1.氧化鋁生產技術及生產情況
    1995年全世界有68個氧化鋁廠在生產，產出冶金級氧化鋁4740萬噸，產出特種氧化鋁369萬噸，合計5109萬噸。1997年有“個氧化鋁廠在生產，產量為5058萬噸。
    除中國和俄羅斯等國使用多種生產方法之外，其他各國都是采用拜耳法。生產方法的確定主要是取決于被處理原料的性質。
    (1)國外氧化鋁生產技術及生產情況。
    (2)中國氧化鋁生產技術及生產情況中國現有6個氧化鋁廠，1999年實產氧化鋁332萬噸。
    ①山東鋁業公司氧化鋁廠該廠是中國的第一個氧化鋁廠，采用堿石灰燒結法，規模為年產氧化鋁50萬噸。
    ②鄭州鋁廠  1999年規模為年產氧化鋁80萬噸，1998年實產氧化鋁73萬噸。
    混聯法是中國獨創的生產方法，在鄭州鋁廠首次實踐，該法具備串聯法的優點，又有生產組織上的靈活性，適于處理河南省的難溶低鐵的鋁土礦。
    鄭州鋁廠在生產中使用著一項獨特的技術——拜耳管道化溶出技術。
    工藝流程：常壓脫硅→高壓隔膜泵→一級套管礦漿預熱→2-9級二次蒸汽套管預熱→套管熔鹽加熱→停留管段→8級自蒸發器。石灰乳加在停留管段。
    主要設備有：12個缸臥式單作用隔膜泵，4管管式預熱器，停留管段Ф355mm，長915m。
    主要技術指標：原礦漿處理量300m³/h;母液濃度180g/L Na₂O;溶出溫度270-280℃；溶出時間40-45min;氧化鋁溶出率>92%；設備運轉率>80%；加熱方式為熔鹽加熱，熔鹽爐燃油；氧化鋁產量16.5萬噸／年。
    ③貴州鋁廠  規模為年產氧化鋁40萬噸，采用聯合法（混聯法）生產流程；1998年實產42萬噸氧化鋁。采用的生產技術及裝備主要有循環流化床氧化鋁焙燒爐、大型六效板式降膜蒸發器組、高壓循環流化床鍋爐、間接加熱溶出罐溶出及高效沉降槽等。
    ④山西鋁廠  山西鋁廠是中國目前最大的氧化鋁廠，規模為年產氧化鋁120萬噸，處理山西省孝義中等品位鋁土礦，采用徹底分開的拜耳一燒結聯合法工藝流程。
    ⑤中州鋁廠  中州鋁廠原設計終期規模為年產氧化鋁120萬噸，采用聯合法（混聯法）工藝流程。
    ⑥平果鋁業公司氧化鋁廠  平果氧化鋁廠是中國目前技術最先進的氧化鋁廠，采用全新的拜耳法工藝流程，一期工程設計規模為年產氧化鋁30萬噸。
    2.各生產方法的機理、工藝流程及其特點
    氧化鋁是一個兩性氧化物，能溶解于酸中也能溶解于苛性堿溶液中；據此，由礦石中提取氧化鋁的方法分為酸法及堿法。
    由于酸有腐蝕性，耐酸設備難以解決，因此酸法生產未能在大工業中得以應用。目前在工業上采用的方法是堿法生產。
    氧化鋁生產方法有：①拜耳法，處理優質鋁土礦，A1₂O₃/SiO₂≥8（質量比），SiO₂<9%；②燒結法，處理低品位鋁礦石，A1₂O₃/SiO₂＝3.5-5.0;③聯合法，處理中等品位鋁土礦，A1₂O₃/SiO₂=5.0-8.0，聯合法中又分為并聯法、串聯法及混聯法。
    (1)拜耳法拜耳法適于處理高品位鋁土礦，這是用苛性堿溶液加溫溶出鋁土礦中氧化鋁的生產方法，具有工藝簡單、產品純度高、經濟效益好等優點，基本流程見圖1。
②主要生產工藝過程  拜耳法的生產工藝主要由溶出、分解和熔燒三個階段組成。全流程主要加工工序為：礦石的破碎及濕磨、高溫高壓溶出、赤泥分離洗滌、種子分解、母液蒸發及氫氧化鋁熔燒。
