（热能工程专业论文）氧化铝循环流态化焙烧系统研究及经济性分析.pdf

华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = ；= = _ = = = ；= = = ；= = 目= e = 目= ；一 摘要 氧化铝是重要的工业原材料，也是铝工业生存和发展的根本条件，对国民经济的 。 发展起着相当重要的作用，因此世界各国对氧化铝工业的发展都非常重视。同时国内 的氧化铝生产成本在国际上居于前列，其中的一个重要原因就是高的燃料及动力消 、7 耗。因此，逐步降低氧化铝生产能耗是增强氧化铝产品竞争力的重要手段少叫 本文对氧化铝焙烧的传统工艺以及流态化焙烧技术作了具体的介绍以及分析，同 时对现有的焙烧工艺进行了技术经济评价。然后针对循环流态化焙烧系统，对系统的 能量分布以及系统能量平衡进行了深入的分析，同时对现有的循环流态化焙烧系统进 行了实际计算，并提出了系统能量优化改进的方向。 在对系统能量分布作出分析的基础上，运用炯分析的原理，通过合理的简化，建 立了循环流态化焙烧系统炯分析模型，针对现有的系统分析了炯损失产生的主要原 因，给出其中的炯损失分布规律以及系统内部的热力学完善程度，同时在此角度上提 出了系统的改进优化方向及措施。 另外，本文通过对现有循环流态化焙烧系统的分析，对现有的循环流态化焙烧系 统提出了基本的设计原则以及设计步骤。 f 最后，本文对以上研究工作进行了总结，并提出下一步研究工作的方向以及具体 的工作内容。 f 厂 关键词：( 氧化铝；) 流态化，焙烧；经济性分析 、 。 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t a l u m i n i u mi so n ek i n do f i m p o r t a n ti n d u s t r i a lr a wm a t e r i a l sa n di t sa l s ot h eb a s eo f d u m i u i u m i n d u s t r y sd e v e l o p m e n tw h i c hp l a yaq u i t ei m p o r t a n tr o l et ot h ed e v e l o p m e n to f n a t i o n a le c o n o m y , s ot h ec o u n t r i e sa l lo v e rt h ew o r l dp a ym u c ha t t e n t i o nt oi t b u tt h e n a t i v ea l u m i n i u mo p e r a t i n gc o s t si s l a r g e rt h a nm a n yo t h e rc o u n t r i e s o n eo ft h em a i n r e a t s o n si st h e h i g hc o n s u m p t i o no ft h e f u e la n d e n e r g y s ot or e d u c et h e e n e r g y c o n s u m p t i o n o fa l u m i n i u m p r o d u c t i o ni st h ee f f e c t i v ew a yt os t r e n g t h e nt h ec o m p e t i t i o no f a k t m i n i u m p r o d u c t s e x e r tt h et h e o r e mo f e x e r g ya n a l y s i s ，t h r o u g hr e a s o n a b l es i m p l i f y i n g ，b a s e do nt h e a n a l y s i so f s y s t e me n e r g yd i s t r i b u t i o nas y s t e ma n a l y s i sm o d e lo f r o a s th a sb e e nd e v e l o d e d i nt h i sa r t i c l e na l s oh a sg i v e ns o m em a i n r e a s o n so f e x e r tl o s sd i s t r i b u t i o nr e g u l a t i o na n d t h ee x t e n tt o e x p