循环流化床焙烧生产高温氧化铝.pdf

R 百石西石型里型 里旦旦里型璺塑曼坠璺型堕至里型鱼 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．2 0 9 5 1 7 4 4 ．2 0 1 2 ．0 4 ．0 0 4 循环流化床焙烧生产高温氧化铝 圜刘吉1 杨再明1 罗亚林1 刘利2 1 ．东北大学设计研究院 有限公司 ，沈阳1 1 0 0 1 3 2 ．辽宁高科节能热电设计研究院，沈阳1 1 0 1 4 1 摘要计算用循环流化床焙烧炉生产高温氧化铝的系统物料平衡和热平衡，介绍系统的设计依据、工艺流 程和工艺特点，为生产工艺的设计和实施提供参考依据。 关键词高温氧化铝；循环流化床焙烧炉；物料平衡；热平衡 中图分类号T F 8 2 1 ；T F 8 0 3 ．2 4 ；T F 0 6 6 ．1文献标识码A 文章编号2 0 9 5 1 7 4 4 2 0 1 2 0 4 - 0 0 3 6 0 5 高温氧化铝是以工业氧化铝水合物为主要原料， 经焙烧脱水、晶相转化而成。就氧化铝生产厂自身而言， 把焙烧温度从常规1 1 1 0 - 12 5 0 ℃提升至l3 5 0 ℃以上 所生产的口一A 1 2 0 ，称为高温氧化铝“1 。高温氧化铝外观 为白色粉末或细砂状，流动性较好，性能稳定，难溶 于酸碱溶液，是一种用途广泛、性能优异、成本低的 无机非金属材料。随着高科技产业的迅猛崛起，高温氧 化铝的应用领域也得到了迅速拓展。高温氧化铝熔点高 20 4 0 ℃ 、化学惰性强，用于耐火材料、耐火浇注料等； 高温强度高、电绝缘性优异，用作汽车火花塞、电子基片、 刀具等陶瓷制品的原材料；热稳定性好、硬度高、耐磨 性好，用于研磨，耐磨的工程机械零部件及高铝陶瓷的 生产原料。统计表明，高温氧化铝用于陶瓷料、耐磨料 等非冶金行业的市场容量占特种氧化铝总量的2 5 ％左 右，应用前景非常广阔口J 。 1 技术背景 1 ．1 技术现状 传统的高温氧化铝生产一般是将氢氧化铝原料用 回转窑在一定温度下焙烧再经过冷却筒冷却，获得高温 氧化铝。回转窑属于回转圆筒类设备 有效长径比一般 为2 1 ．5 - 2 4 ，筒体由钢板卷制而成，筒体内有耐火砖衬 及换热装置，以低速回转 转速一般为0 ．5 - 1 ．2r ／r a i n ， 物料与热烟气一般为逆流换热，物料从窑的高端 又称 冷端或窑尾端 加入。由于筒体倾斜安装，与水平线呈 规定角度 斜度2 ％一5 ％ ，在回转时窑内物料在沿圆周 向翻滚的同时沿轴向移动，同时从窑头方向 筒体的 低端 的窑头罩上用喷枪将洁净的火焰喷入窑内，在 11 0 0 - 14 5 0 ℃条件下对物料进行脱水、煅烧作业，物 料在移动过程中得到加热，经过物理与化学变化后最终 通过窑头罩下部的翻板卸料阀进入冷却机，经冷却、筛 分后的物料即为高温氧化铝成品。烟气由尾端排出。目 前，国内多品种氧化铝行业最大规格的煅烧窑是山东铝 厂p2 ．51 T I 5 61 T I 高温氧化铝煅烧窑，年产高温氧化铝 4 50 0 0 t 。 虽然采用回转窑焙烧高温氧化铝是国内高温氧化 铝生产中的主要生产方式，但在技术上仍存在一定的局 限性，具体表现为1 煅烧火焰及风量的合理控制， 如控制不当，易引起物料局部高温，部分晶粒异常长大， 极大影响产品整体质萤2 由于回转窑是大型转动设备， 其自身的特殊性造成窑内烧成带温度不易直接测量，而 合理地控制煅烧制度是获得合格口．