第９卷 第３期有色金属工程Ｖｏｌ．９，Ｎｏ．３ ２ ０ １ ９年３月Ｎｏｎｆｅｒｒｏｕｓ Ｍｅｔａｌｓ ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＭａｒｃｈ ２０１９ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．２０９５－１７４４．２０１９．０３．０１１微扰动平推流氧化铝晶种分解技术研究与实践应用苏向东１，丁元法２，秦庆东１，吴海文３，李其贵３，李国乾３，李丹宁２，罗 源１，彭梯礼３（１．贵州理工学院贵州省轻金属材料制备技术重点实验室，贵阳５５０００３；２．贵州科学院贵州省新材料研究开发基地，贵阳５５０００２；３．中国铝业股份有限公司，北京１０００８２）摘 要：针对传统氧化铝晶种分解工艺长期采用全混合分解强力搅拌物料的技术路线，分析了当前国内外晶种分解工艺技术与装备能耗高、投入大的原因。
通过研究晶种分解动力学与流体力学模拟计算，提出了氧化铝晶种分解过程中可以减弱搅拌强度，简化装备结构，从而实现节能降耗，节省投资的新路径。
开发出微扰动平推流氧化铝晶种分解新技术及其装备，并应用于工业生产。
结果与传统分解槽相比生产过程平均节能４２．５％；分解槽运行周期平均延长２．５个月；底部结疤高度由２．５ｍ降为０．５ｍ；产品产出率和粒度分布等各项指标正常。
关键词：氧化铝；微扰动平推流；晶种分解；工业应用中图分类号：ＴＧ１４６．１ 文献标志码：Ａ 文章编号：２０９５－１７４４（２０１９）０３－００６２－０７Ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ Ｐｒａｃｔｉｃａｌ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｍｉｃｒｏ－ｐｅｒｔｕｒｂａｔｉｏｎ Ｆｌａｔ－ｆｌｏｗｉｎｇＡｌｕｍｉｎａ Ｓｅｅｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＳＵ Ｘｉａｎｇｄｏｎｇ１，ＤＩＮＧ Ｙｕａｎｆａ２，ＱＩＮ Ｑｉｎｇｄｏｎｇ１，ＷＵ Ｈａｉｗｅｎ３，ＬＩ Ｑｉｇｕｉ ３，ＬＩ Ｇｕｏｑｉａｎ３，ＬＩ Ｄａｎｎｉｎｇ２，ＬＵＯ Ｙｕａｎ１，ＰＥＮＧ Ｔｉｌｉ ３（１．Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｌｉｇｈｔ Ｍｅｔａｌ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ Ｇｕｉｚｈｏｕ Ｐｒｏｖｉｎｃｅ，Ｇｕｉｚｈｏｕ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｇｕｉｙａｎｇ ５５０００３，Ｃｈｉｎａ；２．Ｇｕｉｚｈｏｕ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｇｕｉｚｈｏｕ Ｒ ＆Ｄ Ｃｅｎｔｅｒ ｏｎ Ｍｏｄｅｒｎ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｇｕｉｙａｎｇ ５５０００２，Ｃｈｉｎａ；３．Ａｌｕｍｉｎｉｕｍ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ ｏｆ Ｃｈｉｎａ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８２，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ａ ｌｏｎｇ ｔｅｒｍ，ｏｖｅｒａｌｌ－ｍｉｘｉｎｇ ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｔｒｏｎｇ ａｇｉｔａｔｉｏｎ ｍｏｄｅ ｉｓ ｅｍｐｌｏｙｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌａｌｕｍｉｎａ ｓｅｅｄ ｃｒｙｓｔａｌ ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｔｈｅ ｃａｕｓｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｈｉｇｈ ｅｎｅｒｇｙ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ ａｎｄ ｈｉｇｈｉｎｖｅｓｔｍｅｎｔ ｃｏｓｔ ｏｆ ｔｈｅ ｓｅｅｄ ｃｒｙｓｔａｌ ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ａｔ ｈｏｍｅ ａｎｄ ａｂｒｏａｄ ａｒｅ ｓｔｕｄｉｅｄ．