l a i nt h et h e r m o d y n a m i c ss y s t e mh o wp e r f e c t a n da tt h es 锄e 劬e o p t i m i z e d i r e c t i o na n dm e 私u r e o f s y s t e m a t i ci m p r o v e m e n th a sb e e ne x p o u n d e d i n a d d i t i o n ，吐- o u g ht h ea n a l y s i so fe x i s t i n gc i r c u l a t i o nf l u i d i z a t i o n s y s t e m ，b a s i c & s i g n 呻u c i p l ea n dd e s i g np r o c e x t u r eh a sb e e ng i v e n f i n a l l y , t h ea r t i c l es u m m a r i z e dt h er e s e a r c hw o r ka b o v ea l la n da l s op u tf o r w a r dn e x t r e s e a r c hd i r e c t i o na n dc o n c r e t e w o r k i n gc o n t e n t k e y w o r d s ：a l u m i n a ；f l u i d i z a f i o n ；r o a s t ：e c o n o m i ca n a l y s i s n 华中科技大学硕士学位论文 = 一= = = = ；= 目；= 目= = i 口= ；= _ = e i = = ；= 1 绪言 1 1 研究背景介绍 氧化铝作为一种基础的工业原材料，对国民经济的发展起着相当重要的作用， 因此世界各国对氧化铝工业的发展都非常重视。 氧化铝是电解铝的唯一原料，是铝工业生存和发展的根本条件。氧化铝工业是 随着电解铝工业的发展而不断发展的口3 。由于铝具有良好的导电性、传热性、延展 性、以及耐腐蚀性等，铝及其合金在国民经济中起着重要的作用，其消耗量仅次于 钢铁。据中国有色金属信息报( c r u ) 2 月1 1 日报道，2 0 0 2 年全球冶金级氧化铝 产量为5 1 2 3 5 万吨，比2 0 0 1 年增长了3 6 ，同期消费量为5 0 5 4 9 万吨，比2 0 0 1 年增长了6 9 。 我国的氧化铝工业在过去、现在以及将来很长一段时间，一直会有较大的供应 缺口。同时，氧化铝还是化工、机械、建材业的重要原料吁3 。 但是，目前我国氧化铝生产无论从数量上，还是从质量上都不能满足国内市场 的需要，每年都要从国际市场上进i ；3 大量的氧化铝。随着我国加入w t o ，国内外 两个市场已经实现接轨和融通，我国的氧化铝企业受到进口氧化铝产品的冲击。 截至2 0 0 0 年，我国陆续建成了山西、中州、平果等重点氧化铝生产企业，国 内6 大氧化铝生产基地的雏形已经形成h 3 。2 0 0 0 年我国共生产氧化铝4 2 9 万吨，“九 五”期间氧化铝产量增长率达到1 4 2 ，是建国以来氧化铝产量增长最快的时期。 2 0 0 0 年我国共进口氧化铝1 8 8 。1 7 万吨，氧化铝自给率仅为7 0 。据有色金属工业 统计快报统计，2 0 0 1 年我国氧化铝产量为4 7 0 万吨，与1 9 9 5 年相比，年均递增率 分别为1 4 8 和1 1 5 。 同时，国内的氧化铝生产成本在国际上居于前列，其中的个重要原因就是高 燃料及动力消耗的代价。因此，氧化铝生产企业市场竞争力提高的重要条件就是生 产成本的降低以及能耗的降低，因此逐步降低氧化铝的生产能耗意义重大。 华中科技大学硕士学位论文 目前，世界氧化铝生产的平均能耗为1 6 1 8 0 j ，最低的达到9 6g j ，而我国烧 结法能耗4 1 8 6 5 2 0g j 瞪1 。国产氧化铝经营成本不断降低，但与国际先进水平仍有 差距。近年来，我国氧化铝经营成本不断降低，己从1 9 9 4 年的2 1 6 美元吨，降低到 1 9 9 8 年的1 7 0 美元吨，接近1 9 9 8 年世界氧化铝厂的平均经营成本水平1 6 2 美元吨， 初步具备参与市场竞争的能力。但是与国际先进的氧化铝企业相比，差距仍较大。 1 9 9 8 年澳大利亚氧化铝企业的平均经营成本为1 0 6 5 8 美元吨，其中宾贾拉氧化铝厂 经营成本最低，为9 4 2 美元吨，其次是沃斯利氧化铝厂，为9 5 7 美元吨。