A 1 O ，产品的关键， 在实际操作中，为减少高温煅烧氧化铝的飞扬，降低料 耗，通常窑内通风状况不理想，窑尾温度偏高，造成晶 粒度和真比重偏高；3 产量变化、块料量以及窑体转 速对产品质量影响较大；4 能耗高；5 运转设备多， 故障率高，维修费用大。 收稿日期2 0 1 1 - l l - 3 0 作者简介刘 吉 1 9 8 0 ． ，男，沈阳市人，工程师，硕士，主 要从事有色金属冶金等方面的研究。 3 6 工程技术E n g i n e e r i n gT e c h n o l o g y万方数据 1 ．2 市场现状 2 0 世纪8 0 年代以来，随着科学技术的进步和世界 经济的发展，多品种氧化铝作为一种无机非金属材料发 展很快。国内外对开发和生产多品种氧化铝都非常重视， 世界一些主要氧化铝生产』一家已将部分生产能力转向多 品种氧化铝生产。根据I A I 国际铝业协会 1 9 9 5 - - 2 0 0 5 年的统计数据，多品种氧化铝产量一直占氧化铝总产量 比例的9 ％- 1 0 ％。根据文献，在中国这一比例只有7 ％ 左右”1 ，中国是多品种氧化铝主要的进H 国之一。作为 多品种氧化铝的一种，高温氧化铝所占比例更是少之又 少。目前国内主要有山东铝业公司和长城铝业公司生产， 另有济源等一些小企业生产此类产品，估计总产量为5 ．0 万t ／a 左右[ 4 ] 。 1 - 3 市场前景 高温氧化铝技术含量较高、附加值高，主要是供 生产高级耐火材料，又是生产片状氧化铝的主要原料， 同时也是生产工业陶瓷、电瓷、特种陶瓷的主体原料。 随着科技进步及高新技术产业的不断发展，其广泛的用 途和优异的性能也使市场对高温氧化铝的需求量不断增 加，出现了有增无减的势头。尤其是随着国家产业政策 的调整，对高能耗的电解铝出台多种限制政策，而国内 冶金级氧化铝的产能却不断增长，冶金氧化铝产能的过 剩也将促进高温氧化铝的发展。因此可以说，高温氧化 铝将在未来相当长的一‘段时期内有着诱人的前景。目前， 随着工业快速发展，该产品的市场容量也在飞快增长， 前景看好。预计近期市场容量超过6 万t ／a ，远期将超过 9 ．0 万t ／a [ “。 1 ．4 我国发展高温氧化铝的优势与不足 我国的氧化铝产业近些年取得了突飞猛进的发展， 充足的产能和日益成熟的技术为发展高温氧化铝产业提 供了有利条件。 1 原料来源方便又充足。我国的氧化铝产能充足， 氧化铝厂遍布全国，由于高温氧化铝由A I O ，水合物 转变而制得，其原料可就地直接取自工业晶级A 1 0 ，、 A I O H ，或工业生产的中间产物。 2 辅助资源便捷。由于工业生产所需水、电、气、 汽等配套设施在氧化铝厂都有建设且稳定运行，无需重 新建设，节省时间和资金投入，方便生产。 3 原料生产技术稳定，流程完善，只需附设部分相 应的高温氧化铝生产流程，在综合流程中灵活改变操作 条件即可开展高温氧化铝的生产活动，劳动生产率高。 尽管在发展高温氧化铝生产方面具有一定的便利条 件及巨大的潜力，但与国外相比仍有差距。 1 缺少高温氧化铝的专业厂家，尤其是缺少在行业 内，特别是在国际上有影响力的、有技术优势的龙头企 业。中国大部分高温氧化铝是由企业根据本行业需要自 行分散加工，生产规模小，无法形成规模效应。 2 生产技术和装备落后，无法生产精细、高附加 值产品，特别是缺少专有核心技术。 