（化工过程机械专业论文）新型流化床用于电解铝烟气净化的研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 i 摘 要 在电解铝生产时，所产生的烟气中含有大量的氟化物，该气体严重危害到人类的 健康和植物的生长。因此对电解烟气进行净化，回收烟气中的氟化物，控制污染物的 排放，具有十分重要的意义。 目前国内外对电解铝烟气主要采用干式净化方法。由于吸附反应约 90%95%是 在反应器中完成的，因此干法净化反应器成为干法净化工艺中的关键设备。 本课题主要是研究开发出一种新型的电解烟气干法净化反应设备，使氧化铝 （al2o3）和烟气充分混合接触，为氧化铝（al2o3）吸附烟气中的氟化氢（hf）提供 有利条件。 新型流化床与传统溢流式流化床的不同点是布风板采用三维金属网，实验表明， 该布风板的流动阻力损失仅是风帽型布风板的七十七分之一。 本课题针对新型流化床，以 al2o3为流化物料，采用实验研究的方法探索其操作 规律。以流动状态、压力损失为考核指标，以风速、静止料层高、金属网层数、进料 量为因子，设计正交实验，求出沸腾床的最佳操作参数。 对于 0水平布风板，空气流量对实验结果影响最大，其他三个因子影响较小 氧化铝流量和金属网层数其次，影响最小的是料层高。四个因素按照这样的搭配组 成最优条件金属网层4层， 空气流量70m3/h， 料层高度30mm， 氧化铝流量2.5kg/h。 对于 2.5倾斜布风板，空气流量对实验结果影响最大，其他三个因子影响极小 料层高和氧化铝流量其次，影响最小的是金属网层数。四个因素按照这样的搭配 组成最优条件金属网层数 4 层，空气流量 70m3/h，料层高度 30mm，氧化铝流量 5kg/h。 对于 5倾斜布风板，料层高对实验结果影响最大，空气流量和金属网层数其次， 影响最小的是氧化铝流量。四个因素按照这样的搭配组成最优条件金属网层数 3 层，空气流量 70m3/h，料层高度 30mm，氧化铝流量 5kg/h。 关键词：氧化铝；电解烟气；干法净化；反应器；流化床 华中科技大学硕士学位论文 ii abstract during the process of aluminum smelting, a large amount of poisonous gas hf will be released, which will do great harm to the health of people and the growth of plants. so to scrubbing the pot room fume，to reclaim fluoride in the fume and to control the exhaust of pollutant is very important. currently dry- scrubbing methods are mostly used all over the world. because 90 to 95 percents of the absorption is achieved in the reactor, dry- scrubbing reactors become most important equipments in the dry- scrubbing process. in this paper, new- style charging equipment for purifying will be researched to help the alumina (al2o3) in the fume adsorbed by the alumina, which was mixed with fume in the pot equably and sufficiently. difference between n ew- style fluid bed and traditional one is that three- dimensional wire reticulation board is used for gas distribution plate. experiment indicated that pressure loss of it is only 1/77 of pressure loss of level jet board. in new- style fluid bed, alumina is used as streaming material. flow state and pressure loss are selected as assessment indicators. wind speed, height of the static alumina, tiers of the wire reticulation and quantity of the feeding alumina are selected as affecting