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1、精选优质文档-倾情为你奉上氧化铝生产过程具有流程长、工序多、连续性强的特点，这些特点使氧化铝生产过程的控制水平落后其它行业的控制水平，我国的铝矿石98%以上是一水硬铝石，这种矿石的硬度大，在生产过程中对设备的磨损严重、结疤严重，这些因素增加了生产过程控制的难度，使得我国的氧化铝生产过程控制水平落后于世界其它国家。生产过程控制是企业技术进步和文明生产的重要组成部分。目前氧化铝生产过程控制水平还不高，有许多难题亟待解决，对氧化铝生产过程控制进行研究是非常必要的，通过对氧化铝生产过程控制的研究，改变氧化铝生产条件，优化氧化铝生产的技术经济指标，降低氧化铝生产成本，提高我国氧化铝在国际市场上的竞争能力
2、。氧化铝生产方法大致可分为碱法、酸法、酸碱联合法和热法。但在工业上得到应用的只有碱法。碱法生产氧化铝，是用碱（NaOH或Na2CO3）来处理铝矿石，使矿石中的氧化铝转变成铝酸钠溶液。矿石中铁、钛等杂质和绝大部分的硅则成为不溶解的化合物，将不溶解的残渣（赤泥）于溶液分离，经洗涤后弃去或可行综合利用。从净化后纯净的铝酸钠溶液（精液）分解析出氢氧化铝，分解母液经蒸发后用于溶出下批铝土矿。碱法生产氧化铝又分拜尔法、烧结法和拜尔烧结联合法等多种流程，而全世界生产的氧化铝和氢氧化铝，90%以上是用拜尔法生产的，氧化铝的基本工艺流程如图所示。从拜尔法生产的基本工艺流程，我们可以把整个生产过程大致分为如下主要
3、的生产工序：原矿浆制备、高压溶出、溶出矿浆的稀释及赤泥的分离和洗涤，晶种分解，氢氧化铝分级与洗涤，氢氧化铝焙烧、母液蒸发及苏打苛化等，本课题只对其中四大关键工序原矿浆制备（即配料）、高压溶出、精种分解、母液蒸发生产过程的控制进行研究。一、对国外研究现状分析随着计算机和自动化技术的飞速发展，在各个生产过程中已越过广泛地应用计算机实现自动化。在氧化铝生产过程中，应用先进的计算机技术，实现全过程的自动检测，自动控制和优化调度管理，已是发展的趋势。国外氧化铝厂装备水平普遍有以下特点：大型、节能、耐用、计算机过程控制、信息网络化。先进的计算机和自动控制技术已经在美国、德国、匈牙利、日本等国应用于氧化铝生
4、产和管理，并以形成了四级生产过程控制及信息管理系统：基础自动化系统、过程控制系统、区域监控系统、信息管理系统。所有生产工序均有过程控制系统与基础自动化系统相连，可分工序下达控制指令和采集过程参数；主要车间有区域监控系统与过程控制系统相连，可分车间下达作业指令和采集车间生产指标，对物流进行实时跟踪，在此基础上可进一步对作业指令作局部优化调整；全厂信息管理系统与区域监控系统相连，可对整个生产工艺流程进行实时跟踪，处理各种异常情况并对生产指标作区域优化调整，可产生各类统计报表为管理者提供决策支持，可保存各种生产数据用于生产调度、及产品质量分析等。图1.1从国外氧化铝生产过程控制系统整体上来看，由于氧
5、化铝生产流程长、条件复杂、环境恶劣、变量多且又相互关联、非线性影响严重、大惯性、纯滞后、干扰多等特点，还没有实现整个生产过程的自动化。对于氧化铝生产这样一个难以用准确的数学模型予以描述的生产过程，应用常规的基于数学模型描述的一些控制策略，以及PID等控制方法，难以取得较好的效果。针对这样复杂的过程，研究新的控制策略，如：预测控制、控制、各种鲁棒控制、以及智能的、专家的、模糊的等控制策略，已是国际上自动控制发展方向。 二、对国内研究现况分析我国氧化铝生产装备及自动化水平，只相当于国际上六七十年代的水平。整个生产过程，以手动操作为主。尽管近年来，广大技术人员做了大量的努力，采用了一些新仪表和新技术