3 产品质量低，在纯度、晶型、粒度等方面存在 不足，缺少国际竞争力。 4 应用研究和市场开发力度不足。 为此，研究高温氧化铝的生产工艺，采用循环流化 床焙烧炉对物料进行流态化焙烧获取高温氧化铝产品。 2 系统设计基本原则 2 ．1 焙烧质量守恒‘5 】 在整个流态化焙烧系统中，如果设备在设计的工 况下运行，每时每刻进入系统的物料如果折合成氧化铝， 在相同时间内进入系统的物料量应等于离开系统的产品 量，也就是质量守恒原则 在不考虑损失的前提下 ， 即进入系统的物料 折合成氧化铝 离开系统的产品。 2 ．2 焙烧一次完成性 考虑到质量守恒原则，每进入系统l 埏的物料相 对应就会在相应的时间内流出系统1 蚝的成品。无论 物料在系统内如何循环，经过多少次循环，都可以认为 焙烧是一次通过完成的，这样考虑的时候可以简化对问 题的处理。也就是说，从湿的氢氧化铝进入系统开始， 依次经过脱去附着水、脱去2 个水分子变成一水合氧化 铝、脱去一个水分子变成氧化铝、部分氧化铝发生晶形 转变的4 个步骤进行。 2 ．3 灼减分步进行 根据以上几个步骤的分析可知，在一定时间内每 产生1k g 成品，那么就会有相应的附着水和结晶水 进入烟气。文丘里干燥器B 1 2 0 的出口温度在1 4 0 ℃ 以上，可以认为脱去附着水基本上是在文丘里干燥器 B 1 2 0 内进行的。同时由于其中一部分物料与较高温 度的烟气相接触，会有很少一部分的物料在文丘里干 燥器B 1 2 0 内就脱去了2 个水分子。为了计算简便， 可以假定在B 1 2 0 中物料只脱去附着水而不发生化学 变化。第一步反应脱去2 个水分子A 1 0 3 3 H 2 0 1 5 6 一A 1 2 0 3 H 2 0 1 2 0 2 H 2 0 3 6 t ，反应温度是3 0 0 ℃左 右。第二步反应脱去1 个水分子完全变成y A I O ，， A 1 2 0 3 ’H 2 0 1 2 0 一A 1 2 0 3 1 0 2 H 2 0 1 8 f ， 反应在 5 0 0 - 6 0 0 ℃进行。第三步晶形转变在9 0 0 ℃以上的高温 下进行。 根据以上的推断，可以得出灼减的分布。 第一步的灼减量3 6 ／1 5 6 2 3 ．0 8 ％，第二步的灼 减量为1 8 ／1 5 6 1l 。5 3 ％，氢氧化铝的总灼减量为 2 3 ．0 8 ％ 1 1 ．5 3 ％ 3 4 ．6 1 ％。 有色金属工程2 0 1 2 年第4 期 3 7 万方数据 曙否药甄石 N O N F E R R O U SM E T A L SE N GJ N E E R I N G 因为第一步反应是在温度升到2 5 0 - 3 0 0 ℃时进行 的，而物料在P 1 1 2 的出口处的温度高于3 0 0 ℃，同时 在旋风分离器P 1 2 2 和P 1 1 2 内进行了充分的混合，根 据相关文献及类似的实际生产可知，氢氧化铝脱去大 部分水是很容易的，因此可以根据文献[ 6 】6 提供的数据 设定在P 1 2 2 和P 1 1 2 中脱去大部分结晶水，灼减量为 2 9 ．6 1 ％左右。 第二步反应是在温度升高到5 0 0 - 5 6 0 ℃时进行的， 因此这一步反应的一部分是在P 1 2 2 和P 1 1 2 中进行的， 一部分是在P 1 3 2 中进行的，设定在P 1 3 2 中灼减量为5 ％。 