factors. then orthogonal test tabulation is designed. through experiments, the best operating parameters of the fluid bed are got. to 0level gas distribution plate, air flux affects experimental results most，followed by three other factorsalumina flux, tiers of the wire reticulation and height of static alumina. four factors compose optimal condition in this waytiers of the wire reticulation are 4, air flux is 70m3/h, height of static alumina is 30mm, alumina flux is 2.5kg/h. to 2.5oblique gas distribution plate, air flux affects experimental results most， followed by three other factorsheight of static alumina, alumina flux and tiers of the wire reticulation. four factors compose optimal condition in this waytiers of wire reticulation are 4, air flux is 70m3/h, height of static alumina is 30mm, alumina flux is 华中科技大学硕士学位论文 iii 5kg/h. to 5oblique gas distribution plate, height of static alumina affects experimental results most，followed by three other factorsair flux, tiers of wire reticulation and alumina flux. four factors compose optimal condition in this waytiers of wire reticulation are 3, air flux is 70m3/h, height of static alumina is 30mm, alumina flux is 5kg/h. keywords: alumina；pot fume；dry- scrubbing；reactor；fluid bed 独 创 性 声 明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师的指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已标明引用的内容外，本论文不 包含任何其他人或集体已经发表或撰写过的研究成果。 对本文的研究做出 贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明 的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许 论文被查阅和借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。 保 密，在_年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 年 月 日 年 月 日 华中科技大学硕士学位论文 1 1 绪 论 1.1 铝电解工艺流程 图 1- 1 是铝电解生产流程简图。现代铝工业生产，主要采取冰晶石- 氧化铝熔盐电 解法，电解的阴阳极采用炭阳极和炭阴极。直流电通入电解槽，在阴极和阳极上起电 化学反应。电解产物，阴极上是铝液，阳极上是 co2和 co 气体。铝液用真空抬包抽 出，经过净化和澄清之后，浇铸成商品铝锭。阳极气体中大约含有 70%80%co2和 20%30%co，还含有少量氟化物和 so2气体，经过净化之后，废气排放入大气，收 回的氟化物返回电解槽。 图 1- 1 铝电解生产流程图1 氧化铝 1920- 1940kg 冰晶石 5- 15kg 氟化铝 20- 30kg 阳极炭块 430- 480kg 废气 气体净化 阳极气体 电解 直 流 电 能 13000- 15000kw h 载氟氧化铝 铝液 净化、澄清和铸锭 铝锭 （1t,99.5%- 99.8%al） 华中科技大学硕士学位论文 2 1.2 铝电解的原料：氧化铝 炼铝的原料是氧化铝。氧化铝是一种白色粉末，熔点为 2050 ，真密度为 3 . 5 - 3 . 