    鋁礦石進廠后經破碎、均化、貯存，碎礦石送下一工序濕磨。本工序的目的是使鋁礦石破碎至≤15mm粒度，并且使化學成分均勻地向濕磨供料，控制指標是：每七天的供礦量加權平均值A/S（鋁硅比）波動在±0.5范圍內。
    濕磨是使鋁礦石進一步磨細并進行三組分（鋁礦石、石灰、循環堿液）配料，使得到的產品一原礦漿滿足高壓溶出的要求。工序控制的技術條件是：石灰加入量為干鋁礦量的7%；循環堿液配入量為控制溶出液的αk（苛性化系數）為1.55;磨礦細度為+170^＃篩＜15%，+100^＃篩<5％。
    高壓溶出是拜耳法的核心部位，要求其熱利用率高、建設投資少及易操作、經營成本低。對溶出一水硬鋁石型礦石而言，目前有三種高壓溶出的形式：管道化預熱及停留溶出（即全管道化）；管道化預熱及機械攪拌壓煮罐預熱、新蒸汽加熱、停留化預熱、熔鹽加熱及停留罐（無機械攪拌）溶出。三種形式在中國都有實踐。本工序控制的主要技術條件是：原礦漿要先經常壓脫硅，以免管道預加熱礦漿時產生管壁“結疤”；溶出溫度260-280℃；溶出時間15-60min。
    溶出完成后得到的礦漿經降溫、減壓并將濃度稀釋，以便常壓下處理—赤泥的分離及洗滌，分離與洗滌一般都采用沉降槽，目前工業上使用的最先進的沉降槽是深錐沉降槽。分離沉降槽的溢流是產品粗液，經控制過濾后得到的精制液送去種子分解；底流是固體殘渣（稱赤泥），經4-5次沉降并反向洗滌回收其附液中的堿后送堆場堆存。赤泥沉降分離洗滌工序控制的主要技術條件是：過程中物料的溫度95℃以上；分離沉降槽的底流固體質量百分數為≥41%，溢流中懸浮物含量為≤200mg/L;末次洗滌沉降槽的底流固體質量百分數為≥48%，每噸干赤泥帶走的Na₂O≤5kg;為改善沉降性能，生產過程中要加入絮凝劑。
    種子分解是將鋁酸鈉溶液加入種子（細氫氧化鋁）經降低溫度，長時間攪拌而自行分解析出固體氫氧化鋁及液體苛性堿的過程。本工序控制的主要技術條件是：分解開始的溫度（70℃）及終了溫度（45℃）；分解時間55-60h；種子加入量（種子比為2.5-5.5）；分解率（45％-50％）。
    種子分解后得到的是固體（氫氧化鋁）與液體（苛性堿液）的混合物，經分級及過濾，分離后得到種子（細氫氧化鋁）及產品氫氧化鋁和分解母液（苛性堿溶液）。種子返回種分槽，產品氫氧化鋁經過濾洗滌后焙燒得氧化鋁產品，分解母液則送蒸發站處理。
    蒸發的目的有三：一是提高溶液的濃度，蒸去一部分水，以滿足高壓溶出對堿濃度（Na₂O180-230g/L）的要求；二是排除生產過程中積累的Na₂CO₃及Na₂SO₄，它們的溶解度與堿濃度成反比，當堿濃度達到一定程度時它們從溶液中呈固相析出進而分離出去；三是排除生產過程中積累的有機物，一般有機物隨Na₂CO₃及Na₂SO₄的析出而析出。蒸發是在高效真空蒸發器中完成的。
    不論是哪一種生產方法得到的氫氧化鋁，都需經焙燒而得到產品氧化鋁。焙燒的目的有二：一是除掉氫氧化鋁中的附著水及結晶水，二是使氧化鋁的晶型轉化成電解所需要的晶型。焙燒操作主要控制的是焙燒溫度及氧化鋁的灼減量。焙燒所用的設備以前是回轉窯，現在都是流態化焙燒爐，主要進步在于使熱耗大為降低，使用回轉窯的熱耗為5.02MJ/tA1₂O₃ ,而流態化焙燒爐為3.1MJ/t Al₂O₃。焙燒爐所使用的燃料有煤氣、重油或天然氣。