第三步反应是晶型的转变，y - A 1 O ，在9 5 0 ℃开始 晶形的转变，逐渐由y A 1 2 0 3 转变为口一A 1 O ，。 y A 1 2 0 3 一日一A 1 2 0 3 3 3 ．0 2k J ／m o l 3 3 ．0 2 ／0 ．1 0 2 3 2 3 ．7k J ／k g - A 1 2 0 3 根据反应的温度条件结合现氧化铝行业相关生产经 验，设定在P 1 3 2 内有约1 0 ％的y A 1 2 0 3 发生晶型转变 生成口一A 1 2 0 ；。产品目标设定口- A 1 O ，含量≥9 5 ％，因此， 设定剩余8 5 ％的Y - A 1 2 0 3 晶型转变在P 1 4 0 和P 1 4 2 内 发生。 在平衡计算过程中，需要在假定的基础上不断对灼 减量进行微调，直到得出比较正确的结果。 2 ．4 物料停留时间n 8 】 1 假定主炉内停留的物料为at ，在旋风分离器内 的停留的物料为6t ，每一次循环从bt 吨物料里分离出 l l nt 的产品。 2 假定物料在主炉和分离器内循环一次所用的时间 是cs 。 3 物料在炉内的停留时间与在分离器内的停留时间 正比于相应的物料的质量，就是说物料在主炉内的停留 时间与物料在分离器内的停留时间之比 a b 。 通过下列方法可求出平均停留时间。物料停留时 间 第一次循环的时间 第二次循环的时间 ⋯⋯ 第 r 1 次的停留时间。那么，物料经过第一次循环分离出 b 1 ／n b ／nt ，这些物料的停留时间为fS 。参与第二次 循环出的物料是b 咒一1 ／nt ，分离出的物料是bX n ．1 ／ 疗X1 ／nt ，这些物料的停留时间为2 c8 。参与第三次循环 出的物料是bX [ n - 1 ／n ] 2t ，分离出的物料是b [ m - 1 ／ 珂】2X1 ／nt ，这些物料的停留时间为3 cs 。令辟第一次 分离出的物料X 相应的停留时间 第二次分离出的物 料相应的停留时间 ⋯⋯ 第n 次分离出的物料x 相应的停留时间 b c ／n 1 ／n 阼．1 I nX2 b c ／n l ／nX [ 刀．1 ／ “ 】2 X3 b c ／n ⋯⋯。经计算得出S n b c 。因此，所得到产 品的平均焙烧时间T n b c ／b n c 。n 就是循环倍率，物料 的平均停留时间就是在系统内循环一次的时间乘以循环 倍率，即n c 。 3 工艺流程 工艺流程如图1 所示。从氢氧化铝仓B 1 1 0 来的含 附着水的氢氧化铝经过螺旋给料机 B l l l 进入一级文 丘里闪速干燥器B 1 2 0 ，在文丘里干燥器B 1 2 0 内特殊设 计的底部湿氢氧化铝被来自一级旋风分离器P l l 2 的灼 热气体 3 4 1 ．5 ℃，1 ．1 1k g ／m 3 吹散形成载流区并迅速干 燥，在B 1 2 0 内基本上脱除附着水。干燥后的氢氧化铝 物料 1 4 5 ℃，1 ．0 7k g ／m 3 与水蒸汽一起进入静电收尘器 气固分离后通过气力提升泵B 1 2 5 送至旋风分离器P 1 0 2 进行气固分离。分离后的物料 1 3 4 ℃ 做为流态化焙烧 炉预热器的给料下到一级旋风预热分离器P 11 2 的进风 立管中，与来自二级旋风预热分离器的热风 6 3 4 ．3 ℃， 1 ．1 1k g ／m 3 进行热交换，并被热空气带入一级旋风预热 分离器。在一级旋风预热分离器中分离下来的物料依 次进入二级旋风预热分离器P 1 2 2 6 3 4 ．