6 g / c m 3 ，容积密度为 1 g / c m 3 。 工业氧化铝的物理性能，对于保证电解过程正常进行和提高气体净化效率，关系 甚大。在气体净化中，要求它具有较好的活性和足够的比表面积，从而能够有效地吸 收 h f 气体。这些物理性能取决于氧化铝晶体的晶形、形状和粒度。 按照氧化铝的物理特性，可将其分成砂型、中间型和粉型三种，见表 1 - 1 。 表 1 - 1 工业氧化铝的分类和特性1 分 类 特 性 砂型 中间型 粉型 通过 45 m筛网的粉料/% 40 比表面积/m 2 g - 1 45 35 210 密度/g c m - 3 0.85 0.85 0.75 w(a- al2o3)/% 1015 3040 8090 起吸附作用的主要是 ? 型氧化铝。砂型氧化铝呈球状，颗粒较粗，安息角小，只 有 30 35 ，其中 ?- al2o3含量较高，具有较大的活性，适于在干法气体净化中用来吸 附 hf 气体，以及在半连续下料的电解槽上用作原料，故目前得到广泛应用。粉型氧 化铝呈片状和羽毛状，颗粒较细，安息角大，为 45 ，其中 a- al2o3含量达到 80%。 中间型氧化铝介乎两者之间。 1.3 铝电解的熔剂：氟盐 铝电解用的熔剂包括冰晶石、氟化铝、氟化钙、氟化镁、氟化锂等几种。 氧化铝可溶于由冰晶石和其他几种氟化物组成的熔剂里，构成冰晶石- 氧化铝熔 华中科技大学硕士学位论文 3 液。这种熔液在电解温度 950左右能够良好地导电。它的密度大约是 2 . 1 g / c m 3 , 比同 一温度下铝液的密度 2.3g/cm3小 10%左右，因而能够保证铝液与电解液分层。1 1.4 铝电解槽的烟气、粉尘及其起源 铝电解槽散发出来的污染物有气态和固态物质。气态物质的主要成分是氟化氢和 二氧化硫。固态物质分两类，一类是大颗粒物质（直径大于 5m） ，主要是氧化铝、 炭和冰晶石粉尘。由于氧化铝吸附了一部分气态氟化物，一般大颗粒物质中的总氟量 约为 15%；另一类是细颗粒物质（亚微米级颗粒） ，由电解质蒸气凝结而成，其中氟 含量高达 45%。铝电解槽的烟气产自炭阳极和高温电解液。1 1.5 烟气收集系统 铝电解槽散发出来的烟气，由槽上集气罩收集下来的，称为一次烟气；未经集气 罩收集而直接进入电解厂房空气中者，成为二次烟气。一次烟气的体积较小，其中氟 化物浓度较大；二次烟气的体积较大，其中氟化物浓度较小。收集一次烟气的设备系 统，称为一次集气系统；收集二次烟气的设备系统，称为二次集气系统。1 1.5.1 一次集气系统 三种槽型（预焙槽、上插槽和侧插槽）各有不同的一次集气系统：预焙槽通常采 用平板式罩子使其密闭，上插棒槽的一次集气系统由安装在阳极下部周围的裙式集气 罩构成，侧插槽通常用槽罩或槽帘使其密闭。 在这三种电解槽型上，都有导气支管把罩子内的气体排送入导气总管内，然后送 入一次净化系统。 现代预焙槽在槽的中部打壳并加料，打壳和加料时不必打开罩子，因此集气效率 较好。槽上罩子可收集 95%97%的污染物，氟的收集效率为 96%。 1.5.2 二次集气系统 由于一次集气系统的密闭程度不能达到 100%，再加上还有大量的热从电解槽散 发出来，所以电解厂房内部必须有良好的通风，让外部的新鲜空气通过墙壁上的百叶 华中科技大学硕士学位论文 4 窗口进入电解厂房，流经电解槽的操作地带，然后上升至天窗，未经槽罩收集的烟气 于是与新鲜空气混合，形成所谓二次烟气。这种二次烟气通常在天窗口排放。 1.6 烟气净化系统 铝电解槽的烟气净化系统分湿式和干式两类。 1.6.1 湿式净化的原理和方法 湿式净化法流程如图 1 - 2 所示。 图 1 - 2 湿式净化法流程1 湿式净化对于清除可溶性气体（hf 和 so2）具有很高的效率，对于清除颗粒物 质具有中等效率。洗涤塔的效率，大约与烟气- 洗涤液的接触装置所耗用的能量的多少 成正比。湿式洗涤塔通常与静电收尘器联合使用。 通常用 5%的苏打熔液去洗涤含氟气体。其原理是使 na2co3与气体中的 hf 起反 应，反应生成碳酸氢钠和氟化钠： na2co3+hf? naf+nahco3 苏打熔液在洗涤器内循环使用，直到其中 naf 含量达到 2535g/l 为止。然后把 含氟气体 集气系统 吸收塔 （naf+nahco3）溶液 苏打溶液配制槽 废气 铝酸钠溶液 合成槽 泥浆过滤 冰晶石泥浆 干 燥 无水冰晶石 滤液 na2co3 水 华中科技大学硕士学位论文 5 naf+nahco3熔液送至冰晶石合成槽，在那里与铝酸钠溶液起作用，合成冰晶石： 6naf+4nahco3+naalo2? na3alf6+4na2co3+2h2o 该反应在 75 下进行，析出冰晶石。冰晶石泥浆经沉降过滤之后，送去干燥，得 到产品无水冰晶石，可供电解用。 一次烟气的湿式净化法， 过去曾经得到广泛应用， 但是目前已被干式净化法替代， 这主要是因为在湿式净化过程中，在净化工序之后还有一道回收氟盐的工序。此外对 于回收工序中剩下的废液还要进行必要的处理，然后予以排放，否则又会产生污染问 题。而在干法净化过程中，烟气中的氟化氢、冰晶石和氧化铝等皆可直接收回，并且 不存在废液处理问题。 