Ｂｙ ｓｔｕｄｙｉｎｇ ｔｈｅ ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ｋｉｎｅｔｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｅｅｄ ｃｒｙｓｔａｌ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｆｌｕｉｄ ｍｅｃｈａｎｉｃｓ，ａ ｎｅｗ ｐａｔｈ ｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄ ｔｏ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｓｔｉｒｒｉｎｇ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ａｎｄ ｓｉｍｐｌｉｆｙ ｔｈｅ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆａｌｕｍｉｎａ ｓｅｅｄ ｃｒｙｓｔａｌｓ，ｔｈｅｒｅｂｙ ａｃｈｉｅｖｉｎｇ ｅｎｅｒｇｙ ｓａｖｉｎｇ ａｎｄ ｓａｖｉｎｇ ｉｎｖｅｓｔｍｅｎｔ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｉｓ ｎｅｗ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ，ａ ｎｅｗａｌｕｍｉｎａ ｓｅｅｄ ｃｒｙｓｔａｌ ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ａｎｄ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｒｅｆｅｒｒｅｄ ｔｏ ａｓ“ｍｉｃｒｏ－ｐｅｒｔｕｒｂａｔｉｏｎ ｆｌａｔ－ｆｌｏｗｉｎｇ”ｉｓｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ａｎｄ ａｐｐｌｉｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ｌｅｖｅｌ，ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇｌｙ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅａｖｅｒａｇｅ ｐｏｗｅｒ ｓａｖｉｎｇ ｒａｔｅ ｏｆ ４２．５％ｃｏｕｌｄ ｂｅ ｒｅａｃｈｅｄ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ｔａｎｋ，ａｎｄ ｔｈｅｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｃｙｃｌｅ ｗａｓ ｅｘｔｅｎｄｅｄ ｂｙ ２．５ｍｏｎｔｈｓ ｏｎ ａｖｅｒａｇｅ；ｔｈｅ ｂｏｔｔｏｍ ｃｒｕｓｔｉｎｇ ｈｅｉｇｈｔ ｗｉｔｈｉｎ ｔｈｅｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ｔａｎｋ ｗａｓ ｒｅｄｕｃｅｄ ｆｒｏｍ ２．５ｔｏ ０．５ｍ；ｔｈｅ ｏｕｔｐｕｔ ｙｉｅｌｄ ｏｆ ｐａｒｔｉｃｌｅ ｓｉｚｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｗｅｒｅ ｎｏｒｍａｌ．ｍｉｃｒｏ－ｐｅｒｔｕｒｂａｔｉｏｎ，ｐｕｓｈ－ｐｕｌｌ ｆｌｏｗ；ｓｅｅｄ ｃｒｙｓｔａｌ ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ；ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎＫｅｙ ｗｏｒｄｓ：ａｌｕｍｉｎａ；ｍｉｃｒｏ－ｐｅｒｔｕｒｂａｔｉｏｎ ｆｌａｔ－ｆｌｏｗｉｎｇ；ｓｅｅｄ ｃｒｙｓｔａｌ ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ；ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ收稿日期：２０１８－０５－１４基金项目：国家科技支撑计划项目（２０１３ＢＡＣ１５Ｂ００）；贵州省普通高等学校工程研究中心建设项目（黔教合ＫＹ字［２０１７］０２１）Ｆｕｎｄ：Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｓｕｐｐｏｒｔ Ｐｒｏｊｅｃｔ（２０１３ＢＡＣ１５Ｂ００）；Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｅｎｔｅｒ ｏｆ Ｇｕｉｚｈｏｕ Ｐｒｏｖｉｎｃｅ（Ｑｉａｎ Ｊｉａｏ ＨｅＫＹ［２０１７］０２１）作者简介：苏向东（１９６６－），男，博士，主要从事过程工程相关的研究工作。