    ③技術經濟指標拜耳法是目前世界上處理鋁土礦生產氧化鋁的方法中流程最短、最經濟的生產方法，也是最主要的生產方法。目前世界上有57個拜耳法廠及7個聯合法廠在生產，拜耳法的生產能力為年氧化鋁4938萬噸，占世界氧化鋁總產量的91.4%。
    ④中國拜耳法廠的技術經濟指標處理的鋁土礦：一水硬鋁石型A1₂O₃ 62.2% , A/S=14.2。工廠能力：30萬噸/年氧化鋁。產品質量：砂狀氧化鋁，+125μm為15%,-45μm為12％。鋁土礦單耗1.85t/t（干礦）；蘇打單耗50kg Na₂O/t;石灰單耗200kgCaO/t；新水單耗3.6t/t；電力消耗257kW.h/t；焙燒熱耗3.2MJ/t；其他熱耗（以蒸汽計算）7.2 MJ/t。
    (2)燒結法燒結法是在處理各類低品位鋁資源時惟一在工業上應用的生產方法。這是因為通過配料加入石灰（CaO）或石灰石（CaCO₃）及堿粉（Na₂CO₃），在燒成過程中生成不同于礦石中的礦物成分且易于以后處理的新礦物成分，它們存在于燒成的產品——熟料之中。以后再用濕法過程處理熟料便可生產出氧化鋁。
    燒結法的工藝流程見圖2。

    燒結法的基本原理如下。
    ①熟料燒成 配料時，使熟料的成分滿足如下要求（摩爾比）：

                          Al₂O₃＋Na₂CO₃→2NaAlO₂＋CO₂
                            Fe₂O₃＋Na₂CO₃→2NaFeO₂＋CO₂
                            SiO₂＋Na₂CO₃→Na₂SiO₃＋CO2
                        2Na₂SiO₃＋2Al₂O₃→Na₂O·Al₂O₃·2SiO₂＋2NaAlO₂
                Na₂O·Al₂O₃·2SiO₂＋4CaO→2NaAlO₂＋2（2CaO·SiO₂）
    熟料中的主要成分是NaAlO₂、NaFeO₂、2CaO·SiO₂。
    ②熟料溶出  用熱水溶出熟料，反應如下。
    NaAlO₂溶于水中，當溶出條件不利時要發生水解：
                      NaAlO₂＋2H₂O====NaOH＋Al（OH）₃↓
    NaFeO₂溶于水中，水解程度更激烈：
                    NaFeO₂＋2H₂O====NaOH＋Fe（OH）₃↓
    2CaO·SiO₂的水合作用：
                2CaO·SiO₂＋2H₂O====CaO·SiO₂·H₂O↓＋Ca（OH）₂↓
    與Na₂CO₃作用：
              2CaO·SiO₂＋2Na₂CO₃＋H₂O====2CaCO₃＋Na₂SiO₃＋2NaOH
    與NaAlO₂也發生反應：
              3（2CaO·SiO₂）＋6NaAlO₂＋15H₂O====
                          3Na₂SiO₃＋2Al(OH）₃＋2（3CaO·A1₂O₃·6H₂O）
    Na₂SiO₃在NaA1O₂溶液中是溶解的，溶解度與Al₂O₃的濃度有關：
          2Na₂SiO₃＋2NaAlO₂＋4H₂O====Na₂O·Al₂O₃·2SiO₂·2H₂O↓+4NaOH
