(huán)境效率方面，周鳳祿等以山西某拜耳法氧化鋁廠為例，采用工業(yè)代謝分析方法，建立了企業(yè)物料結(jié)算平衡表，對該企業(yè)生態(tài)效率的現(xiàn)狀進(jìn)行了分析比較[6]；在調(diào)研近30年國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，薛生國等分析了赤泥處置和資源化利用的環(huán)境影響[11]；尹中林等以氧化鋁生產(chǎn)工藝的技術(shù)手段為基礎(chǔ)，分析了氧化鋁工業(yè)產(chǎn)生污染的原因，從技術(shù)發(fā)展的角度提出了減少氧化鋁工業(yè)污染的手段[12]；已有的文獻(xiàn)多以氧化鋁工業(yè)本身的生產(chǎn)技術(shù)角度、或者通過投入產(chǎn)出為手段，分析氧化鋁工業(yè)中的資源環(huán)境問題。有學(xué)者也建立了氧化鋁工業(yè)的物質(zhì)流、能量流框架，但也只是從理論上分析其對資源和環(huán)境的影響。以物質(zhì)流、能量流分析為基礎(chǔ)，從生產(chǎn)技術(shù)角度來比較分析氧化鋁不同生產(chǎn)工藝的資源環(huán)境效率方面的研究還非常缺乏。

本文從氧化鋁的生產(chǎn)工藝著手，刻畫不同氧化鋁生產(chǎn)工藝過程的鋁物質(zhì)流以及各生產(chǎn)環(huán)節(jié)能量的流動，構(gòu)建拜耳法、燒結(jié)法、聯(lián)合發(fā)生產(chǎn)工藝的物質(zhì)流圖，分析不同氧化鋁生產(chǎn)工藝各生產(chǎn)環(huán)節(jié)的物質(zhì)與能量的變化情況，對比不同生產(chǎn)工藝的資源效率、能源效率和污染物排放強(qiáng)度等，歸納不同工藝的優(yōu)勢和不足，為優(yōu)化氧化鋁清潔生產(chǎn)模式、提高資源效率提供措施與建議。

1 氧化鋁生產(chǎn)工藝概述

從鋁土礦中提取氧化鋁有多種方法，最初為燒結(jié)法，但自從拜耳法產(chǎn)生后，才逐步形成規(guī)模的氧化鋁工業(yè)。拜耳法是生產(chǎn)氧化鋁的主要方法，其產(chǎn)量約占氧化鋁總產(chǎn)量的95%[9]，在拜耳法得到廣泛應(yīng)用的同時，也發(fā)展出了由拜耳法和燒結(jié)法結(jié)合起來的聯(lián)合法。目前，生產(chǎn)氧化鋁主要的工藝為拜耳法、燒結(jié)法與聯(lián)合法。

拜耳法以處理鋁硅比大于9的礦石為主，其基本流程如圖1(a)所示。破碎的鋁土礦和和石灰、循環(huán)母液制成礦漿，礦漿經(jīng)脫硅、預(yù)熱后溶出，經(jīng)過蒸發(fā)降溫后沉降分離，赤泥經(jīng)洗滌進(jìn)入赤泥堆場，粗液過濾后經(jīng)晶種分解得到氫氧化鋁。而處理含硅較高的鋁土礦或鋁酸鹽類礦物時，多采用燒結(jié)法。其基本工藝為：在高溫條件下燒結(jié)碳酸鈉、鋁土礦和石灰石的混合料，然后用稀堿液溶出熟料可得到鋁酸鈉溶液，在溶液中通入CO2氣體即可析出氫氧化鋁。殘留的溶液蒸發(fā)濃縮后返回配料循環(huán)使用。燒結(jié)法的基本工藝流程如圖1(b)所示。