目前， 澳大利亚共有氧化铝生产能力1 5 8 0 万吨，是我国氧化铝企业的主要竞争对手哺1 。 目前世界氧化铝生产经营主要集中在6 家跨国企业集团手中，其中美国铝业公 司控制约1 2 0 0 万吨的生产能力，约占全球氧化铝产量的2 1 ；加拿大铝业公司控 制约6 0 0 万吨的生产能力，占全球氧化铝产量的1 0 以上。面对激烈的市场竞争， 国际跨国公司正在继续通过资产重组实现更大规模的集约化生产经营。 能耗在氧化铝生产成本中占有较大比重。降低能耗是改进氧化铝生产工艺的主 要目标之一。实现规模化生产是提高氧化铝生产过程能源利用率的有效手段。全球 氧化铝生产均向规模化发展，当前世界上最大的氧化铝厂澳大利亚格拉斯通厂，年 产能力为3 6 5 万吨，宾加拉氧化铝厂，年产能也达到3 2 0 万吨，全世界年生产能力 1 0 0 万吨以上的氧化铝厂的产能已占总产能的5 0 左右。因此，当前新建氧化铝厂 的起步规模均在1 0 0 万吨以上。由于生产规模扩大，再加上采用其它节能措施，世 界氧化铝生产的能耗指标不断改善。 针对我国目前的氧化铝生产状况，逐步降低氧化铝生产能耗使提升竞争力的重 要手段，而降低焙烧环节的能耗是其中的重要环节。因此，逐步开始对先进的流态 化焙烧技术的开发研究以及对传统的回转窑焙烧方式开展研究工作，对于降低氧化 铝的生产能耗具有重要意义。 1 2 国内外氧化铝焙烧工艺的发展 从设备运转的形式以及运行原理来划分，氧化铝焙烧装置的发展主要经历了回 华中科技大学硕士学位论文 转窑和流态化焙烧炉( 也称作静态焙烧) 两个阶段。氧化铝工业发展初期，一台回 转窑便能完成烘干脱水预热焙烧冷却等全部工艺过程，因此首先得以应用。但是它 的气圃传热效率比较低，系统散热损失大，1 k g 氧化铝初期的单位热耗高达8 3 7 0 k j 。 第二次世界大战以后，应用各种形式的窑内窑外换热装置，l k g 氧化铝单位热 耗也相应下降到了3 9 7 7k j - - 4 1 8 0 k j 。 从4 0 年代开始，国外就开始了传统的浓相多层氢氧化铝流态化焙烧炉的试验 研究。由于传统流态化焙烧炉中空气流速不能突破颗粒的自由降落速度( 1 l o o c t 1 0 0u 颗粒的自由降落速度为o 3 5 m s ) ，因而限制了炉子单位面积产量的提高，失 去了在工业上推广的意义，以后逐步发展为稀相流态化焙烧炉。 从设备的功能分析，氧化铝焙烧装置是从一机多功能的单体设备逐渐发展到单 一功能的单体设备组合体。无论是回转式还是静态式的焙烧设备都如此。原因是焙 烧过程的各个阶段的热负荷非常不均衡，强求在一台设备中实现全部焙烧过程显然 不符合焙烧各个阶段的用热规律，只有将各个阶段分别对待时，才能发挥出理想的 产量和最低的热耗。 1 2 ，1 德国鲁奇( k u r g ia g ) 公司的开发过程 德国鲁奇冶金公司自从1 9 5 8 年开始研究氢氧化铝的沸腾焙烧装置。1 9 6 3 年在 联合铝公司的利泊氧化铝厂建成了一台2 5 吨日产能的实验装置，1 9 7 0 年又在利泊厂 建成了一台日产能5 0 0 吨的循环沸腾炉并投入运行。此后又为德国的纳泊厂和施塔德 厂建设了四台5 0 0 - - 8 0 0 吨日产能的循环炉”1 。 到1 9 9 1 年为止，使用于氧化铝流态化焙烧的循环炉一共有3 0 多台，分别在西 德、苏联、日本等国的氧化铝的厂使用，其中设计能力最大的为1 8 5 0 吨天，正计 划设计产能为3 0 0 0 吨，天的循环流态化焙烧炉。 自从1 9 7 0 年第一台工业循环炉投产以来，如今已建成接近4 0 套，合计年产氧化 铝1 0 0 0 多万吨。同时，循环流态化焙烧炉也在不断的改进。此外，鲁奇还广泛地将 循环流态化焙烧技术应用于其它的工业部门，比如：黄铁矿流化床焙烧炉、粘土循环 焙烧炉、石灰石循环焙烧炉、水泥生料窑外分解炉、氟化铝合成循环焙烧炉、循环床 金矿焙烧炉、循环床燃煤锅炉、电解铝厂的干法气体循环净化炉四1 。 3 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = = _ j 口= = = = = 目i j _ ；= = l = = _ 目= 目= _ t 至1 9 9 1 年为止，据不完全统计，德国鲁奇公司一家为各种不同的用户设计并 制造了循环炉达到3 0 0 台之多，运用于各种不同的行业 1 0 o 1 2 2 美国铝业公司( a l u m i n u mc o m p a n yo f a m e d c a ) 的开发过程 自本世纪4 0 年代起，国外已开始对氢氧化铝的流态化焙烧进行试验研究。