3 ℃ 和三级旋 风预热分离器P 1 3 2 10 9 3 ．2 ℃ 完成预热进入焙烧主炉 P 1 4 0 14 0 0 ℃ ，物料在焙烧主炉P 1 4 0 内主要是脱除 一个水分子形成P A 1 2 0 3 ，以及实现从y A 1 0 3 转变 为口- A 1 O ，的过程。焙烧后的物料进入高温旋风分离器 P 1 4 2 14 0 0 ℃ ，物料在焙烧主炉P 1 4 0 和高温旋风分离 器P 1 4 2 之间需经过一定次数的循环，整个焙烧过程用 时约2 0s 。此循环中的物料主要起热载体作用，把焙烧 主炉中多余的能量移出主炉，从而可以有效地降低炉内 的热负荷，也就相应的减小了焙烧主炉P 1 4 0 的体积， 同时也使得一部分反应在P 1 3 2 中进行，相应也就降低 了物料所需要在P 1 4 0 内停留的时间。 物料从回收旋风分离器P 1 4 2 下部分离出之后 14 0 0 ℃ ，通过B 1 4 3 卸料阀进入旋风冷却筒C 1 5 1 的立管中，与来自下级冷却旋风分离器C 1 5 2 的冷风 12 1 4 ℃，1 ．2 9k g ／m 3 混合完成热交换后进入c 1 5 1 1 3 2 3 ．2 ℃ ，在C 1 5 1 中完成分离的物料依次经过二级旋 风冷却器C 1 5 2 12 1 4 ℃ 、三级旋风冷却器C 1 5 3 10 5 6 ℃ 、四级旋风冷却器C 1 5 4 9 8 9 ．9 ℃ 4 级冷却后进人流 态化冷却器C 1 5 5 和C 1 5 6 。 流态化冷却器C 1 5 5 为空气冷却，管式换热器中流 过的空气作为一次风得到预热，然后从焙烧主炉B 1 4 0 下部送入。C 1 5 6 中的冷却介质分为两种，先是采用分 级母液冷却物料回收热量，提高焙烧炉的热效率，再采 用循环冷却水继续对物料进行降温冷却。整个焙烧过程 物料平均停留时间不超过1 0m i n 。 实际上从回收旋风分离器P 1 4 2 中产出的高温氧化 铝已经是成品，但为了回收氧化铝的热量，同时预热助 燃空气从而降低热耗，也为了产品的安全输送和存贮， 而设置多级冷却系统，通过此种方式，焙烧炉整体热效 率可达7 0 ％以上。 由于预热器和冷却器依级排列，从整体看，物料从 前向后流动，空气从后向前与物料逆向流动，在流动过 3 8 工程技术E n g i n e e r i n gT e c h n o l o g y万方数据 程中物料与空气实现逆流热交换。空气和氧化铝之间的 热交换在旋风收尘器立管中进行，热交换之快仅需不到1 m 高度和百分之几秒的时间就在两种介质中达到热平衡。 整个系统的循环特性使得系统对于负荷的变化调节 能力比较强，同时由于系统内部物料的存量很大，因此 使得加入的物料量的变化对于系统的冲击受到削弱，减 少热应力，也可以延长设备的寿命。与此同时还可以维 持系统的热稳定性，增强系统的负荷调节范围。 4 物料平衡计算 4 ．1 计算条件 入炉物料氢氧化铝含附着水8 ％ 湿基 ，干氢氧化 铝酌减3 4 ．6 1 ％。产品中杂质和灼减忽略不计，以1 0 0 ％ 氧化铝计算。各级旋风分离器收尘效率8 0 ％。收尘器收 尘效率9 9 ．9 ％。计算基准10 0 0k g 氧化铝。 4 ．2 计算结果 计算结果及流程图见图1 。干氢氧化铝加入量Q 千 1 0 0 1 1 0 0 - 3 4 ．6 1 10 0 0 I5 2 9 ．