1.6.2 干式净化法的原理和方法 氧化铝对氟化氢的吸附主要是化学吸附。在吸附过程中，在氧化铝表面上生成单 分子层吸附化合物，每个氧化铝分子吸附 2 个 hf 分子。根据 x 射线衍射测定，这种 表面化合物在 300以上转化成 alf3分子。这一过程的特点是速度快而不易解吸。据 报道，这一过程在 0.251.5s 的短时间内完成。用氧化铝来吸附氟化氢的效率可以高 达 9 8 % - 9 9 % 。铝工业用的氧化铝，可因焙烧温度不同而使其比表面积和表面活性有所 增大，从而对 h f 的吸附性能不同，其饱和含氟量通常为 1.5%- 1.8%。这些基本特点， 给应用氧化铝来净化含氟烟气提供了必要的条件。 从物理化学的观点来看，氧化铝对氟化氢的化学吸附过程包括以下几个步骤（见图 1- 3） 。 图 1 - 3 h f 的扩散- 吸附模型 hf 扩散 al2o3 气膜 华中科技大学硕士学位论文 6 （1 ） hf 在气相中扩散。 （2） 扩散的 hf 通过 al2o3表面气膜到达 al2o3的表面。 （3） hf 受 al2o3表面原子的剩余价力的作用而被吸附。 （4） 被吸附的 hf 与 al2o3发生化学反应，生成表面化合物 alf3： al2o3+6hf=2alf3+3h2o 干法净化系统通常是在烟气通过布袋除尘器进行收尘之前，使烟气在反应器中与 氧化铝直接接触。不同类型的反应器对应不同的强化手段，可改善气固两相的接触状 况，使接触表面不断更新，这对于减小气膜内的扩散阻力无疑是有益的。此外，烟气 中的 hf 浓度愈高，则气相传质的推动力愈大，愈有利于吸附过程进行。所以说，应 当提高烟气的浓度。换言之，提高电解槽的密闭程度，避免空气漏入集气装置，对于 提高吸收效率是必要的。干式净化法目前已得到广泛应用。 但是，干式净化法也有缺点，这就是随烟气带出的 fe 和 si的气态化合物以及呈 高度分散状态的 c（或碳氢化合物） ，富集在氧化铝里而重新加入槽内，最终使产品 铝的质量和电流效率稍受影响。 虽然如此， 但这种方法比较简单而且净化效率甚高 （达 到 95%） ，故受到铝工业的重视。 1.7 铝厂污染物排放标准 早在 20 世纪 70 年代，美国科学院规定，所许可的排放到空气中污染物的极限值 为：氟化氢 2.45mg/m 3 和 2.5mg/m3（颗粒氟化物） 。澳大利亚健康和医药研究委员会 为大气污染规定的卫生标准为：氟化氢 2mg/m3，以氟计的氟化物 2.5mg/m3，其他污 染物标准为 co 55mg/m3，so2 12mg/m3，粉尘 10mg/m3。 尽管对绝对标准难达成一致意见，但许多产铝国家污染物对生态的综合影响也都 为铝厂制定了氟化物排放标准（见表 1- 2） 我国 1996 年颁布大气污染物综合排放标准 gb16297- 1996（1997- 01- 01 实施） ， 该标准与国际标准基本接轨。 20 世纪 80 年代以后，新建铝厂氟排放的国际标准是，经烟囱与天窗总和不大于 1kg/t(al)。 华中科技大学硕士学位论文 7 表 1- 2 某些国家和地区的氟化物排放标准1 国家 总量/kg(f) t - 1 ( a l ) 美国 1.001.30 加拿大 不列颠哥伦比亚省新厂（a 级） 1.5 老厂（b 级） 2.5 魁北克省新厂（a 级） 1.5 老厂（b 级） 2.5 德国 新厂（一次系统） 1.0 新厂（二次系统） 0.8 挪威 新厂 1.0 澳大利亚 新厂 1.0 日本 1.0 华中科技大学硕士学位论文 8 2 电解铝烟气干法净化反应器 由于吸附反应约 90%95%是在反应器中完成的2，因此干法净化反应器成为干 法净化工艺中的关键设备。 2.1 国内外电解铝工业上使用的四种反应器 目前国内外铝厂所用的反应器类型主要有管道稀相化、文氏管、 vri、 流化床等。 2.1.1 管道稀相化反应器 图 2- 1 所示为管道稀相化反应器， 其工作原理是来自电解槽的含氟废气在管道的 入口处与自 al2o3加料器均匀加入的氧化铝混合；在管道中高速气流的作用下，氧化 铝高度分散，烟气与氧化铝充分接触，得到净化。 其优点是反应器结构简单，制造成本低，压力损失较低。但是存在管道过长、布 料不均、氧化铝破碎率高、净化效率不稳定的缺点。 烟气 输送管道 氧化铝加料器 图 2- 1 管道稀相化反应器示意图3 2.1.2 文氏管反应器 图 2- 2 所示为文氏管反应器， 其工作原理是烟气向上通过文氏管反应器的喉口时， 华中科技大学硕士学位论文 9 由于扩散角而形成湍流。在此加入氧化铝，氧化铝与烟气由于湍流而充分混合，进行 充分反应，烟气自下而上穿过与 al2o3接触。al2o3连续地加入，烟气连续地流过， 为烟气和 al2o3提供了均匀接触机会，完成 al2o3对 hf 的吸附过程。喉口上方形成 的湍流使 al2o3能充满整个管道断面。 该种反应器克服了管道稀相化反应器布料不均的缺点，缩短了所需的管道长度， 提高了净化效率，降低了氧化铝破碎率，并且制造成本也比较低廉；但是阻力损失比 管道稀相化反应器大。 