在6 0 年代有美国铝业公司( a l c o a ) 首先获得成功，第一套日产3 0 0 吨的流态化闪速焙 烧炉限f c ) 于1 9 6 3 年在该公司的博克赛特( b a u x i t e ) 氧化铝厂投入工业生产，此后 相继有西德鲁奇( l u r g i ) 的循环流态化焙烧炉( c f c ) ，丹麦史密斯( f l s m i d t h ) 公司和 法国夫弗卡尔巴科克( f w e s c a i i b a b c o c k ，简称f c b ) 公司的气体悬浮焙烧炉 ( g s c ) 建成和投产，流态化焙烧装置在氧化铝生产中迅速获得了广泛的应用3 。 美国铝业公司自从1 9 4 6 年开始进行流态化焙烧的实验室和半工业化流态化试验， 到1 9 6 3 年第一座日产能3 0 0 吨的氧化铝流态化闪速焙烧炉( m a r k l 型) 在该公司 所属的博克赛特( b a u x i t e ) 氧化铝厂建成投产之后，至今，美国铝业公司的f f c 装 置已发展为5 种规格型号，即m a r ki v 型，日产能自3 0 0 吨发展到2 4 0 0 吨氧化 铝，共生产建设了5 0 余套e e c 装置，现在分别在美国、澳大利亚、巴西、西班牙、 伊朗、德国、中国等各地的氧化铝厂使用 1 2 1 0 到1 9 9 3 年为止，据不完全统计，全世界用于氧化铝流焙烧的流态化焙烧装置 己达到9 1 套之多，总计生产能力约为3 7 4 0 万吨氧化铝，约占世界氧化铝生产能力 的7 8 。1 9 9 3 年世界氧化铝产量为3 5 1 6 8 万吨，据统计其中有5 7 是由流态化焙 烧铝生产出来的。自8 0 年代以来，国外新建的氧化铝厂已全部采用流态化焙烧炉， 形成了全部取代回转窑的局面。同时有一些原来采用回转窑焙烧的氧化铝厂也纷纷 改用流态化焙烧炉，以取代原有的回转窑焙烧。 1 2 3 丹麦史密斯公司( f l s m i d t h ) 的开发过程 丹麦史密斯公司的气体悬浮焙烧炉( g s c ) 是从水泥窑的气体悬浮窑外分解装 置中移植出来的，该公司从1 9 7 5 1 9 8 7 年，已经建设了带有气体悬浮窑外分解的 水泥回转窑装置5 6 套，最大日产能已达到5 5 0 0 吨，该公司在水泥回转窑气体悬浮 华中科技大学硕士学位论文 = j = = ；= 目_ = = = 2 i _ _ ；= l _ _ ；# = = = ；= a ； 窑外分解技术方面具有丰富的经验。 丹麦史密斯公司于1 9 7 6 年确定立项，针对氧化铝气体悬浮焙烧炉的课题，进 行了一系列的试验研究。 1 9 7 8 年1 月在小时产能2 0 0 k g 氧化铝的小型g s c 炉中进行了氧化铝质量概念试 验。试验证明，可以将氧化铝焙烧成符合电解铝要求的氧化铝，物料在炉内仅停留l 一2 秒钟，通过控制焙烧温度，可以获得各种比表面积的氧化铝，a 氧化铝含量高达 8 0 1 3 。 1 9 7 9 年春天，该公司在丹麦的达尼亚( d a n i a ) 建成了日产3 2 吨氧化铝的半工 业化试验装置，进行了三个月的半工业化规模试验，试验运转正常。 1 9 8 4 年印度的亨达尔阔( h i n d a l c 0 ) 厂与丹麦史密斯公司签订了第一套g s c 工业生产装置的设计和制造合同”。 此后，丹麦史密斯公司的气体悬浮焙烧炉相继被中国、巴西和伊朗等国采用。到 1 9 9 3 年为止，共计销售出1 2 台。 时至今日，这三种流态化焙烧炉已经在世界上成功地应用于工业生产，即： 美国铝业公司的流态闪速焙烧炉( e e c ) ，德国鲁奇公司的循环流态焙烧炉( c e c ) ， 丹麦史密斯公司的气体悬浮焙烧炉( g s c ) 。这三种流态化焙烧炉在世界上得到广泛 应用，我国也相继在山西铝厂、中州铝厂、平果铝业公司、郑州铝厂和贵州铝厂引 进了这三种炉型。 1 2 4 我国对氯化铝流态化焙烧技术的研究 我国对于氧化铝流态化焙烧技术的研究工作于1 9 5 6 年开始。自从1 9 5 8 年以来， 曾经作过多层沸腾炉、旋风预热单层沸腾焙烧载流冷却和悬浮闪速焙烧等试验和工 业试验，既取得了一些经验教训，也在流态化焙烧技术上取得一些进展。1 9 8 1 年在 山东铝厂研究时产2 0 0 k g 氧化铝的悬浮闪速焙烧试验取得了初步进展之后，未能将 试验继续进行下去，因此未取得工业生产应用的成果。 华中科技大学硕士学位论文 1 3 国家的政策导向以及氧化铝焙烧工艺研究方向 在国民经济和社会发展第十个五年计划纲要中，明确提出要鼓励和支持发 展氧化铝。大力发展氧化铝、稀土深加工产品、不锈钢和冷轧板等原材料工业。“十 五”期间氧化铝的发展重点是抓好现有氧化铝厂进行扩建和改造，可选择的项目主 要有广西平果铝业公司二期工程、长城铝业公司中州铝厂扩建工程、山东铝厂、贵 州铝厂、长城铝业公司氧化铝厂的技术改造工程等。