引用格式：苏向东，丁元法，秦庆东，等．微扰动平推流氧化铝晶种分解技术研究与实践应用［Ｊ］．有色金属工程，２０１９，９（３）：６２－６８．ＳＵ Ｘｉａｎｇｄｏｎｇ，ＤＩＮＧ Ｙｕａｎｆａ，ＱＩＮ Ｑｉｎｇｄｏｎｇ，ｅｔ ａｌ．Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ｏｎ ｔｈｅ Ｍｉｃｒｏ－ｐｅｒｔｕｒｂａｔｉｏｎ Ｆｌａｔ－ｆｌｏｗｉｎｇ Ａｌｕｍｉｎａ Ｓｅｅｄ Ｃｒｙｓｔａｌ ＤｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｉｔｓ Ｐｒａｃｔｉｃａｌ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｎｏｎｆｅｒｒｏｕｓ Ｍｅｔａｌｓ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１９，９（３）：６２－６８． 氧化铝是国民经济发展中重要的基础性原材料，我国目前产能居世界第一位，生产过程对能源的需求量巨大。
其中，氧化铝晶种分解工序是影响产品技术经济指标的重要环节。
目前，全世界９０％的氧化铝是通过拜耳法工艺生产，其中晶种分解工序采用的工艺主要有两种，分别是中等浓度的铝酸钠溶液两段式分解工艺和高浓度铝酸钠溶液一段式分解工艺［１］。
它们的共同特点是需要多组、多个分解槽并、串联作业，物料流动中实现连续分解结晶。
特别是物料在十几个串联的分解槽内都需要整体搅拌，均匀混合。
分解装备按工艺需要分别设计为平底机械搅拌分解槽与锥形底压缩空气搅拌分解槽两种类型。
两者相比，平底机械搅拌分解槽具有搅拌动力消耗低、容积大、占地面积少、空化区小等优点。
我国中铝山西分公司和广西平果铝厂于９０年代初分别率先从法国引进了配置Ｒｏｂｉｎ搅拌技术的Φ１４ｍ大型平底分解槽。
在此基础上，９０年代中期国内企业又陆续引进德国的Ｅｋａｔｏ搅拌装置［２］，并发展成为目前晶种分解领域最先进的主流搅拌技术，全面大规模运用至今。
传统的晶种分解工艺理论认为，在分解结晶过程中，只有强力搅拌物料、充分混合后才能使分解反应彻底，达到正常的生产效率。
因此，不论是Ｒｏｂｉｎ搅拌技术还是Ｅｋａｔｏ搅拌技术，都是基于全混合反应的技术路线，使物料整体搅拌均匀。
为了实现这个工艺目标每台，直径Φ１４ｍ晶种分解槽都需要配置功率为７５ｋＷ的电机，长期运转导致了巨大的能源消耗，也增加设备投资。
为此，本文通过研究晶种分解动力学和流体力学模拟计算，提出了氧化铝晶种分解过程中可以减弱搅拌强度，简化装备结构，从而实现节能降耗，节省投资的新路径，开发出基于微扰动＋平推流的氧化铝晶种分解新技术及其装备，并应用于工业生产。
１ 微扰动平推流的氧化铝晶种分解技术研究１．１ 氧化铝分解槽的技术现状我国于９０年代前后分别引进了法国的Ｒｏｂｉｎ搅拌分解槽和德国的Ｅｋａｔｏ搅拌分解槽及其配套技术，它们与前苏联研制的喷射压缩空气搅拌分解槽相比有了很大的进步。
但是，使用中呈现的弊端也很明显，如分解槽需要配置的机械搅拌装置庞大，搅拌位点多，强力搅拌中过长而庞大的桨叶易折断，能耗仍然较高等。
目前在氧化铝行业使用最多的主流分解槽是配置Ｅｋａｔｏ搅拌的Φ１４ｍ×３５ｍ机械搅拌平底分解槽［３－５］。
如图１所示，机械搅拌部分由驱动电机、减速箱、旋转轴和沿纵向分布的五个搅拌位点上的五层桨叶组成。
分解槽在内部结构空间上采用整体全混流设计，遵循物料充分搅拌混合均匀原则，力求实现分解槽沿３５ｍ高度上下固含差≤３％的工艺指标，属于高耗能装备。
虽然后续也在不断地进行了改良，但是，所有这些改良的技术路线仍然是基于全混流反应所要求的搅拌强度和方式而进行的，目的也只是为了改善槽底积料结块和槽内固含均匀性的问题，忽略了晶种分解过程中浆料流场形态对结晶反应的影响以及对浆料流动特性的协同关联性研究，更没有揭示分解结晶动力变化对机械能分布需求的合理性这一核心问题。
主要原因在于化学反应的转化率、目的产物的回收率不仅与化学反应本身和催化有关，而且还与反应器内流体的流动方式有关。
因此，现有的改良虽然取得了一定成效，但仍对一些问题尚未清晰，比如：晶种分解过程中浆料流场对结晶反应的影响以及氢氧化铝固－液两相流长距离传输特性，过饱和铝酸钠结晶动力的变化对搅拌机械能的分布需要等等。