氧化铝 含氟烟气 图 2- 2 文氏管反应器示意图4 2.1.3 vri 反应器 图 2- 3 所示为 vri 反应器。其工作原理是：al2o3经给料箱和流化元件进入空心 锥体，经空心锥形壳体上沿辐射线布置的孔均匀地、呈溢流状态流入烟气管道,并很快 充满整个管道截面。烟气自下而上穿过这层断面时与 al2o3充分接触，al2o3连续地 加入而烟气也连续地流过，为烟气和 al2o3 提供了均匀接触的机会，完成了 al2o3对 hf 的吸附过程。 流化元件位于给料箱底部,其作用是将加进来的 al2o3缓慢地运送到锥体中，并 使 al2o3呈溢流状态流出，以减轻对 al2o3的机械破损。 锥体的流线形结构减弱了烟气的湍流程度，从而减少了反应器的阻力损失，达到 华中科技大学硕士学位论文 10 了节能的目的。 由于 al2o3与烟气接触不是在强烈的紊流状态下进行的，al2o3的破损率较低。 沿锥圆周布置的溢流孔，使 al2o3呈一个很规整的圆截面充满在整个管道断面 上，克服了管道稀相化反应装置布料不均匀的缺点，缩短了所需管道的长度。 该反应器净化效率很高。 图 2- 3 vri 反应器结构示意图5 1- 烟气管道 2- 空心锥体 3- al2o3 4- 给料箱 5- 流化元件 6- 溢流孔 2.1.4 溢流式流化床反应器 图 2- 4 所示为溢流式流化床反应器。 其原理是氧化铝由加料器送入反应器内布风 板之上，烟气进入流化床底部的布风板与物料接触，使物料呈悬浮状态并在作上下翻 动的过程中得到净化。反应后的载氟氧化铝由卸料口溢流而排出，净化后的烟气由反 应器的顶部排出。 该反应器优点是净化效率高，结构合理，不增加占地面积，但是存在氧化铝破碎 率高和阻力损失过大的缺点。 华中科技大学硕士学位论文 11 图 2- 4 溢流式流化床反应器5 1- 氧化铝加料槽 2- 滤袋 3- 流化床 4- 布风板 5- 载氟氧化铝料仓 6- 排烟机 2.1.5 不同反应器的优缺点 表 2- 1 干法净化不同形式反应器性能比较6 反应装置名称 阻力损失 pa 氧化铝破碎率 % 净化效率 流化床 （美国阿尔肯铝公司） 3500- 4000 10- 15 高 文氏管 （法国彼斯涅大气公司） 400- 500 10- 20 中等 管道稀相化 （加拿大铝公司） 150- 200 20 不稳定 vri （美国 pe公司） 60- 200 5 高 从表 2- 1 可以看出，vri反应器是四种反应器中性能最好的，流化床虽然净化效 率高，但是阻力损失最大、氧化铝破碎率比较高。文氏管和管道稀相输送床虽然阻力 损失相比浓相流化床有很大的降低，但其氧化铝破碎率也比较高，而净化效率却并不 理想。 华中科技大学硕士学位论文 12 2.2 本课题前一阶段已用的反应器及相关实验研究 2.2.1 烟管中心喷射加料方案 图2- 5 所示为烟管中心喷射加料方案 7。其原理是： 将烟气管道加料部分管段设计成文 丘里管，在文丘里管外配置有混料器，氧化铝从混料器顶部加入到混料器中，从混料 器侧部对中水平引入一根高压风管，高压风管同轴对侧设锥状变径管，接输料管，输 料管将氧化铝通过气力输送接至文丘里管中，输料管末端即为喷管，喷管与文丘里管 同轴，末端设挡板，侧部开口，氧化铝在输送气流的作用下从侧部开口喷出，以一定 的速度进入到烟气中，与烟气混合。 图 2- 5 烟管中心喷射加料方案图 1- 文丘里管 2- 喷管 3- 喷嘴端部板 中心加料方案试验时，存在氧化铝颗粒和输送气体分离的现象。如图 2- 6 所示， 当加料管的立管长度较短时，氧化铝在加料管中偏向一侧，另外一侧无氧化铝。如图 2- 7 所示，当加料管的立管长度较长时，氧化铝加料偏侧的现象能得到缓解，但是立 管不可能无限制加长，这样会减少混合反应段的长度，对吸附净化不利，同时立管加 长以后会增加对供气压力的要求。 华中科技大学硕士学位论文 13 图 2 - 6 中心喷射短管加料图片 图 2 - 7 中心喷射长管加料图片 2.2.2 烟管四周喷射加料方案 图 2- 8 所示为烟管四周喷射加料方案7。其原理是：将烟气管道加料部分管段设 计成文丘里管，文丘里管周围设置一圈加料管，在文丘里管外配置有混料器，氧化铝 从混料器顶部加入到混料器中，从混料器侧部对中水平引入一根高压风管，高压风管 同轴对侧设锥状变径管，接输料管。输料管将氧化铝通过气力输送接至文丘里管外的 加料管中，加料管分别从四个方向朝文丘里管中加料，根据四角切圆燃烧理论，加料 口的喷吹方向在圆周的切线方向，氧化铝在输送气流的作用下从侧部开口喷出，以一 定的速度进入到烟气中，在随烟气上升的过程中发生旋向偏转，与烟气混合。 如图 2 - 1 0所示，四周加料方案试验时，也存在氧化铝颗粒和输送气体分离的现 象，在输送加料的过程中，由于离心力的作用，氧化铝颗粒集中在输料管的圆周外侧， 由于加料口设在输料管的内侧，所以前三个加料口只有很少的氧化铝颗粒进入，最后 一个加料口的氧化铝颗粒相对更多一些，造成了加料量的不均匀。 