到2 0 0 5 年我国氧化铝产量预 计达到5 0 0 万吨左右，但仍有的较大缺口需要进口弥补。对此，企业要继续利用国 外氧化铝资源，建立长期、稳定的供货渠道。在购买美国铝业公司在澳大利亚的4 0 万吨氧化铝生产能力的基础上，继续探讨进步合作的可能；同时，对从国际市场 采购氧化铝，要强化统计、有序和增强自我保护能力“”。 因此从国家的政策导向来看以及现实的需求来看，不断扩大规模降低生产成本 n 印不断采用先进的焙烧方式降低成本是未来发展的两条主线。因此，对先进的流态 化焙烧方式的研究将会变得很重要。国内对此研究的比较少，国外对氧化铝焙烧工 艺的研究工作主要在德国鲁奇公司( l u r g ia g ) ，美国铝业公司( a l u m i n u mc o m p a n y o f a m e r i c a ) 以及丹麦史密斯公司限l s m i d t h ) 内进行，同时澳大利亚应用科学工业研 究组织也在进行这方面的研究。其所作的主要工作集中在以下几个方面： 运用先进的工艺模拟软件来模拟相对复杂的整个系统“ ，并对系统进行最优 化设计，同时将研究的结果运用在控制的过程中对系统的控制运行进行了优化。澳 大利亚联邦应用科学工业研究组织的矿山公司成功地使用了工艺设计和最优化的 工具，在结合实验的过程中运用流体动力学的模型协助一些公司稳定地降低了投资 和运行费用。从一般的模型技术到计算流体力学模型作为优化工具得到了较大的进 步。 比较先进的过程模拟软件可以在工厂建设之前、建设的过程中、以及运行之后 或者设计和运行前提供一些有益的咨询。工艺设计和优化技术，可以帮助提高产量， 降低成本。国外三大厂商以及澳大利亚应用科学工业研究组织所从事的方向主要 有： 华中科技大学硕士学位论文 = = = = ；= = j 目_ = = = = ；目= 目； = l ；j l _ 目；= = = ； 提高能效，通过加强在燃烧过程中的反应提高热传递和保温效果，减低燃料消 耗以及能耗c 1 8 。 减少维修，通过减少磨损和固体物料的堆积，提高工艺过程的稳定性，并降低 维修费用。 提高资金利用率，通过改进设计，提高现有工厂和车间的产能，从而减少成本 资金的需求。 为了达到影响成本的这些目的，有几个因素需要考虑，包括： 认真分析设备和工艺过程，需要同专家认真分析评估改进是否有利可图，并且 分析随之带来的风险。重点在于通过小的改进带来大的利益。 成本效益工艺设计与最优化技术的应用，加深对设备性能和工艺特点的了解和 认识，确定成本效益与工艺设计和最优化技术的关系。所选择的成本效益必须与不 断上升的效益有关。 同时，联邦应用科学研究组织、史密斯公司等一些厂商利用多相流体动力学和 分离成分法同时模拟物料的流动和火焰的范围，以便对颗粒的热传递给出精确的预 测。 1 4 本文内容概述 本文的内容安排如下： 第二章对氧化铝焙烧工艺的传统工艺以及流态化焙烧技术作了具体的介绍以及 分析，同时对现有的焙烧工艺进行了技术经济评价。 第三章主要是针对循环流态化焙烧系统，对系统的能量分布以及系统能量平衡 进行了深入的分析，同时对现有的循环流态化焙烧系统进行了实际计算，并提出了 系统能量优化改进的方向。 第四章在对系统能量分布作出分析的基础上，运用炯分析的原理，通过合理的 简化，建立了循环流态化焙烧系统炯分析模型，针对现有的系统分析了炯损失产生 的主要原因，给出其中的炯损失分布规律以及系统内部的热力学完善程度，同时在 此角度上提出了系统的改进优化方向及措施。 第五章通过对现有循环流态化焙烧系统的分析，对现有的循环流态化焙烧系统 提出了基本的设计原则以及设计步骤。 第六章为全文的总结与展望，对以上研究工作进行了总结，并提出下一步研究 工作的方向以及具体的工作内容。 华中科技大学硕士学位论文 = i _ _ _ _ l i = ；= j ；= _ _ _ l l l _ 目；a ；_ _ ；= ； 2 现有的焙烧工艺过程以及经济指标评价 2 1 引言 现有的焙烧工艺包括传统的回转窑焙烧方式以及先进的流态化焙烧方式。从发 展趋势而言，流态化焙烧将会在未来的氧化铝行业占据主导的地位。成功应用于工 业生产的流态化焙烧设备主要有三种，即：美国铝业公司的流态化闪速焙烧炉 ( f e c ) ，德国鲁奇公司的循环流态化焙烧炉( c e c ) ，丹麦史密斯公司的气体悬浮 焙烧炉( g s c ) 。8 0 年代以后，国外新建的氧化铝厂已全部采用流态化焙烧炉，我 国自从1 9 8 4 年8 月从西德k h d 公司引进一套日产3 0 吨的美铝闪速焙烧装置以来， 相继引进了丹麦史密斯公司和德国鲁奇公司的数条流态化焙烧装置。 