處理低品位鋁土礦時，拜耳法的礦耗、堿耗升高。由此開發(fā)出聯(lián)合法生產(chǎn)工藝，用燒結(jié)法處理拜耳法赤泥，回收其中的氧化鋁和苛性堿。拜爾燒結(jié)聯(lián)合法有多種，本文以串聯(lián)聯(lián)合法為例，串聯(lián)聯(lián)合法的基本流程為：先以拜耳法處理鋁土礦，提取其中大部分氧化鋁后，再用燒結(jié)法處理拜耳法赤泥，進(jìn)一步提取赤泥中的氧化鋁并回收堿；而后燒結(jié)法系統(tǒng)所得的鋁酸鈉溶液并入拜耳法系統(tǒng)一起進(jìn)行晶種分解。

2 氧化鋁生產(chǎn)工藝物質(zhì)流圖

根據(jù)氧化鋁生產(chǎn)工藝的基本流程圖，通過查閱《鋁冶煉生產(chǎn)技術(shù)手冊》[13]、《拜耳法生產(chǎn)氧化鋁》[14]等相關(guān)資料、文獻(xiàn)等，參考了長城鋁業(yè)、山東鋁業(yè)、貴州鋁業(yè)、山西鋁業(yè)、廣西平果鋁業(yè)等中國典型企業(yè)鋁土礦、苛性堿、重油、電耗等中間環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)，繪制了氧化鋁不同生產(chǎn)工藝的物質(zhì)流圖(圖2～4)。由于一些數(shù)據(jù)的可獲得性與研究過程中的必要性，對工藝流程中所包含的一些指標(biāo)進(jìn)行了簡化：為了方便對三種工藝進(jìn)行對比，文中鋁土礦的品位為60%，且其余成分的含量也相同。

拜耳法生產(chǎn)1 t氧化鋁所需要的原料投入為2 437 kg，其中鋁土礦2 002 kg(含氧化鋁1 201 kg)、苛性堿281 kg、石灰154 kg(圖2)。在溶出、晶種分解和焙燒階段損失氧化鋁201 kg，其中溶出和晶種分解損失量較大。噸氧化鋁生產(chǎn)需要補(bǔ)充苛性堿43 kg，并與晶種分解后循環(huán)利用的苛性堿238 kg融合用于氧化鋁生產(chǎn)的溶出，在溶出、晶種分解、蒸發(fā)階段苛性堿的損失量分別為14 kg、19 kg和10 kg。同時需要石灰石154 kg，用于溶出階段增加氧化鋁的溶出率。拜耳法生產(chǎn)噸氧化鋁所需要能源為8.36 GJ，其中煤炭24.7 kg、焦炭44 kg、重油131 kg、電力244.3 kW·h。溶出、晶種分解、蒸發(fā)、焙燒階段的能耗分別為：724 MJ、671 MJ、1 965 MJ、5 000 MJ。

圖1 氧化鋁生產(chǎn)工藝流圖

圖2 拜耳法鋁物質(zhì)流量圖

圖3 燒結(jié)法鋁物質(zhì)流量圖

圖4 拜爾-燒結(jié)串聯(lián)聯(lián)合法鋁物質(zhì)流量圖

燒結(jié)法生產(chǎn)1 t氧化鋁需要的原料投入為2 084 kg，其中鋁土礦1 963 kg(含氧化鋁1 178 kg)、堿112 kg、石灰794 kg(圖3)。在燒結(jié)、熟料溶出、脫硅、碳分階段損失178 kg氧化鋁，其中熟料溶出損失量較大。噸氧化鋁生產(chǎn)需要補(bǔ)充堿18 kg，并與碳分后循環(huán)利用的苛性堿94 kg一同用于氧化鋁生產(chǎn)的燒結(jié)工序，在各個流程中堿的損失量分別為燒結(jié)1 kg、熟料溶出7 kg、脫硅5 kg和碳分5 kg。同時需要石灰石794 kg，用于燒結(jié)、熟料溶出、脫硅三個階段中。燒結(jié)法生產(chǎn)噸氧化鋁所需要能源為32.866 GJ，其中煤炭932.8 kg、焦炭35.79 kg、重油77 kg、電力354 kW·h。燒結(jié)、熟料溶出、脫硅、碳分、焙燒階段的能耗分別為：27 339 MJ、158 MJ、175 MJ、194 MJ、5 000 MJ。