华中科技大学硕士学位论文 14 图 2- 8 烟管四周喷射加料方案图 图 2 - 9 四周加料反应器装置 1- 文丘里管 2- 喷料输送管 3- 喷料管 图 2 - 1 0 四周喷射加料 piv 图 2.2.3 双文丘里管径向加料方案 图 2- 11 所示为双文丘里管加料反应器8。其原理是：空气和氧化铝的混合物以一 定的速度加入到内文丘里管的喉管部分和一部分来流烟气混合反应一次，而另一部分 烟气则在内、外文丘里管之间的空间流动，内文丘里管的出流和另一部分烟气在大管 道的喉部再次充分混合反应。 华中科技大学硕士学位论文 15 图 2- 11 双文丘里管径向加料方案图 图 2- 12 双文丘里管径向加料装置 从图 2- 13 可以看出， 在出口的整个截面都存在粒子的分布， 但是粒子的浓度分布 存在不均匀的状况。 由于在进料管道的出口处粒子浓度是非常高的， 随气流运动之后， 存在一定的扩散作用，扩散作用导致整个截面的粒子分布，但是，扩散不是非常均匀， 存在部分区域的浓度比较高而部分区域浓度比较稀的现象。 图 2- 13 双文丘里管径向加料 piv 图 2.3 本章小结 通过对国内外工程实际和本课题前一阶段所设计的反应器的应用情况分析，决定 华中科技大学硕士学位论文 16 电解铝烟气干法净化效率高低的最重要的两个因素是：氧化铝固体颗粒与烟气是否充 分接触，氧化铝固体颗粒与烟气的接触时间。 本课题以上三种实验室小试方案的加料方法强调氧化铝固体颗粒在烟道中的均 匀度，但是氧化铝颗粒在烟气中的分布只是稀相分布，不能保证 hf 和氧化铝颗粒的 充分接触。根据氧化铝对 hf 的吸附机理，这种方法并不能保证氧化铝对 hf 的充分 吸收。 华中科技大学硕士学位论文 17 3 流化床反应器及布风板 就占电解铝烟气中 h f净化总量的比例而言，反应器吸附了 90%95%的 hf。但 欲使烟气排放达到含氟量低于 1mg/nm 3 的绝对指标， 前一章所述的各种反应器还是很 难实现。 经过反应器净化后剩下的这部分5%10%的hf， 必须由布袋除尘器上的al2o3 附着层吸附后才能达到标准，但现有的布袋除尘器的阻力损失很大，通常为 20002500pa，且在布袋上形成及时而均匀厚度的滤饼层目前基本上达不到要求，布 袋除尘器造价也很高。因此本课题期望研究出净化效率更高、阻力损失更小、氧化铝 破碎率更低的新型干法净化反应器，仅通过反应器就能实现绝对净化指标 （1mg/nm 3） 。从而，布袋除尘器仅起过滤电解烟气中的固体颗粒的作用。 3.1 流化床反应器原理 设有一圆筒形容器，在容器下部安装了一块筛板，称为气体分布板( 见图 3 - 1 ) 。 在分布板上面堆积着一层固体颗粒( 即床层) ，为了防止停工时颗粒从小孔中漏下或堵 塞小孔，并使气体从小孔顺利通过进入床层中，在每一筛孔中都安设了风帽。9 当气体以低速通过床层时，固体颗粒保持接触，仍然处于静止状态，床层高度也 不变，气体在颗粒之间的空隙中通过，这种床层称为固定床 图 3 - 2 ( a ) 。 当气体流速增大到一定值时，固体颗粒位置稍有调整，但仍处于接触状态，只是 床层变松，略有膨胀( 即床层略有增高) ，这时床层处于初始或临界流化状态中 图 3 - 2 ( b ) 。 当气速高于初始流化的流速时，即进入流化状态，气体以鼓泡方式通过床层，随 着气速的增加，固体颗粒在床层中的运动也愈激烈。这时气- 固系统具有类似于液体的 流动性，它是无定形的，随容器形状而改变，床层也随着气速的增大而膨胀，但有明 显的上界面。气泡在床层中上升，到达床层表面时破裂。床层中激烈的气- 固运动很象 沸腾的液体，因此流化床又称为沸腾床 图 3- 2(c)。 在更高的速度下，一部分固体颗粒被气流带出，随着气速增大，颗粒夹带也愈多， 华中科技大学硕士学位论文 18 上界面也随着消失，这时，因颗粒随气流从容器中一起被吹送出去，密度又较小，故 称为稀相输送床图 3- 2(d)。通常，工业应用的流化床，容许气流带走少量较小的颗 粒，因为带走的这一部分颗粒还可以通过旋风分离器或过滤器回收后不断返回到床层 中，这就仍然能够保证操作正常进行。 图 3- 1 流化床示意图 1- 容器壁 2- 分布板 3- 风帽 图 3 - 2 不同流速时床层的变化 由图 3- 2 可知，当气体通过固体颗粒床层时，随着气体流速的增加，存在着固定 床、流化床和输送床三个阶段。在气固系统的流化床中，有两种聚合状态，如图 3 - 3 所示。一种聚合状态是作为连续相的一种空隙率小、固相浓度大的、均匀的气固混 合物，称为乳化相( 或称乳浊相) ；另种聚合状态是作为分散相的气体以鼓泡形式穿 过床层时并不断长大，称为气泡相。因为有乳化相和气泡相状态，故称为聚式流化床 ( 或称为不均匀流化床、气体流化床) 。当气泡上升到床面时即破裂同时向上溅起若干 华中科技大学硕士学位论文 19 固体颗粒。其中细颗粒被气流带到床层上部形成一个稀相区，有的被带出器外。粗颗 粒则返回床层内，与原来在床层中运动着的颗粒一起形成密相区，也就是通常所称的 流化床层。在稀相区和密相区之间，具有一个清晰的界面。 图 3- 3 气固流化床中的聚合状态 按固体颗粒粗细的不同，气固流化床又分为细粉床和粗粒床两种。