1 8 k g 。湿氢氧化铝加 入量Q 湿 l o o ／ 1 0 0 一8 l5 2 9 ．18 16 6 2 ．1 5 k g 。附着水 含量Q 附 I6 6 2 ．1 5 15 2 9 ．1 8 1 3 2 ．9 7 k g 。结晶水含量Q 结 l5 2 9 - 10 0 0 5 2 9 k g 。 图1 物料流量分布及流程 有色金属工程2 0 1 2 年第4 期 3 9 万方数据 隋蕊蠢工程堕里坚璺垦里 呈塑垦銎曼里型型型型鱼 一 5 热平衡计算 5 ．1 计算条件 计算条件如表1 所示。 表1 计算条件 氢氧肾温度产品繁温度 产品a - A l 0 3 含量／％ ／燃气 k J 热值m - 3 焙烧温度／℃废气温度／℃ 粼 进入系繁气温度 3 08 09 5 l l0 6 6 1 4 0 0 1 3 5 系统总热5 6 5 6 结论 采用流态化焙烧方法，使物料在气流中悬浮，热气 流与颗粒接触充分，热交换效率高，加热速度快，物料 温度分布均匀。 I 热耗低。流态化焙烧热耗约为3 ．2 7M J 履喀一A 1 2 0 ，， 回转窑的热耗一般为4 ．5 - 6 ．0M J ／k g - A 1 2 0 ，，降低热耗约 3 0 ％。 2 焙烧程度均匀。流态化焙烧过程中物料以颗粒形 式悬浮于气流中，颗粒表面能得到均匀加热，回转窑内 易形成块状料，块料表面与内部焙烧不均匀。 3 投资少。以日产8 0 0 t 氧化铝的焙烧装置为例，流 态化焙烧装置的投资比回转窑节省1 5 ％～2 0 ％。 4 占地小。日产8 0 0t 氧化铝的焙烧装置占地为回转 窑焙烧装置的1 ／5 ，建筑面积约为2 ／3 。 5 烟气环境影响小。流态化焙烧炉燃烧完全，过 剩空气系数低，废气量少，粉尘含量低，不大于5 0m 9 5 ／ n 1 3 。 6 设备简单，无大型转动设备，维修费用低，根据 相类似生产经验为回转窑的3 5 ％。 通过计算和分析，流态化焙烧工艺可满足高温氧 化铝生产工艺要求，在高温氧化铝生产行业具有广阔 的应用前景。 参考文献 【1 】张占明．化学品氧化铝口吲．北京世华天地出版社，2 0 0 4 1 0 6 ． [ 2 ] 冯国政．高温低钠氧化铝的研制【J ] ．矿产保护与利用， 2 0 0 5 5 3 9 - 4 3 ． 【3 】曲直．多品种氧化铝市场行情及预测【J 】．世界有色金属， 1 9 9 8 1 0 2 6 2 7 ． 【4 】孙林贤．加速技术改造，发展多品种氧化铝[ J ] ．云南冶金， 1 9 9 7 ，2 6 4 6 6 6 8 ． [ 5 】R o l d a nD u a r t e ．E n e r g ya n dm a t e r i a lb a l a n c ef o ra l u m i n af l u i d b e dc a l c i n e r s [ J ] ．L i g h tM e t a l ，1 9 8 7 8 51 ． 【6 】叶列明HH ．氧化铝生产过程与设备[ M 】．王延明，阎鼎欧， 杨重愚，等译．北京冶金工业出版社，1 9 8 7 3 7 0 3 9 5 ． [ 7 】岑可法，倪明江，骆仲泱，等．循环流化床锅炉理论设计与 运行[ M 】．北京中国电力出版社，1 9 9 9 2 8 9 - 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