本章对氧化铝焙烧工艺的传统工艺以及流态化焙烧技术作了具体的介绍以及分 析，同时对现有的焙烧工艺进行了技术经济评价。 2 2 氧化铝焙烧过程概述 在氧化铝的生产过程中，将氢氧化铝转变为氧化铝的工艺过程称为焙烧工序。焙 烧的任务就是在高温下将氢氧化铝的附着水以及结晶水除去，并使其晶形发生部分转 变，以获得适合电解所要求的氧化铝。 在工业生产中得到的氢氧化铝一般带有1 0 左右的附着水，所以焙烧过程中每 生产一吨氧化铝大约要蒸发掉o 1 吨附着水和脱除o 。5 3 吨的结晶水，即总共除掉 0 6 3 吨左右的水。 因此氢氧化铝的焙烧是一个强烈的吸热过程，要保证焙烧过程的持续进行，必 须源源不断地供给燃料。为避免杂质污染氧化铝，须使用灰分很低的优质燃料。工 业生产中多使用液体燃料，其次是气体燃料或二者混合使用。 下面简述氧化铝焙烧的物理及化学过程。 在氧化铝生产过程中获得的氢氧化铝是以三水铝石a l 2 0 3 3 h 2 0 或a l ( o h ) 3 的形态存在的。三水铝石的脱水及晶形转变过程均比较复杂，从三水铝石脱水变为 华中科技大学硕士学位论文 = 目= = = = # = ；= ；= = 口z _ ；= ；# = = i = ；= ； a l 2 0 3 ，中间经过一系列的变化，即存在一系列的中间相。在焙烧时的化学变化一般 可以分成以下几个阶段 2 0 3 ： 】、附着水的除去湿氢氧化铝中所含的附着水在1 0 0 一1 1 0 c 可以蒸发完 毕： a l ( o h ) 3 + 附着水一a l ( o h ) 3 + 水蒸气f 一“0 2 1 d m o l 2 、结晶水的脱去湿氢氧化铝的附着水除去后，即成为干的氢氧化铝。当 温度升到2 5 0 - - - 3 0 0 c ，便失去两个结晶水，成为一水软铝石( a l 2 0 3 h 2 0 ) ： a l 2 0 3 3 h 2 0 一一一a l 2 0 3 h 2 0 + 2 h 2 0f 温度升高到5 0 0 一5 6 0 时，一水软铝石又失去其结晶水，变成y 型氧化铝： 址也0 3 h 2 0 a l 2 0 3 + h 2 0 f 总的化学反应式为： a l 2 0 3 3 h 2 0 一一一a l 2 0 3 + 3 h 2 0f - - 2 1 2 3k j m o l 此时所得出的y 型氧化铝属于等轴晶系的化合物，就其原子排列来看，稳定性小， 吸湿性强。因此它很容易吸收空气中的水分又转变成y a l 2 0 3 3 h 2 0 3 。吸水的氧 化铝在用于电解铝时，一方面由于这种水分易与氟化盐引起反应而增加氟化盐的消耗 量，另方面这种吸水氧化铝在电解的高温下会引起电解质发生炸溅。因此，仅仅得 出无水的a l 2 0 3 还不能满足电解铝的要求，而且必须提高焙烧温度，使y a l 2 0 3 部 分转变为吸湿性小的氧化铝翻。 3 晶型的转变y a l 2 0 3 在9 5 0 c 开始晶形的转变，逐渐由y a l 2 0 3 转 变为q a i 2 0 3 。q _ a l 2 0 3 在焙烧过程中随着温度的升高，结构逐渐紧密，颗粒变 得圆滑，颗粒间的聚结能力变小，流动性变好。但当焙烧温度升高到1 2 0 0 c 以上时， 氧化铝颗粒的形态发生急剧变化，由于再结晶的结果，在氧化铝的颗粒表面出现了小 的尖凹不平的突出部分，于是晶粒又变得租糙，晶粒间的聚结能力又有所增大，而流 动性和活性表面则有所减小c 2 3 i , y - - j 幽0 3 一a a i 也0 3 + 3 3 0 2k j m o l ( 3 2 3 7k j 压噜) a a 【，2 0 3 属于六方晶系，原子排列紧密，原子间距小，密度大，异常稳定，完 全不吸水，自然界产出的刚玉即属于此类。 以上所述便是在氢氧化铝焙烧过程中所发生的一系列物理化学变化。 2 3 传统的焙烧方式工艺评价 回转窑方式的传统焙烧工艺 图2 1 回转窑焙烧工艺1 3 1 皮带运输机2 氢氧化铝储仓3 螺旋饲料机4 窑尾5 焙烧窑6 冷却机7 收灰机8 氧化铝储仓9 - 鼓风机l o 空气预热器l1 - 储油罐1 2 。油泵1 3 油枪1 4 一一次旋风收尘器1 5 二次旋风收尘器1 6 一排风 机1 7 电收尘器1 8 烟囱1 9 集灰斗 氧化铝传统的焙烧方法是采用焙烧窑进行焙烧，氢氧化铝的焙烧窑的结构和水 泥工业中应用的回转窑的结构基本上是相同的。焙烧窑通常由下列部分构成：窑头罩、 窑体、窑尾罩、传动系统、托轮、挡轮、窑衬、窑内热交换器等。 在焙烧窑内根据物料的变化情况，通常可以划分为4 个带，即干燥带、脱水带、 烧成带、冷却带。 干燥带是窑尾端的低温部分，此处气流温度为3 0 0 - - 6 0 0 。c ，物料温度为4 0 一2 0 0 ，氢氧化铝所携带的附着水在此区域内蒸发。 