目前國內(nèi)外氧化鋁生產(chǎn)的主要方法有拜耳法、燒結(jié)法和拜耳-燒結(jié)聯(lián)合法。拜耳法處理優(yōu)質(zhì)鋁土礦，m(Al，O)/m(SiO)≥8(質(zhì)量比)，m(SiO)<9%;燒結(jié)法處理低品位鋁礦石，m(Al_O)/m(SiO)=3.5～5.0;聯(lián)合法處理中等品位鋁土礦，m(AlO)/m(SiO)=5.0~8.0，聯(lián)合法又分為并聯(lián)法、串聯(lián)法及混聯(lián)法。各種方法的主要特點和應(yīng)用情況比較見表3-1。其中拜耳法是最主要的生產(chǎn)方法，其產(chǎn)量占全國冶金級氧化鋁總產(chǎn)量的95%。其次是拜耳-燒結(jié)聯(lián)合法，產(chǎn)量占總產(chǎn)量的5%左右，主要分布在中國、俄羅斯和哈薩克斯坦。
表3-1 氧化鋁生產(chǎn)工藝的主要特點及應(yīng)用情況
世界上大部分氧化鋁企業(yè)采用高品位三水鋁石礦或三水鋁石-一水軟鋁石礦以拜耳法生產(chǎn)氧化鋁，流程簡單、節(jié)能高效、投資省、平均單位能耗僅為380kgce/t，具有較強的競爭力。由于我國鋁土礦資源主要是中低品位一水硬鋁石礦，氧化鋁企業(yè)全部采用了高溫拜耳法技術(shù)。同時，為了解決鋁土礦品位較低的難題，中國還自主開發(fā)出選礦拜耳法和石灰拜耳法技術(shù)。中國氧化鋁生產(chǎn)的能耗總體上比國外平均水平高，石灰消耗和堿耗也偏高，但礦耗和赤泥產(chǎn)出量較低。
(1)拜耳法
拜耳法是由奧地利化學(xué)家拜耳(K.J.Bayer)于1887——1889年間發(fā)明的一種從鋁土礦中提取氧化鋁的方法。100多年來在工藝技術(shù)方面已經(jīng)有了許多改進，但基本原理并未發(fā)生變化。拜耳法從鋁土礦中提取氧化鋁的實質(zhì)是通過下列反應(yīng)在不同條件下正逆方向的交替進行而實現(xiàn)的：
Al，O3·(3或1)H，O+2NaOH+aqq2NaAl(OH)4+aq (3-1)
式中：正反應(yīng)為溶出(浸出)過程，逆反應(yīng)為加晶種分解過程。如此周而復(fù)始，形成拜耳循環(huán)，堿性介質(zhì)(母液)每循環(huán)一周，便產(chǎn)出一定量的氫氧化鋁，焙燒后得到氧化鋁產(chǎn)品。拜耳法用于處理高鋁硅比的鋁土礦，流程簡單，產(chǎn)品質(zhì)量高，其技術(shù)經(jīng)濟效果遠比其他方法好。
拜耳法的主體裝備是：溶出系統(tǒng)、赤泥分離系統(tǒng)、種分系統(tǒng)、蒸發(fā)系統(tǒng)和氫氧化鋁焙燒系統(tǒng)，如圖3-1所示。這五個系統(tǒng)組成了拜耳循環(huán)流程和氫氧化鋁焙燒流程。通?，F(xiàn)代氧化鋁廠的單條線規(guī)模大于50萬t，單個氧化鋁廠產(chǎn)能規(guī)模大于100萬t。但當(dāng)前能源價格相對較高，如采用高效強化拜耳法技術(shù)處理中低品位一水硬鋁石鋁土礦，則因系統(tǒng)能耗較低、循環(huán)效率較高，仍可能獲得一定的經(jīng)濟效益。
圖3-1 拜耳法循環(huán)流程示意圖
拜耳法目前已成為我國氧化鋁生產(chǎn)的主體技術(shù)，其產(chǎn)量占全國冶金級氧化鋁總產(chǎn)量的96%，全部民營氧化鋁廠均采用拜耳法生產(chǎn)技術(shù)。世界拜耳法生產(chǎn)氧化鋁的平均單位能耗大約為11.2GJ，在所有的生產(chǎn)方法中最低。盡管處理高品位鋁土礦單位堿耗也在100kg以內(nèi)。但因赤泥鋁硅比較高，氧化鋁回收率較低，因而拜耳法通常礦耗較高。但是，采用拜耳法處理低品位鋁土礦，堿耗和礦耗將會變得過高，因而生產(chǎn)成本升高、經(jīng)濟性變差。
(2)選礦拜耳法