    CaO·A1₂O₃的水合作用：
            3（CaO·Al₂O₃）＋12H₂O====3CaO·Al₂O₃·6H₂O＋4Al（OH）₃↓
    與Na₂CO₃作用：
                    CaO·Al₂O₃＋Na₂CO₃====2NaAlO₂＋CaCO₃↓
    綜上所述，溶出液中含有NaAlO₂、NaOH、Na₂SiO₃;固相沉淀中含有CaCO₃, 2CaO·SiO₂、Fe（OH）₃、Al（OH）₃、Na₂O·Al₂O₃·2SiO₂·2H₂O。
    ③中壓脫硅  熟料溶出后得到的溶液稱為粗液，因為其中含有呈Na₂SiO₃狀態存在的SiO₂成分，如不除去SiO₂，則產品氧化鋁的質量不純，故要對粗液進行凈化處理，即中壓脫硅。
    中壓脫硅的原理是：當溶液進行加熱時，生成不溶性的固態化合物，進而把它分離出去。
      2Na₂SiO₃＋2NaA1O₂＋4H₂O Na₂O·A1₂O₃·2SiO₂·2H₂O↓＋4NaOH
    當加入石灰（CaO）時，有如下反應：
    2Na₂SiO₃＋2NaA1O₂＋Ca（OH）₂＋4H₂O=====CaO·A1₂O₃·2SiO₂·2H₂O↓＋6NaOH
    中壓脫硅控制的條件是：溫度170℃，脫硅時間2h,溶液的濃度A1₂O₃<120g/L。
    ④碳酸化分解目的是向鋁酸鈉精液中通入CO₂氣體，使精液分解，精液中的A1₂O₃盡量多的沉淀出來。作用原理如下。
    第一步：中和精液中游離的NaOH，使溶液的ak下降。
                            2NaOH＋CO₂====Na₂CO₃＋H₂O
    第二步：由于ak值的降低使溶液處在介穩狀態，溶液開始水解。
                        NaAlO₂＋2H₂O====Al（OH）₃↓＋NaOH
    連續通入CO₂，連續水解，不斷析出Al(OH)₃。

主要生產過程簡述如下。
    ①原料準備系統  為熟料燒成準備原料——生料漿，要滿足水分、配比及細度的要求。
    由礦山來的鋁礦石先經破碎、均化及貯存達到粒度小于15mm及化學成分穩定的要求，然后送入管磨機中進行生料漿磨制，同時加入磨機中的物料還有5種：工業堿粉（補充生產過程中堿的損耗）、脫硫用煤（在燒成窯中脫硫）、石灰（與SiO₂反應用）、蒸發母液（循環堿液）及硅渣（生產過程中間產物）。本工序控制的主要技術指標是：料漿水分38%；細度120#篩殘留<10%；配方保證熟料中
    ②熟料燒成  是燒結法的核心部位，全部的燒成化學反應都在此發生，燒成的產品—熟料的質量直接影響以后各工序的技術指標。燒成所使用的燃料為煤粉，但產生的灰渣直接進入物料中參與化學反應。燒成所用的設備為回轉窯，生料漿由窯尾噴入，煤粉由窯頭噴入，相向流動，最后煙氣由窯尾排出經收塵凈化后，由煙囪排空，燒成的產品熟料由窯頭排出經冷卻機冷卻降溫后入倉供熟料溶出處理。熟料燒成需控制的技術條件是：燒成溫度1240-1260℃；窯尾溫度200-300℃；廢氣中含CO<0.5%；出冷卻機熟料溫度<200℃；入窯煤粉細度170^＃篩殘留＜10%。