聯(lián)合法(串聯(lián)法)生產(chǎn)1 t氧化鋁所需要的原料投入為2 456 kg，其中鋁土礦1 818 kg(含氧化鋁1 091 kg)、補(bǔ)充堿69 kg、石灰569 kg(圖4)。在燒結(jié)、熟料溶出、脫硅、晶種分解階段損失91 kg氧化鋁，其中熟料溶出和晶種分解損失量較大。噸氧化鋁生產(chǎn)需要補(bǔ)充堿69 kg，在溶出、燒結(jié)、熟料溶出、脫硅、晶種分解、蒸發(fā)階段苛性堿的損失量分別為6 kg、6 kg、9 kg、11 kg、21 kg、16 kg。同時需石灰石569 kg，用于溶出、燒結(jié)、脫硅等流程中。聯(lián)合法生產(chǎn)t氧化鋁所需要能源為19.836 GJ，其中煤炭485 kg、焦炭33.1 kg、重油83.9 kg、電力320 kW·h。溶出、燒結(jié)、熟料溶出、脫硅、晶種分解、蒸發(fā)和焙燒階段的能耗分別為：654 MJ、13 564 MJ、62 MJ、54 MJ、100 MJ、402 MJ、5 000 MJ。

3 資源環(huán)境效應(yīng)指標(biāo)比較

為了反映氧化鋁各生產(chǎn)工藝資源和能源的消耗以及對環(huán)境狀況的影響，本文以鋁資源效率、能源效率和CO2排放強(qiáng)度來衡量各工藝的資源環(huán)境效應(yīng)。通過對不同工藝?yán)酶鞣N指標(biāo)的比較，分析討論出三種不同工藝對資源的損耗情況和對環(huán)境的友好程度。

3.1 鋁資源效率比較

根據(jù)三種生產(chǎn)工藝物料平衡情況，各階段的物料損耗及鋁的含量，得到了不同工藝生產(chǎn)噸氧化鋁金屬鋁的損失量及其資源利用率(表1)。由表1可知，聯(lián)合法工藝結(jié)合了拜耳法和燒結(jié)法的特點(diǎn)，決定了其資源利用率很高，噸氧化鋁的損失在三種工藝中最低，為91 kg/tAl2O3，其資源利用率業(yè)高達(dá)91%。拜耳法和燒結(jié)法流程除在焙燒環(huán)節(jié)均有5 kg/tAl2O3左右的鋁金屬損耗外，在其他環(huán)節(jié)的損耗具有明顯的差異性。

表1 三種氧化鋁生產(chǎn)工藝中鋁資源利用效率

燒結(jié)法的金屬損耗主要發(fā)生在熟料溶出和脫硅環(huán)節(jié)，脫硅環(huán)節(jié)的工藝有脫硅產(chǎn)物不含氧化鈉和氧化鋁的原硅酸鈣的特點(diǎn)，因此其鋁總回收率高，其鋁的回收率為96%。脫硅環(huán)節(jié)鋁金屬損失量為43 kg/t Al2O3。脫硅環(huán)節(jié)排出的赤泥中的含鋁比為4%，熟料溶出鋁金屬損失量為82 kg/t Al2O3，占該工藝總損失量的46%。燒結(jié)法的資源利用效率略高于拜耳法為85%。

拜耳法金屬損耗最大，其金屬的損耗量達(dá)到了201 kg/t Al2O3，利用效率為83%其金屬損耗主要發(fā)生在溶出和晶種分解環(huán)節(jié)，其中晶種分解環(huán)節(jié)的金屬損耗為64 kg/t Al2O3，占總損耗32%。目前國內(nèi)晶種分解技術(shù)已經(jīng)較為成熟，和美國、瑞典、法國等國家的產(chǎn)出率相比，國內(nèi)晶種分解技術(shù)已經(jīng)達(dá)到了國際先進(jìn)水平[9]。而溶出環(huán)節(jié)金屬損耗所占比重最大為62.85%，即132 kg/t Al2O3。

