氧化铝生产方法

氧化铝的制取可以大致分为碱法、酸法、酸碱联合法以及热法，但是目前工业生产厂家均采用碱法生产。

图1 碱法生产示意图

数据来源：《氧化铝生产工业的能耗分析及节能研究》

碱法生产即为使用碱性物质（NaOH或Na2CO3）处理铝土矿，其目的是将矿石中的氧化铝与矿石中的其他杂质（如铁、钛和硅）分离。在这个过程中氧化铝会溶于碱性溶液并以铝酸钠浆液的形式存在， 而其余不溶于碱性溶液的物质（如铁、钛和硅）则会成为不溶解的化合物(即赤泥)并与铝酸钠浆液分离。纯净的铝酸钠浆液则会进一步加工得到氢氧化铝并经过焙烧得到氧化铝。

拜耳法

2.1 拜耳法的基本原理

拜耳法由澳大利亚拜耳在1889-1892年期间发明，在处理低硅铝土矿时有着流程简单、产品质量好的特点，是目前氧化铝工业生产中应用最广泛的方法，目前90%以上的氧化铝是由拜耳法生产。

拜耳法的本质即为以下化学反应在不同条件下的交替进行：

以上的化学反应为可逆反应，不同的反应方向表示着拜耳法制取的不同流程。在高温下分解母液（碱性溶液）将氧化铝从铝土矿中析出得到铝酸钠浆液时，化学反应为从左往右进行；在常温下，向铝酸钠浆液中添加晶种搅析出氢氧化铝时化学反应从右往左进行，最后再通过焙烧将氢氧化铝转化为氧化铝。

图2 拜耳法生产示意图

数据来源：《氧化铝生产工业的能耗分析及节能研究》

2.2 拜耳法的成本

根据前文提及的拜耳法的工艺流程，我们基本可以将拜耳法的成本分为以下三类：原料、能耗以及其他费用，其中前两种的成本随着原料价格和能源费用变化存在着较大波动，而后一种的成本则较为固定。

图3 拜耳法生产成本图

数据来源：《浅谈我厂碱耗影响因素及降低途径》，紫金天风研究所

原料成本

拜耳法中的原料成本主要来源于三个方面：铝土矿、苛性碱和石灰石，其中最重要的生产原料为铝土矿，苛性碱和石灰的消耗量与铝土矿本身的品位密切相关。下表位不同铝土矿品位（铝硅比）下生产1吨氧化铝的铝土矿、石灰苛性碱消耗量，我们可以发现对于高品位的铝土矿，在生产氧化铝的过程中无论是铝土矿本身的消耗量还是石灰和苛性碱的消耗量都要更低。而对于低品位的铝土矿来说，生产同样数量的氧化铝则消耗更多的铝土矿才可析出足够的氧化铝，并在这个过程中消耗更多的石灰和苛性碱。

表1 拜耳法生产物料与铝硅比关系表

数据来源：《精矿铝硅比对选矿-拜耳法经济性的影响》，紫金天风研究所

能耗成本

能耗成本是拜耳法氧化铝生产过程中的第二大成本，能耗的分布与相关的生产工艺息息相关，其能耗分布如下图所示：

表2 拜耳法能耗分布表

表3 拜耳法生产蒸汽能耗分布表

数据来源：《氧化铝生产能耗分析及节能研究》，紫金天风研究所

其中与溶出、过滤以及蒸发等工艺密切相关的蒸汽是能耗最多的部门，其次氢氧化铝的焙烧是耗能第二大的部分。于此同时我们也注意到，铝土矿的品位对拜耳法氧化铝的生产耗能也有着相当程度的影响，其中铝土矿品位对各个工序能耗占比如下表所示：

表4 拜耳法各工序能耗占比

数据来源：《精矿铝硅比对选矿-拜耳法经济性的影响》，紫金天风研究所

影响的主要原因是随着铝硅的比的提升每生产一吨氧化铝的铝土矿量会逐步下降，与其相关的生产能耗随即下降，根据有关论文我们绘制出以下铝硅比与耗能图：

图4 拜耳法生产铝土矿铝硅比和能耗关系图

数据来源：《铝土矿铝硅比与拜耳法生产能耗的关系》，紫金天风研究所

其他成本

氧化铝生产过程中的其他成本包括了人工、运输以及生产过程中的折旧、修理等制造费用，相比于能源以及原料这些费用一般相对稳定，价格波动小，其各类占比图如下：

图5 拜耳法生产其他成本图

数据来源：《浅谈我厂碱耗影响因素及降低途径》，紫金天风研究所

2.3 拜耳法的成本分析

下表是我们估算的不同的铝硅比下的每吨氧化铝的生产成本，氧化铝生产中的原料、能耗、运输、以及其他成本都会随着铝土矿品位的改变而波动。铝土矿的品位的降低会带来生产中原料的用量以及工时的增加，而这会使得生产过程中能耗、人工以及折旧等成本的上升，但铝土矿品位下降带来的铝土矿采购成本的下跌也会在很大程度上降低拜耳法氧化铝的生产成本。

表5 拜耳法生产成本估算表（2023年6月）

数据来源：紫金天风研究所

下图是苛性碱和动力煤价格波动对总生产成本影响的敏感性分析，我们假设苛性碱和动力煤的价格分别出现了5%、10%和15%的增长，并对以铝硅比为5和6的氧化铝的生产成本变化，我们发现以下特征：

以高品位铝土矿为原料的氧化铝的生产成本受到其他物料价格波动的影响较小；

动力煤的价格波动对氧化铝生产成本的影响较苛性碱的波动更大。

图6 苛性碱价格波动对生产成本的影响对比图

图7 动力煤价格波动对生产成本的影响对比图

数据来源：紫金天风研究所

其他氧化铝生产方式

除拜耳法外，氧化铝的生产工艺还包括烧结法和拜耳-烧结法，这两种方法和拜耳法都属于碱法生产，其生产原理都是通过碱性溶液将铝土矿中的氧化铝析出得到铝酸钠溶液，再处理溶液得到氧化铝。这两种生产工艺与拜耳法生产的区别在于对铝土矿的处理方式以及氧化铝的析出方式，我们在此将分别讨论这两种工艺：

碱石灰烧结法

烧结法是萨里特于1858年提出，并由后人逐步改进的方法。其与拜耳法的主要区别在于：1 溶出过程，烧结法在将氧化铝溶入分解母液前会将铝土矿与一定比例的碳酸钠和石灰石烧结得到铝酸钠、铁酸钠、原硅酸钙金额钛酸钙等烧结物，之后再将烧结物投入分解母液得到铝酸钠浆液；2 分解过程，烧结法通过向铝酸钠溶液中通入二氧化碳析出氢氧化铝，再通过焙烧的得到氧化铝。

相比于拜耳法，碱石灰法的步骤更为复杂，能源消耗更高，这使得碱石灰烧结法的生产成本过高，工艺普及度较低。

拜耳-烧结联合法

拜耳-烧结联合法是拜耳法与烧结法的结合，其主要特征是：1 使用拜耳法处理高品位的铝土矿；2 使用拜耳法中产生的赤泥结合低铝硅比的矿石通过烧结法处理；3 使用烧结法中产生的碳酸钠补充拜耳法生产中的碱。

拜耳-烧结联合法的主要优势在于最大限度的利用了铝土矿资源，并减少了生产中的碱耗，而缺点在于流程复杂、协调难度大且前期投入高。