细粉的粒径范 围一般为 4 0 - 1 2 0 微米。粗粒都在 1 毫米以上，较大的高达 1 2 毫米。 3.2 流化床中常见的不正常现象 （1 ）沟流状态：沟流状态的特征是气体通过床层时形成短路。图 3 - 4 ( a ) 为贯穿 沟流，即从床层底部到床面形成一条短路，大部分气体将从这条阻力小的通道逸出床 层。图 3 - 4 ( b ) 为局部沟流，即在床层中某一段形成短路，在这一段的上面和下面仍为 流化部分。沟流现象发生时，大部分气体没有与固体颗粒很好地接触就通过了床层。 因此，在反应器中，沟流会引起反应的转化率降低。沟流还使床层密度不均匀，一部 分颗粒没有流化或流化不好，因此床层温度也不均匀，一部分床层没有起到应有的作 用( 所谓死床) ，而另一部分床层由于大部分气体通过而使反应激烈，可能导致催化剂 烧结，从而降低了催化剂的寿命和效率。下列几种情况容易产生沟流： 1 ) 颗粒的粒度很细( 粒径小于 4 0 微米的) ，且气速很低时； 2 ) 潮湿的物料，易粘合、结团的物料； 3 ) 气体分布板设计不好，例如孔太少或各个风帽的阻力大小差别较大。 华中科技大学硕士学位论文 20 要消除沟流，应对物料进行预先干燥并适当加大气速，合理设计分布板是十分重 要的。还应注意风帽的制造、加工和安装，以避免通过风帽的流体阻力相差过大而造 成布气不均匀的后果。 ( a ) 贯穿沟流； ( b ) 局部沟流 图 3 - 4 沟流状态9 （2 ）大气泡状态：在聚式流化床中，生成的气泡在上升的过程中不断增大和合 并，直到床面而破裂是正常的现象。但是如果床层中大气泡很多 见图 3 - 5 ( a ) ，由于 气泡不断搅动和破裂，床层波动大，操作不稳定，气固之间接触不好，使催化反应或 非催化的气固反应的效率下降。通常床层较高、气速较大时容易产生大气泡状态。在 床层中加设内部构件可以避免生成大气泡。 （3 ）腾涌状态：在大气泡床层中，如果继续增大气速，则气泡可以合并增大到 接近容器的直径，床层被气体分割成几段，气体把固体颗粒层托到一定高度后突然崩 裂，大量颗粒雨淋而下，这就是腾涌状态 或称气节状态，见图 3 - 5 ( b ) 。这种状态极 不稳定，床层波动非常严重。这时，床层的均匀性被破坏，气固接触显著恶化，从而 严重地影响产品的产量和质量。床层越高，容器直径越小( 即高径比越大) ，颗粒直径 越大，气速越高，都容易发生腾涌状态。如前所述，在床层中加设内部构件，可以避 免生成大气泡和气节状态的发生。 华中科技大学硕士学位论文 21 图 3- 5 流化床中不正常现象气泡状态9 (a)大气泡状态；(b)腾涌状态 3.3 常用流化床布风板 气体分布板（布风板）在流化床中的作用除了支承固体颗粒以外，主要是均匀布 气以创造一个良好的起始流化条件并将此稳定地保持下去。气体分布板的设计和制造 是否合理对于流化质量有很大影响。 工业生产用的气体分布板的型式很多， 主要的有直流式、 侧流式和填充式分布板， 还有种无分布板的旋流式喷嘴。9 （1）直流式分布板 图 3- 6 直流式布风板 （a）直孔筛板； （b）凹形筛板 图 3- 6 为直流式分布板。这种筛板结构简单，易于设计和制造。但也具有一些缺 华中科技大学硕士学位论文 22 点：气流方向正对床层，易使床层形成沟流，小孔易于堵塞，停车时又易漏料。因此， 除特殊情况外，一般不使用直流式分布板。石油催化裂化的流化床反应器，由于催化 剂粒子与气流同时通过分布板，常用直流式凹形筛板。这种凹形筛板能够承受催化剂 重荷和热应力。由于鼓泡和沟流主要发生在流化床的中心部分，凹形筛板有助于抵消 达种现象。 （2）侧流式分布板 图 3- 7 为侧流式分布板。在分布板的孔中装有锥形风帽（或锥帽） ，气流从锥帽底 部的侧缝或锥帽四周的侧孔流出。风帽的结构见图 3- 8。 图 3- 7 侧流式布风板 （a） 侧缝式锥帽布风板； （b）侧孔式锥帽布风板 目前这种带锥帽的分布板应用最广，效果也较好。其中侧缝式锥帽采用尤多，它 具有下列优点： 1）固体颗粒不会在锥帽顶部堆成死床。每三个锥帽之间形成一个小锥形床，由 此形成许多个小锥形床，改善了床层的流化质量。 2）气体紧贴分布板面从侧缝吹出而进入床层，在板面上形成一层“气垫” ，使颗 粒不能停留在板面上，这就消除了在板面上形成死床和发生烧结现象。 图 3- 8 锥帽的构造 （a）侧缝式锥帽； （b）侧孔式锥帽 华中科技大学硕士学位论文 23 （3）填充式分布板 图 3- 9 为填充式分布板。在直孔筛板或栅板和金属丝网上间隔地铺上卵石石 英砂卵石。此型结构简单能达到均匀布气的要求，因而具有较好的流化质量。 图 3- 9 填充式分布板 （4）无分布板的旋流式喷嘴 图 3- 10 为旋流式喷嘴，常用于流化床煤气发生器。气体通过六个向上倾斜 10 的喷嘴喷出，当气体速度超过临界流化速度时，煤粒即被向上旋转的气流托起，固体 颗粒激烈搅混。这六根管中的每一根管均偏离径向 20或 25角，因而造成向上旋 转的气流见图 3- 10(b)。用这种方式流化的，一般应用于对气体产品要求不严的粗粒 流化床。 