华中科技大学硕士学位论文 = = = = j 目= l l ；= ；= = = l = l 目_ = = ；= ； ；= = 目= = 2 脱水带区域内的气流温度为6 0 0 - - - 1 0 5 0 c ，物料的温度为2 0 0 - - - 9 5 0 c 。氢氧化铝 的结晶水在此脱除，并转变为y a 1 ，2 0 3 。 烧成带是气流和物料温度最高的区域，气流温度为1 0 5 0 - - - 1 4 0 0 c ，物料温度为 9 5 0 - - - 1 2 5 0 ( 2 ，物料在这一带完成焙烧过程。 在冷却带内，烧好的氧化铝温度一般在9 5 0 。c 左右，然后经过下料口落入冷却机 内进行冷却。 回转窑加热粉状物料并不能创造良好的传热条件，因为在回转窑中基本是靠窑内 热气流来加热暴露的物料表面，同时靠热的窑壁加热紧贴窑壁的物料。而两个表面之 间的大量物料却不能直接与热的气流或者热的窑壁接触，因此回转窑焙烧氢氧化铝的 热利用率很低，而且废气带走大量的热量，造成了能量的浪费和能耗的增高。 2 4 典型的流态化焙烧工艺评价 目前国内广泛使用的氢氧化铝流态化焙烧装置，主要有德国鲁奇公司的循环流化 床焙烧炉简称循环炉和丹麦史密斯公司的气态悬浮焙烧炉简称悬浮炉两种。以下就这 两种焙烧工艺进行简单介绍。 2 4 1 鲁奇型焙烧炉的工艺过程 在整个氢氧化铝焙烧系统中，氢氧化铝的流动方向是从左向右，物料从进口处的 2 0 变为出口处的8 0 c ，在进口处是湿的氢氧化铝，在出口处是干燥的氧化铝。而空 气的流动方向是从右向左，进口处空气温度为6 5 ，在出口处烟气的温度为1 4 0 。 物料和空气的流程刚好相反。 含水的氢氧化铝经过螺旋给料机4 进入文丘里闪速干燥器5 。在文丘里干燥器内， 湿的氢氧化铝被来自旋风分离器3 的灼热气体吹散并迅速干燥，在入口处的气速达到 3 0 - 4 0 m s ，灼热气体的温度约为3 5 0 - - 4 0 0 c 。在文丘里干燥器内物料基本上脱除了附 着水。 l 一气力提升泵；扯电除尘：3 一旋风分离器；瑚旋给料机；5 _ 文丘里干燥器：6 一焙烧主炉 7 一膨胀仓；8 一干燥器；9 一旋风分离器：l o 一旋风分离器：1 1 一沸腾冷却器 图2 2 循环焙烧炉流程图7 3 随后物料通过气力提升泵1 将氢氧化铝送至膨胀仓7 ，物料在膨胀仓7 内运动速 度逐渐减缓，部分颗粒得到沉降。下一步物料进a - - 级文丘里干燥器8 进行干燥，二 级文丘里入口8 处的高温烟气来自焙烧主炉6 ，温度约为9 5 0 0 ，气体在此停留的时 间比较短，只有几秒种。随后物料进入旋风分离器进行分离并进入焙烧主炉6 ，物料 在二级文丘里和旋风分离器中进行变化主要是脱去2 个水分子成为一水合氧化铝。 在焙烧主炉内，上部、中部和下部的温度均为9 5 0 0 左右。物料从炉体的下部( 距 离布风板6 ，0 】米) 进入，加料点在燃烧器的上方。物料( 主要是一水合氧化铝) 在焙 烧主炉6 内主要是脱除一个水分子形成v 氧化铝，以及实现从y 氧化铝转变为a 氧化 铝的过程( 放热反应) 。高温的物料在经过脱除物理水、结晶水后进入高温旋风分离 器1 0 ，物料在焙烧主炉6 和高温旋风分离器1 0 之间会经过数次循环。 物料从高温旋风分离器1 0 下部分离出之后进入旋风分离器9 ，再由旋风分离器9 的锥部流入流态化冷却器1 1 ，进入流态化冷却器的物料的温度约为6 5 0 。氧化铝 的温度在流态化冷却器内逐步降到8 0 以下，最终进入成品贮运系统。其中流态化冷 华中科技大学硕士学位论文 t = = = ；= = 目= ；= = ；= = = = = 目= = = = = = = = = 一 却器共有六个室，前三个室为空气冷却，后三个室为水冷。 在流态化冷却器1 1 中，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6 下部送入，温度约为5 2 0 c ，而流态化空气在沸腾冷却器1 1 内经过预热， 作为二次风从焙烧主炉6 上部送入，二次风的温度为6 5 0 左右。从焙烧主炉出来的 高温灼热空气通过高温旋风分离器1 0 、干燥器8 、旋风分离器3 ，最终进入电除尘， 经过净化后排至大气。 而作为燃料的重油从焙烧主炉6 锥体下面的主燃烧器进入，经过蒸汽的雾化，同 时与预热的空气混合后进行燃烧，物料在主炉( 9 5 0 1 1 0 0 c ) 经过焙烧进入旋风筒，其 中焙烧过程平均停留时间为6 分钟左右。 以上所述即为在循环流化床焙烧炉内物料以及空气的流程。 循环流化床焙烧炉的主要设备及工艺技术如图2 2 所示，整个系统包括文丘里型 干燥器、旋风分离器、焙烧主炉、二级流化床冷却器、除尘和返尘系统等主要设备 2 4 3 。 