選礦拜耳法采用了拜耳法生產(chǎn)前脫硅技術(shù)，在進入拜耳法流程前對鋁土礦中某些可選性較好的硅礦物，進行選礦脫硅，提高精礦的品位，再將精礦直接用于拜耳法生產(chǎn)，以較低能耗處理中低品位礦來生產(chǎn)氧化鋁，從而解決了中低品位鋁土礦高效節(jié)能生產(chǎn)氧化鋁的技術(shù)難題。選礦拜耳法的生產(chǎn)成本主要取決于選礦藥劑和選礦效率。選礦拜耳法工藝存在的主要問題在于：選精礦中所含的水分和有機物對氧化鋁生產(chǎn)有影響，選礦尾礦堆存和處理也較困難。選礦拜耳法生產(chǎn)線如圖3-2所示。
圖3-2 選礦拜耳法生產(chǎn)線
(3)石灰拜耳法
石灰拜耳法是在拜耳法生產(chǎn)過程中，加入適當(dāng)過量的石灰，改變脫硅產(chǎn)物的組成，使之從高堿含量的水合鋁硅酸鈉轉(zhuǎn)變?yōu)榈蛪A含量的水化石榴石，見式(3-2)，以降低因鋁土礦品位低造成的堿耗，達到經(jīng)濟處理中低品位鋁土礦的目的。
Na,O·Al,Ox·2SiO,·2H,O+CaO——3CaO·Al,Ox·xSiO2·yH,O+NaOH (3-2)
石灰拜耳法工藝流程簡單，不需要太多的設(shè)備投入，能耗和堿耗較低。但石灰拜耳法中石灰消耗量高、物料流量和產(chǎn)生的赤泥量大、氧化鋁回收率低。盡管如此，較多的民營氧化鋁企業(yè)仍因其能耗低、流程簡單，而繼續(xù)使用該技術(shù)。
近年來，氧化鋁工業(yè)注重余熱綜合利用技術(shù)的開發(fā)及產(chǎn)業(yè)化，特別是高溫焙燒爐、煤氣爐和蒸汽發(fā)生爐的煙氣和固體物料中的余熱被用于加熱新水或產(chǎn)生蒸汽，因而得到了較好的利用。此外，由于氧化鋁企業(yè)產(chǎn)能巨大，對流程中的溶液流所含的熱能也分類進行了研究，開發(fā)了相關(guān)的利用技術(shù)。
(4)燒結(jié)法
燒結(jié)法是處理各類低品位鋁資源時唯一在工業(yè)上應(yīng)用的生產(chǎn)方法。通過配料加入石灰(CaO)或石灰石(CaCO)及堿粉(NaCO)，在燒成過程中生成不同于礦石且易于后處理的新礦物成分，存在于燒成的產(chǎn)品熟料之中。之后再用濕法過程處理熟料便可生產(chǎn)出氧化鋁。
燒結(jié)法是我國第一家氧化鋁廠——山東鋁廠在20世紀50年代投產(chǎn)成功的，為我國氧化鋁工業(yè)立下了很大功勞。燒結(jié)法主要的生產(chǎn)裝備有鋁土礦碎磨及配料系統(tǒng)、回轉(zhuǎn)窯燒結(jié)系統(tǒng)、赤泥磨制及分離洗滌系統(tǒng)、鋁酸鈉溶液脫硅系統(tǒng)、碳酸化分解系統(tǒng)、氫氧化鋁焙燒系統(tǒng)。目前我國主要有兩家氧化鋁廠仍有燒結(jié)法流程
在運行：即中鋁山東分公司、中州分公司，總產(chǎn)能約為150萬t，但產(chǎn)品主要是化學(xué)品氧化鋁，而非冶金級氧化鋁。
燒結(jié)法氧化鋁回收率高、堿耗低，適合于處理低品位鋁土礦。但燒結(jié)法流程復(fù)雜、投資大，能耗極高(大于1000 kgce/t)、產(chǎn)品質(zhì)量又低(氧化鋁中的氧化硅含量較高)，生產(chǎn)成本上難以與拜耳法等短流程和節(jié)能的技術(shù)競爭。
(5)拜耳-燒結(jié)聯(lián)合法
拜耳-燒結(jié)聯(lián)合法是將拜耳法與燒結(jié)法聯(lián)合使用生產(chǎn)氧化鋁的方法，其最大特點是可用燒結(jié)法系統(tǒng)所得的鋁酸鈉溶液來補充拜耳法系統(tǒng)中的堿損失。該方法適于大規(guī)模生產(chǎn)和用于處理m(A1.0)/m(SiO)=5~7的原料。