图 3- 10 粉煤气化发生炉 （5）短管式分布板 图 3- 11(a)为短管式分布板，这是近年来国外采用的一种型式。在整个分布板上， 均匀地设置了若干根短管， 每根短管下部有一个气体流入的小孔， 详细结构如图 3- 11(b) 所示。孔径为 910 毫米，约为管径的 1/31/4。管长与管径之比为 l/d58，管长约 华中科技大学硕士学位论文 24 为 200 毫米。按小孔总面积计的开孔率为 0.2%左右。气体通过小孔的速度为 100150 米/秒。短管及其下部的小孔起着整流的作用，即防止气体涡流和均匀布气，并使流化 床操作稳定。短管不应过短，否则起不到应有的整流作用。小孔尺寸和开孔率的大小 在于保证足够的气速，以防止催化剂漏到分布板下面去。 短管式分布板与常用的锥帽式分布板比较，有下列优点： 1）结构简单 短管的结构比锥帽简单得多，容易制造安装和维修。 2）分布板和催化剂的磨损小 锥帽式分布板在操作时，气流平行于板面吹出， 然后向上流动，因而对板面和其上的催化剂磨损较大；而短管式分布板在操作时，气 流直接向上吹送，因而对分布板没有磨损，又因气流未改变方向，涡流小，从而对催 化剂的磨损也小，且操作平稳。 图 3- 11 短管式分布板 图 3- 12 气体混合式短管式分布板 （6）兼有气体混合作用的短管式分布板 如图 3- 12 所示， 这也是近年来国外所采用的一种分布板型式。氧氯化的流化床反 应器就是用这种分布板。原料气乙烯和氯化氢气与空气分别进入短管中，然后一起向 上进入流化床中。由图 3- 12(b)可见，原料气和空气在每一根短管中的混合并不是很好 的（没有混合部件） ，只是由于这两种气体是在整个截面上分配到很多个短管中，因 而总的说来是混合较好的。进入流化床中的混合气在催化剂作用下生成氯乙烯。这种 分布板与前面图 3- 11 所示的分布板基本上是相同的，其作用和优点亦同前， 小孔直径 和开孔率也大致相同；所不同的只是短管较粗一些，以便插入原料气的小支管。 综上所述的各种布风板结构， 均有不同的优缺点， 有待进一步开发出新的布风板。 华中科技大学硕士学位论文 25 3.4 三维金属网布风板 图3 - 1 3 所示为本课题所研究的流化床冷态实验装置中所用的三维金属网布风板。 该三维金属网的主要结构为三维多孔网。 图3 - 1 3 三维金属网 根据季昌峰中药气流分级器的实验研究，三维金属网布风板的流动阻力损失仅是 风帽型布风板的1/77。而传统溢流式风帽型布风板流化床的最大缺点是：阻力损失过 大，al2o3破碎率比较高。 三维多孔结构是利用流体流过多孔材料时， 流体多方向混流， 流场混乱度较一致， 对物料可多方向混合搅动，使气固混合均匀。例如多孔材料的吸声、散热、过滤等性 能都与其流通能力有关。10 根据所查文献，还没有用泡沫金属作为流化床布风板的先例。由于多孔泡沫金属 孔隙率高达95%，孔径小至0.10.5mm，且分布均匀。这些结构显示了良好的流体混 流性能，因此本课题将研究该种材料在流化床中的流化特性。 华中科技大学硕士学位论文 26 4 流化床冷态试验台架的搭建 4.1 总体结构设计和功能要求 流化床反应器主体结构示意图如图 4 - 1 所示。 本冷态试验流化床与传统的溢流式流化床在结构上有所不同：氧化铝粉不是从流 化床的溢流口引出，而是按照“先进先出，后进后出”的原则有序顺着倾斜布风板流 出。 图 4 - 1 流化床反应器主体结构示意图 用分样筛对本课题冷态试验所用的氧化铝进行分样， 其粒径百分比如表4 - 1 所示。 表 4 - 1 氧化铝粒径分布 氧化铝粒径 m 0 - 4 4 4 4 - 7 4 7 4 - 1 0 4 1 0 4 - 1 5 0 质量百分比% 9 . 5 % 7 4 . 5 % 1 2 . 5 % 3 . 5 % 根据氧化铝粒径分布， 本冷态试验流化床只允许 4 4 m以下的氧化铝颗粒随气流 带出，44- 150m的氧化铝颗粒顺着布风板流下，从布风板右侧的出料槽排出。 因此，要对粒径为 4 4 m的氧化铝颗粒的带出速度作一个计算。 华中科技大学硕士学位论文 27 4.2 氧化铝颗粒带出速度的计算 一个固体颗粒在静止的空气中自由降落时，开始因粒子本身重力而加速下降，但 是随着速度的增大， 空气对粒子运动的阻力也增大了， 直到阻力增大到与重力相等时， 粒子就以等速下降，这个速度叫作“自由沉降速度”或简称“沉降速度”。对于微小 颗粒来说，粒子向下作加速运动所经过的距离和时间都很短，很快就达到沉降速度， 所以通常假设粒子在静止的空气中自由下降时达到的最大速度为沉降速度。如果气体 不是静止的而是向上流动的，且其向上流动的速度大于粒子的沉降速度，则粒子就会 被气流所带走。 当气体速度等于固体颗粒在气体中的沉降速度时， 称为开始带出速度， 简称带出速度。 根据上述基本假设进行理论推导和实验研究分析， 可得出计算颗粒带出速度的公 式。9 对于球形颗粒，当雷诺数 r e 1 时，属于层流区，可按下式计算带出速度9： () 2 18 psf t d v = 当 1 r e 5