6、，但是我国氧化铝生产过程自动化水平低下的状况，并未得到根本的改变。严重影响了产品的质量和产量，造成能耗大，环境污染严重的局面，降低了产品的竞争能力。为了改变这种状况，我们只能是，立足于工厂实际，进行技术改造，研究适合于我国氧化铝生产实际的控制方案和控制策略，应用计算机技术，实现全过程的自动监测和自动控制。2. 高压溶出工序的控制研究2.1 工艺论述 高压溶出的目的就是用苛性钠溶液把铝土矿种的氧化铝溶出来。工业生产上的高压溶出不是用纯的苛性钠溶液，而是用生产流程中回头的循环母液，循环母液的主要成分是苛性钠和铝酸钠溶液，此外是碳酸钠、硫酸钠，以及少量的铝硅酸盐等。铝土矿的主要成分是氧化铝。在铝土矿
7、中的氧化铝还含有结晶水，不同的铝土矿，其氧化铝的结晶水数量不一。不管它结晶水多少，都统称之为氧化铝水合物，是溶出的对象。铝土矿中还含有不少有害杂质：主要是氧化硅，氧化钛，氧化铁，碳酸盐，有机物及硫化物等。为了加快一水硬铝石的溶出，需要添加石灰。石灰的主要成分是氧化钙，另外还含有少量的硅、镁、铁等元素的氧化物和碳酸盐。由此可见，由铝土矿和一定量循环母液及石灰配成的原矿浆，其组成复杂而且杂质很多。这些杂质在溶出过程中或在溶出以后的生产过程中起着不同程度的坏作用。例如，氧化硅在溶出过程中和铝酸钠化合，引起氧化铝和碱的损失。氧化钛在溶出过程阻碍氧化铝水合物的溶出。碳酸盐在溶出过程中和苛性钠反映生产碳酸
8、钠，降低苛性钠的浓度，因而也影响氧化铝水合物的溶出。有机物、碳酸钠及硫酸钠的存在都使溶液粘度增高。不但影响氧化铝水合物的溶出速度，而且还会增加赤泥分离的困难。氧化铁和氧化镁对氧化铝水合物的溶出虽然没有明显的坏作用，但对赤泥分离沉降却是有害的。硫化物如黄铁矿不但造成碱的损失，而且还可能影响产品氧化铝质量。硫酸盐和碳酸盐还会给蒸发工序造成困难。由此可见，溶出过程的化学反应是十分复杂的。一般来说，溶出的化学反应可以分为如下两大类：氧化铝水合物的溶出反应。这是主反应。各种杂质在溶出过程中的化学反应。这是副反应。铝土矿有时同时含有三水铝石和一水软铝石或一水软铝石和一水硬铝石的两种矿物，这种铝土矿则称为混
9、合型铝土矿。在常压下用低浓度碱溶液溶出三水铝石型铝土矿时，其中Al(OH)3与NaOH按下式反应：Al(OH)3+NaOH+水= NaAl(OH)4+水亦可写成离子反应式：Al(OH)3+OH-= Al(OH)4-在浓碱液溶出（或在稀碱液高温下溶出）一水铝石型铝土矿时，其中AlOOH与NaOH按下式发生溶出反应：AlOOH+NaOH+水= NaAl(OH)2+水亦可写成离子式：AlOOH+OH-= AlO(OH)2-如果用浓碱液溶出（或用稀碱液高温下溶出）三水铝石，在溶出过程中形成Al(OH)4-的离子会自动脱水转变成AlO(OH)2-离子。不管按上述哪个反应式溶出，反应产物NaAl(OH)4
10、和NaAl(OH)2都叫铝酸钠。它在一定的苛性钠浓度和温度下都可以在苛性钠水溶液中稳定存在，形成铝酸钠溶液。以上是溶出过程的主要反应。以上讨论了溶出过程的主反应，明白了氧化铝水合物的化学反应式，溶出过程多相反应的特征，以及影响速度的各种因素。现在再来讨论随同主反应同时发生的副反应-各种杂质在溶出过程中的化学反应。同时还讲一讲他们对全生产过程的影响。化学反应的结果，除极少量杂质溶解于碱溶液以外，绝大部分杂质都进入赤泥。铝土矿中的主要杂质：氧化硅变成不溶解于碱溶液的Na2OAL2O31.7SiO2nH2O和CaOAl2O31.7SiO2nH2O而进入赤泥；氧化钛生成不溶于碱溶液的2CaOTiO2H
11、20而进入赤泥；铁的化合物最后基本上都以铁的氧化物形态进入赤泥。因而才有可能使矿石中的氧化铝在进入溶液后而与其它成份分离，生产出工业上认为纯净的铝酸钠溶液，送去种分。直接加热高压溶出设备流程磨制好的原矿浆在原矿浆槽（B）中贮存34小时，进行预脱轨。原矿浆用油压泥浆泵（E）打入三个串联的双程预热器（F）进行预热（140150），之后，进入加热溶出器（1、2#）通以高压新蒸汽（33公斤/厘米2）直接加热矿浆到溶出温度（241），再逐个流过8个反应溶出器（310#）。溶出以后的矿浆从10#溶出器顺序排入第一自蒸发器（h1）和第二自蒸发器（h2）进行冷却。第一自蒸发器之乏汽（812公斤/厘米2）送入双