拜耳法工藝的主要特點(diǎn)，是適合處理高鋁硅比的礦石，且其生產(chǎn)流程相比其他兩種工藝要簡單的多，所以其生產(chǎn)成本也低。而燒結(jié)法具有總金屬的回收率高，能夠有效的處理低品位礦石，堿耗低的突出優(yōu)點(diǎn)。但是，燒結(jié)法碳分過程中溶液中的氧化硅易于析出，導(dǎo)致其生產(chǎn)的氧化鋁成品中質(zhì)量較差。鋁金屬的損耗最多的環(huán)節(jié)在于溶出和熟料溶出階段，而這兩個流程的鋁金屬的溶出率從原理上受到鋁土礦中鋁硅比控制，礦石中的鋁硅比越大其溶出率也就越大，所以想要降低這兩個技術(shù)流程的金屬消耗，主要的問題在于礦石的質(zhì)量。從工藝本生上來說選擇聯(lián)合法這種資源效率很高的工藝來生產(chǎn)氧化鋁是降低金屬損失的最有效辦法。

3.2 氧化鋁生產(chǎn)工藝中的能耗

氧化鋁的生產(chǎn)工藝中能耗主要來源于焙燒、蒸發(fā)等環(huán)節(jié)，將這些環(huán)節(jié)消耗的煤、焦炭、重油等能源物質(zhì)與電力消耗經(jīng)過換算[16]，所得能耗如圖5所示。就總能耗而言三種工藝生產(chǎn)噸氧化鋁能耗，拜耳法最低為8.358 GJ/tAl2O3。拜耳法工藝中能耗主要消耗在焙燒階段與堿的蒸發(fā)環(huán)節(jié)，占總能耗的83%。最高的則為燒結(jié)法32.866 GJ/tAl2O3，燒結(jié)法能耗的主要來源是煤和石灰的消耗，燒結(jié)環(huán)節(jié)會消耗大量的煤，其使用的煤產(chǎn)生的能耗占到了燒結(jié)法所產(chǎn)生總能耗的83.2%；燒結(jié)法石灰用量大，從而石灰燒制也會需要大量的能耗。聯(lián)合法中因?yàn)榻Y(jié)合了燒結(jié)法中的工藝流程，所以其用煤量偏大，從而能耗也就偏高。

圖5 不同氧化鋁生產(chǎn)工藝能耗

國內(nèi)總體情況而言，中國的氧化鋁生產(chǎn)能耗偏高(表2)。中國的聯(lián)合法及燒結(jié)法工藝生產(chǎn)氧化鋁能耗是國外氧化鋁冶煉工藝的2～3倍；中國拜耳法工藝氧化鋁的生產(chǎn)能耗與國外接近；甚至比其他國家的能耗低[14]。

3.3 環(huán)境影響比較

氧化鋁生產(chǎn)的二氧化碳排放來源有：鋁土礦含有的碳酸鹽和消耗能耗在生產(chǎn)過程中的直接排放和生產(chǎn)過程中電力消耗所產(chǎn)生的間接性排放。鋁土礦中碳酸鹽含量很小本文的二氧化碳排放強(qiáng)度并未考慮這部分的碳排放。

通過圖5中各個能源物質(zhì)與電力消耗的量，依據(jù)國家發(fā)改委氣候司發(fā)布的不同能源的排放系數(shù)[12]，可以測算出三種工藝二氧化碳的排放見表3。從測算結(jié)果可以得知，燒結(jié)法生產(chǎn)噸氧化鋁會產(chǎn)生大量的二氧化碳，二氧化碳的排放量高達(dá)2.45 tCO2/tAl2O3。而拜耳法工藝生產(chǎn)噸氧化鋁的碳排放量則最低，只有燒結(jié)法碳排放的1/3。因此氧化鋁的生產(chǎn)工藝中對大氣影響最大的是燒結(jié)法工藝。