    ③熟料溶出  濕磨溶出是最通用的方法。從熟料貯倉來的熟料經圓盤給料機喂入球磨機（溶出磨）中，同時向磨內加入適量的溶出用液——調整液，從溶出磨出來的礦漿經分級機分級，返砂返回磨內，溢流即為溶出礦漿送往下一工序赤泥分離與洗滌處理。本工序控制的主要技術條件是：溶出溫度（80±5)℃；溶出液的濃度A1₂O₃ (120±5)g/L,αk＝1.2-1.3;調整液成分為Na₂O(28±3)g/L,A1₂O₃ (30±5)g/L;熟料中有用成分的溶出率A1₂O₃>90%，Na₂O>93％。
    ④調整液配制  雖然熟料中的有用成分能溶解于熱水中，但為了溶出泥漿的穩定性避免二次反應損失，要保持溶出液有一定的Na₂O濃度及苛性比值，這就要靠調整液來完成。配制調整液就是把四種溶液按比例摻配，以滿足對調整液的要求。這四種溶液是氫氧化鋁洗液、種子分解母液、赤泥洗液及碳酸分解母液。配制所用的設備是貯槽及泵。
    ⑤赤泥分離及洗滌  將固（熟料溶出后的殘渣——赤泥）液（溶出后的溶液——鋁酸鈉溶液）混合物進行分離并將赤泥進行洗滌的過程稱赤泥分離及洗滌。分離得到的溶液稱粗液，送中壓脫硅工序處理；洗滌后的殘渣——赤泥送堆場或水泥廠，赤泥可做水泥制造的一種原料。對這一過程的要求是“快速”，盡力縮短固液接觸的時間，以防固液之間發生二次反應，使溶液中的氧化鋁再返回固相中。這一過程通常用的設備是沉降槽、真空過濾機。本工序控制的主要技術指標是：分離沉降槽底流固體含量百分數30%-40%；過程溫度95℃；棄赤泥附液中堿含量Na₂O≤5kg/t干泥。
    ⑥溶液脫硅  這是對溶液進行凈化的一種手段。根據對凈化后溶液的質量要求不同，可采取一段脫硅（中壓脫硅）及二段脫硅兩種方法。中壓脫硅即將粗液（加入硅渣種子及部分種分母液）加熱到170℃并保持1.5-2h，使溶液中的組分發生化學反應產生固相硅渣，進而將硅渣分離出去返回配料，將溶液進行控制過濾分離出細小的固體懸浮物后即得精制液，送往分解工序處理。中壓脫硅使用的主要設備是脫硅機、分離沉降槽及葉濾機。
    二段脫硅系將中壓脫硅所得的分離沉降槽溢流，加入石灰乳在常壓下再攪拌反應2h,使溶液中的SiO₂進一步以固相析出，得到更純凈的溶液，此時溶液中A1₂O₃/SiO₂（質量比）可達1500，然后再分離固相及液相。一般情況下都使用一段中壓脫硅，當對氧化鋁產品有特殊要求時才采用二段脫硅。
    ⑦種子分解  燒結法中采用種子分解的目的是獲取苛性溶液（種分母液），以返回使用保證溶液的安定性，同時獲得固態氫氧化鋁是其副產品。種子分解的分解率低（小于50%）、分解時間長（55h以上）、占用設備多是其不足。種子分解所用設備及工藝流程與拜耳法的相同。
    ⑧碳酸分解  與種子分解相比，碳酸分解的分解率高（大于90％）、分解時間短（2-3h)、所用設備少。但是，分解后所得的溶液（碳分母液）是Na₂CO₃水溶液，只能經過蒸發濃縮后，再經原料磨配料后在燒成窯中與礦石中的成分起反應。碳酸分解所使用的主要設備是碳分槽，可間斷分解也可連續分解。分解所使用的CO₂氣體來自經凈化后的石灰爐煙氣，其濃度為CO₂>38％（體積百分數）。
    當前在運行的處理鋁土礦的燒結法廠有3個，聯合法廠有7個，處理霞石礦的有3個廠。
    燒結法存在的問題主要是能耗高，工藝綜合能耗為46.05MJ/t氧化鋁。主要技術經濟指標為：氧化鋁總回收率87%；鋁土礦單耗2t/t;石灰石單耗1.8t/t;蘇打單耗108kg/t;焦炭單耗95kg/t;燒成煤單耗770kg/t;生料加煤量100kg/t;焙燒耗油量78kg/t;電力消耗450kW.h/t；蒸汽單耗4.2t/t；壓縮空氣消耗980m³/t；新水消耗18t/t。