12、程预热器预热原矿浆。第二自蒸发器之乏汽（0.81.0公斤/厘米2）则送去加热赤泥洗水。从第二自蒸发器写出的溶出矿浆温度为128132，为了回收矿浆降至常压时放出的热量而让溶液矿浆在缓冲器（i）内与用来稀释的赤泥洗液（j）混合，将洗液从95加热到稀释矿浆的温度（100105），稀释后的矿浆自流入稀释槽。图2.1 直接加热高压溶出设备流程A- 原矿浆分料箱；B-原矿浆槽；C-泵进口空气室；D-泵出口空气室；E-油压泥浆泵F-双程预热器；H-自蒸发器；I-溶出矿浆缓冲器；J-赤泥洗液高位槽；K-冷凝水自蒸发器；P、Q-去加热赤泥滤液；L-高压蒸汽缓冲器；N-不凝性气体排出管；G-原矿浆道；M-乏气管
13、道；S-减压阀；1、2-加热溶出器；310-反应溶出器2.2 数学模型的建立2.2.1 高压溶出的技术条件目前规定如下：矿浆预热温度为140150；1#溶出器压力280.5公斤/厘米2；3#溶出器温度2411；蒸汽缓冲器和1#溶出器压力差35公斤/厘米2首尾溶出器压力差应低于2.0公斤/厘米2；溶出后溶出液苛性比值不大于1.62；第一自蒸发器工作压力812公斤/厘米2；第二自蒸发器工作压力0.81.0公斤/厘米2。其中溶出压力、温度和溶出时间为主要技术条件。2.2.2 溶出质量的指标 溶出的质量指标主要是溶出率和溶出液的苛性比值。这些指标的好坏取决于高压溶出技术操作和配料的正确程度。原矿浆是由
14、一定量的矿石配以适量的苛性碱（循环母液）和石灰组成，配料的目的就是要在溶出过程中，使铝土矿中的氧化铝尽可能充分地溶出成为铝酸钠溶液，并使溶出的铝酸钠溶液具有要求的苛性比值；以保持必要的稳定性。前面已经说明，在高压溶出过程中，氧化硅转变为不溶性的铝硅酸钠和铝硅酸钙，氧化钛转变为不溶性的钛酸钙，而碳酸根（CO3）与苛性钠结合成碳酸钠（即发生反苛化反应），配入的苛性碱数量和石灰数量都必须满足这些反应的需要。溶出后的铝酸钠溶液的苛性比值（k）可按下式计算： （1）式中：1.645Al2O3和Na2O苛的分子量比值，即NK溶出液中的苛性氧化钠浓度，克/升；A溶出液中的氧化铝浓度，克/升。如果要求溶液的稳
15、定性越打，就应该使溶出液的苛性比值越高，配入的苛性碱量也就应该越多。溶出液苛性比值是拜耳法生产的一项重要技术经济指标。此值由工厂根据具体生产条件确定。它不能太低，否则不能防止溶出液中的氧化铝的水解损失；但它也不能太高，不然就会使后来的分解作业困难，循环效率降低。由于氧化硅和碱生成铝硅酸钠，矿石中有1公斤的氧化硅就要配入M（M值是根据溶出赤泥实际成份确定的）公斤的苛性氧化钠。此外，在溶出过程中由于反苛化反应和机械损失的苛性碱，也应该在配料时加入。当矿石中有1个分子的氧化钛就需要配入2个分子的氧化钙，即按钙钛分子比添加石灰。由于配料时加入的苛性碱不是纯苛性氧化钠，而是生产中的循环母液经过蒸浓的种分母液，循环母液中本来就含有一定数量的氧化铝（），如果要求溶出液的苛性比值为k，那么这一部分氧化铝就要求有 的苛性氧化钠与之配合，剩下的苛性氧化钠才可以用来处理矿石的。在生产中将前者称为惰性碱，后者称为有效碱（以符号n表示）。循环母液中的有效的苛性氧化钠可以用下式计算：式中 n循环母液中有效的苛性氧化钠，克/升；NK循环母液中苛性氧化钠浓度，克/升；K技术规程规定的溶出液苛性比值；a循环母液中氧化铝浓度，克/升。配碱的目的，就是要在一定的溶出技术条件下达到技术规程规定的氧化铝溶出率和溶出液苛性比值。检查配碱的准确