拜耳-燒結(jié)聯(lián)合法的實質(zhì)是鋁土礦先經(jīng)拜耳法處理，所得到的拜耳法赤泥(或加上低品位鋁土礦)再經(jīng)燒結(jié)法處理回收堿和氧化鋁。拜耳-燒結(jié)聯(lián)合法包括串聯(lián)法、混聯(lián)法和并聯(lián)法，目前國內(nèi)主要采用的是混聯(lián)法，混聯(lián)法是我國在20 世紀60年代自主開發(fā)并逐步推廣應(yīng)用的，在2005年之前曾是我國氧化鋁生產(chǎn)的主體技術(shù)，目前僅有中鋁山西分公司以及中電投山西鋁業(yè)仍在應(yīng)用。我國目前聯(lián)合法總產(chǎn)能約200萬t，產(chǎn)量大約180萬t。中鋁山西分公司和中電投山西鋁業(yè)等單位正開展技術(shù)產(chǎn)業(yè)化工作，逐步降低燒結(jié)A/S，向串聯(lián)法轉(zhuǎn)化。
世界上只有美國、蘇聯(lián)和中國采用聯(lián)合法，美國曾用過串聯(lián)法，中國開發(fā)了混聯(lián)法。
1)并聯(lián)法
并聯(lián)法是指拜耳法與燒結(jié)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(jié)法互為利用的方面是：拜耳法析出的堿不設(shè)苛化處理，而是送燒結(jié)法配料;拜耳法的堿耗用燒結(jié)法的鋁酸鈉精液來補充;拜耳法與燒結(jié)法生產(chǎn)出來的氫氧化鋁合并洗滌而焙燒。使用并聯(lián)法時，工廠必須要有高品位礦及低品位礦的供應(yīng)，高品位礦供拜耳法處理，低品位礦供燒結(jié)法處理。
2)串聯(lián)法
串聯(lián)法是指拜耳法與燒結(jié)法的串聯(lián)，礦石先經(jīng)拜耳法處理，產(chǎn)出的殘渣赤泥再經(jīng)燒結(jié)法處理，最終的殘渣由燒結(jié)法排出。該生產(chǎn)方法與純拜耳法及純燒結(jié)法的不同點是：拜耳法的赤泥不外排而是送燒結(jié)法配料，再經(jīng)燒結(jié)法處理配料時不加礦石;拜耳法生產(chǎn)過程中循環(huán)積累起來的堿(Na.COg)析出后，不設(shè)苛化處理而是送燒結(jié)法配料，簡化了拜耳法工藝流程;燒結(jié)法產(chǎn)出的鋁酸鈉精液，不設(shè)碳酸化分解處理，而是送往拜耳法種子分解工序，既簡化了燒結(jié)法工藝流程，又補充了拜耳法的堿耗。串聯(lián)法的優(yōu)點：礦石經(jīng)二道處理，礦石中氧化鋁的回收率高;拜耳法部分的生產(chǎn)能力大，燒結(jié)法部分的生產(chǎn)能力小，故使工廠投資較小、產(chǎn)品成本較低。目前，世界上只有唯一的一個串聯(lián)法生產(chǎn)廠————哈薩克斯坦的巴夫洛達爾氧化鋁廠。
3)混聯(lián)法
混聯(lián)法是指拜耳法與燒結(jié)法聯(lián)合在一起，既有串聯(lián)的內(nèi)容也有并聯(lián)的內(nèi)容。高品位礦石先經(jīng)拜耳法處理，產(chǎn)出的殘渣赤泥再經(jīng)燒結(jié)法處理，同時在燒結(jié)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(jié)法排出。本法是中國的獨創(chuàng)，解決了赤泥熟料燒成時的技術(shù)難題，但是帶來了配料復(fù)雜、燒結(jié)法產(chǎn)能加大使產(chǎn)品成本增加等不利因素。拜耳-燒結(jié)混聯(lián)法適合于處理中等品位鋁土礦，具有氧化鋁回收率高(大約88%)、堿耗低、赤泥堿含量較低的優(yōu)勢，但其流程更復(fù)雜、投資高、能耗也較高(27~30GJ/t)。目前某些混聯(lián)法企業(yè)正逐漸向串聯(lián)法過渡，即燒結(jié)法只處理拜耳法赤泥，不再添加低品位鋁土礦，目的是降低聯(lián)合法的總能耗，目標(biāo)是達到24 GJ/t左右。