    (3)聯合法聯合法是將拜耳法與燒結法聯合使用生產氧化鋁的方法，方法的最大特點是可用燒結法系統所得的鋁酸鈉溶液，來補充拜耳法系統中的堿損失。方法適于大規模生產和用于處理A1₂O₃/SiO₂＝5-7的原料。
    聯合法有三種形式，即并聯法、串聯法及混聯法。世界上只有美國、前蘇聯和中國采用聯合法，美國曾用過串聯法，中國開發了混聯法。
    ①并聯法  并聯法是指拜耳法與燒結法平行地進行，各自處理高品位及低品位的礦石，各自排出自己的廢渣——赤泥。拜耳法與燒結法互為利用的方面是：拜耳法析出的堿不設苛化來處理，而是送燒結法配料；拜耳法的堿耗用燒結法的鋁酸鈉精液來補充；拜耳法與燒結法生產出來的氫氧化鋁合并洗滌而焙燒。
    使用并聯法時，工廠必須要有高品位礦及低品位礦的供應，高品位礦供拜耳法處理，低品位礦供燒結法處理。
    ②串聯法串聯法是指拜耳法與燒結法的串聯，礦石先經拜耳法處理，產出的殘渣—赤泥再經燒結法處理，最終的殘渣由燒結法排出。
    該生產方法與純拜耳法及純燒結法的不同點是：
    a.拜耳法的赤泥不外排而是送燒結法配料，再經燒結法處理，配料時不加礦石；
    b.拜耳法生產過程中循環積累起來的堿（Na₂CO₃）析出后，不設苛化處理而是送燒結法配料，簡化了拜耳法工藝流程；
    c.燒結法產出的鋁酸鈉精液不設碳酸化分解處理，而是送往拜耳法種子分解工序，簡化了燒結法工藝流程又補充了拜耳法的堿耗。
    串聯法的優點是：礦石經二道處理，礦石中氧化鋁的回收率高；拜耳法部分的能力大，燒結法部分的能力小，故使工廠投資較小、產品成本較低。
    目前，在世界上只有惟一的一個串聯法生產廠—哈薩克斯坦的巴夫洛達爾氧化鋁廠。該廠也是經過了多年研究、改進，終獲成功。該廠的工藝流程如圖3。

 

 

③混聯法混聯法是指拜耳法與燒結法聯合在一起，既有串聯的內容也有并聯的內容；高品位礦石先經拜耳法處理，產出的殘渣赤泥再經燒結法處理，同時在燒結配料時又加入低品位礦石與拜耳赤泥同時處理，最終的殘渣赤泥由燒結法排出。
    本法是中國的獨創，解決了赤泥熟料燒成時的技術難題，但是帶來了配料復雜、燒結法產能加大使產品成本加高等不利因素。中國目前的鄭州鋁廠、貴州鋁廠及山西鋁廠都是混聯法工藝流程。
    目前世界上只有凰夫洛達爾廠在采用聯合法（串聯法）生產，其實際生產主要指標如下。
    a.入廠鋁礦低品位三水鋁石礦。組成如下：
                  組成      A1₂O₃   Fe₂O₃   SiO₂    CaO   TiO₂   A/S
                含量／％     42     17.7    11.7    0.9   2.3    3.58
    b.氧化鋁總回收率87.87%；堿耗Na₂CO₃ 100% 114.2kg/t; NaOH 100% 10.6kg/t;石灰石單耗：附水10%，1.42t/t；熟料單耗2.62t/t；電力單耗456 kW?h/t；蒸汽單耗12.9MJ/t;新水單耗3.9t/t;燒成煤耗464.4kg/t;產品比例：70%拜耳法，30%燒結法。