氧化鋁的生產(chǎn)工藝中，對環(huán)境的影響因素還有金屬離子和堿的排放，金屬離子導(dǎo)致土地金屬污染，堿影響土壤與水體的酸堿度，這些污染在生產(chǎn)工藝中都是赤泥的形式排出。三種工藝中拜耳法赤泥排放和堿耗最大，其對環(huán)境的影響也最大。如何提高拜耳法赤泥的再利用對資源環(huán)境均有重要的意義。

表2 中國不同氧化鋁生產(chǎn)工藝國際能耗比較

表3 不同氧化鋁生產(chǎn)工藝二氧化碳排放強(qiáng)度

4 結(jié) 論

1) 聯(lián)合法金屬損失率最低，燒結(jié)法次之，拜耳法金屬損耗最大。聯(lián)合法因其本身的工藝特點(diǎn)決定了其鋁金屬的消耗少。拜耳法中的溶出環(huán)節(jié)、燒結(jié)法中的熟料溶出環(huán)節(jié)是各生產(chǎn)環(huán)節(jié)中鋁金屬消耗最多的流程，導(dǎo)致了兩種工藝的鋁金屬利用率的差異。在晶種分解技術(shù)成熟的前提下，想要提高拜耳法的溶出率，減少燒結(jié)法熟料溶出的損耗使得氧化鋁生產(chǎn)資源效率提升，需使用高品質(zhì)的鋁土礦資源。

2) 拜耳法總能耗最低為8.36 GJ/tAl2O3，能耗最高的則為燒結(jié)法32.87 GJ/tAl2O3。燒結(jié)法能耗的主要來源是燒結(jié)環(huán)節(jié)煤的消耗。與國外技術(shù)對比，國內(nèi)拜耳法工藝，能耗都已經(jīng)達(dá)到了國際先進(jìn)水平，但燒結(jié)法、聯(lián)合法工藝生產(chǎn)氧化鋁能耗是國外氧化鋁冶煉工藝的2～3倍。

3) 拜耳法工藝氧化鋁的碳排放強(qiáng)度則最低，不及燒結(jié)法碳排放的1/3，但其赤泥中所含的金屬元素、堿的含量高，其對土壤和水體的影響很大。燒結(jié)法氧化鋁會產(chǎn)生大量的二氧化碳，排放強(qiáng)度高達(dá)2.45 t/tAl2O3。這也與燒結(jié)法工藝中消耗大量的煤有關(guān)，同時也是聯(lián)合法碳排放偏高的主要原因。

綜上所述，拜耳法工藝的主要特點(diǎn)為能耗低，生產(chǎn)成本也相對較低，所以中國氧化鋁產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)工藝大部分都選用拜耳法。但是，拜耳法工藝對鋁金屬的損失量很高，這也就解釋了中國每年在氧化鋁這一生產(chǎn)環(huán)節(jié)，造成鋁金屬的巨大浪費(fèi)、對水體與土壤的不良影響的原因。燒結(jié)法最大的短板就在于能耗與碳排放太高，生產(chǎn)成本也隨之上升。但其資源效率高，與國外燒結(jié)法工藝技術(shù)相比較，國內(nèi)降低能耗的空間非常大。聯(lián)合法工藝對鋁的利用率非常高，但其能耗也相對偏高，且工藝較為復(fù)雜，操作技術(shù)難度較高。在提高資源效率方面，要探索提高氧化鋁溶出率的技術(shù)，提高赤泥的利用率，降低鋁資源的損耗，分析燒結(jié)法能耗高的原因，提出提高能效的應(yīng)對措施，降低能源的消耗和二氧化碳排放強(qiáng)度。

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