世界上大部分氧化鋁企業(yè)采用高品位三水鋁石礦或三水鋁石-一水軟鋁石礦以及短流程、節(jié)能高效的拜耳法生產(chǎn)工藝生產(chǎn)氧化鋁，投資省、生產(chǎn)效率高、平均單位能耗僅為11.2GJ，具有較強的競爭力。我國由于要處理中低品位一水硬鋁石鋁土礦，因此要采用改進型拜耳法或聯(lián)合法，因而流程較為復(fù)雜、能耗較高。為降低能耗，我國目前已基本上不再采用燒結(jié)法生產(chǎn)冶金級氧化鋁。
電解鋁生產(chǎn)方法主要分為自焙陽極電解槽(簡稱自焙槽)技術(shù)和預(yù)焙陽極電解槽(簡稱預(yù)焙槽)技術(shù)，其技術(shù)比較如表3-2所示。
自焙陽極電解槽分為上插式自焙陽極電解槽和側(cè)插式自焙陽極電解槽。其技術(shù)特點是沒有殘極，連續(xù)的陽極和電解過程的連續(xù)性相適應(yīng)。由于在電解槽內(nèi)自焙，導(dǎo)致瀝青煙氣難以集中處理，造成瀝青排放污染，生產(chǎn)條件惡劣，生產(chǎn)效率低下，同時大大增加了鋁電解能耗，因此是一種能耗高、污染嚴重的生產(chǎn)技術(shù)。該技術(shù)在世界上正逐漸被淘汰，但在俄羅斯等國家仍在使用。我國鋁電解工業(yè)徹底消除了自焙槽中嚴重的瀝青煙污染，明顯地降低了鋁電解生產(chǎn)的電耗，大大改善了鋁電解勞動生產(chǎn)環(huán)境和條件，提高了生產(chǎn)率。
(2)預(yù)焙槽鋁電解技術(shù)
預(yù)焙電解槽是預(yù)先生產(chǎn)出預(yù)焙炭陽極塊，并組裝進鋁電解槽。該技術(shù)生產(chǎn)穩(wěn)定性好、電流效率高、電耗低、生產(chǎn)環(huán)境良好，因此是現(xiàn)代鋁電解技術(shù)。預(yù)焙鋁電解槽技術(shù)按照電流強度的大小可分為小型預(yù)焙槽和大型預(yù)焙槽，低于160kA 的預(yù)焙槽稱為小型預(yù)焙槽。目前我國也已基本淘汰了小型預(yù)焙槽技術(shù)，全部采用了大型預(yù)焙槽技術(shù)，近期建設(shè)的電解鋁廠均采用了大于400kA的預(yù)焙槽技術(shù)。大型預(yù)焙槽技術(shù)的主要特點是：對鋁電解槽的物理場進行了仿真模擬和相應(yīng)的設(shè)計，達到了鋁電解槽結(jié)構(gòu)和運行過程的穩(wěn)定性和高效性;采用高性能的陰極、陽極和內(nèi)襯材料，確保鋁電解槽的熱平衡和規(guī)整爐膛;采用現(xiàn)代化的計算機控制技術(shù)，保證鋁電解運行的穩(wěn)定和高電流效率。
我國鋁電解工業(yè)不僅采用了大型預(yù)焙槽技術(shù)，而且開發(fā)應(yīng)用了一系列先進的節(jié)能鋁電解技術(shù)。如：開發(fā)應(yīng)用了具有新型陰極和鋼棒結(jié)構(gòu)以及保溫內(nèi)襯結(jié)構(gòu)的新型陰極結(jié)構(gòu)鋁電解槽技術(shù)，可以大幅度降低電解槽水平電流和鋁液波動幅度，以降低極距和槽電壓，并保證較高的電流效率;開發(fā)應(yīng)用了先進的低氧化鋁濃度的槽控箱和控制技術(shù)，提高了鋁電解的電流效率;開發(fā)應(yīng)用了優(yōu)質(zhì)炭陽極生產(chǎn)成套技術(shù)，明顯降低了炭陽極的氧化反應(yīng)性，減少了炭渣的形成和危害，降低了炭耗和能耗;研究了電解質(zhì)中各種雜質(zhì)對鋁電解過程的影響，開發(fā)出了相應(yīng)的低電耗鋁電解技術(shù);開發(fā)應(yīng)用了不停電停槽的技術(shù)，保證了系列電解槽的穩(wěn)定運行。這些重大節(jié)能技術(shù)大大降低了我國鋁電解的直流電耗。我國目前鋁電解工業(yè)的能耗已達到了世界先進技術(shù)水平，直流電耗已接近13000kWh/t。
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