】文丘里型干燥器 将含水量为1 0 左右的湿氢氧化铝送入文丘里型干燥器中，文丘里型干燥器中 的物料由气流送到旋风预热器中。 2 旋风分离器 对来自文丘里型干燥器的氢氧化铝进行预热。 3 焙烧炉 循环流化床焙烧炉和旋风分离器构成该反应器。焙烧炉是由耐火内衬构成，其中 用于助燃的空气在冷却器中被加热到5 2 0 。 预热的氢氧化铝从燃料入口上方进入反应器中，并在9 5 0 1 1 0 0 的温度下停留。 焙烧后的氧化铝由气流从焙烧炉输送到旋风分离器。在旋风分离器中，焙烧后的氧 化铝与热气体分离，并被输入到冷却器中。 4 燃烧系统 在焙烧炉中，采用重油作为燃料提供焙烧所需的热量。重油的燃烧是通过油喷嘴 ( 又称雾化器) 雾化成极细小的油液以增加燃料的表面积，受热后首先雾化成油蒸汽， 然后与氧气化合进行燃烧化学反应。 华中科技大学硕士学位论文 5 沸腾冷却器 沸腾冷却器分为2 级，第一级为空气冷却，作为一次风的空气经过沸腾冷却器预 热。第二级冷却为水冷，冷却水在管道内流动，流态化空气由床底送入，流态化空气、 冷却水和焙烧后的氧化铝之间产生热交换。最终将氧化铝的温度降低到8 0 左右。 氧化铝流态化焙烧炉较传统的回转窑有无可比拟的优势，因此，流态化焙烧炉在 我国氧化铝生产中得到了广泛应用。8 0 年代，无论是新建氧化铝厂还是老厂氢氧化铝 焙烧工序改造，都全部引进流态化焙烧炉。某些氧化铝厂也在谋求用流态化焙烧炉取 代回转窑，采用流态化焙烧炉焙烧氢氧化铝已成为我国氧化铝工业的发展趋势。 2 4 2 丹麦史密斯气态悬浮焙烧炉的工艺过程 图2 3 g s c 工艺流程图2 5 3 a 0 2 一文丘里闪速干燥器；p 0 1 0 2 一预热旋风筒；p 0 4 一焙烧炉主炉；p 0 3 一高温旋风分离器； c o l ，c 0 2 ，( 2 0 3 ，c 0 4 冷却旋风简；c 0 孓_ 电收尘返灰分离旋风筒；e s p 一电除尘；v 1 9 一主燃 烧器 - 1 5 华中科技大学硕士学位论文 湿氢氧化铝经螺旋喂入文丘里闪速干燥器a 0 2 ，被来自预热旋风简p 0 2 的热气体 吹散并迅速干燥后进入预热旋风筒p0 1 ；分离后的干氢氧化铝与高温旋风分离器p 0 3 出来的1 0 0 0 1 2 0 0 的热气体充分混合，进入预热旋风筒p 0 2 被预热及预焙烧，气 体进入电收尘，经净化后排至大气。 收集的粉尘经吹灰器进入电收尘返灰分离旋风简c 0 5 ，分离后的粉尘进入冷却旋 风筒c 0 2 ，气体进入电收尘入口管：从预热旋风筒p 0 2 分离出来的物料( 约3 2 0 3 6 0 ) 沿焙烧炉主炉p0 4 斜壁方向进入主炉p 0 4 。 作为燃料的煤气从焙烧炉主炉p 0 4 锥体下面的主燃烧器v 1 9 进入主炉，与经旋 风冷却器预热至8 0 0 9 0 0 c 的空气混合燃烧；物料在主炉( 1 1 0 0 1 2 0 0 c ) 1 为停留1s 或几s 就被高温气体从上部带入高温旋风分离器p0 3 。生成的氧化铝在p0 3 分离后进 入四级旋风冷却器( c o l c 0 4 ) 进行冷却，由冷却旋风筒c0 4 锥部( 约2 5 0 c ) 流入冷 却器( 用循环水间接冷却) ，使出料氧化铝温度降到8 0 c 以下进入成品贮运系统；来自 大气的冷空气( 冷风) 从冷却旋风简c 0 4 进入炉体逆流冷却氧化铝，同时自身被加热， 最终在焙烧炉主炉p0 4 参与燃烧。 以上所述即为在气态悬浮焙烧炉内物料以及空气的流程。 气体悬浮焙烧炉的主要设备及工艺技术如图所示，气体悬浮焙烧炉包括文丘里型 闪速干燥器、2 级旋风预热器、气体悬浮焙烧炉、多级( 4 级) 旋风冷却器、二次流 化床冷却器、除尘和返尘系统等主要设备。 1 文丘里闪速烘干器 将含水量为9 1 2 的湿氢氧化铝滤饼送入温度为6 0 9 0 c 的文丘里型闪速烘 干器中，闪速烘干器中的干料由气流送到旋风预热器中。 2 预热器 对来自闪速烘干器的干氢氧化铝进行预焙烧，并在旋风预热器中加热。预热至温 度为3 0 0 4 0 0 c 。 3 焙烧炉 气体悬浮焙烧炉和旋风分离器构成该反应器。焙烧炉是由耐火内衬的锥底圆柱形 容器构成。用于助燃的空气在冷却器中被加热到8 0 0 9 0 0 c 。为确保颗粒的悬浮，空 华中科技大学项士学位论文 气应以足够的速度从反应器的底部输入。 预热和部分焙烧的氢氧化铝从燃料入口上方与锥底平行地输入反应器中，并在 1 1 5 0 1 2 5 0 c 的温度下停留几秒钟。焙烧后的氧化铝由气流从焙烧炉输送到旋风分离 器。在旋风分离器中，焙烧后的氧化铝与热气分离，并被输入到冷却器中。 4 旋风冷却器 冷却器是一个4 级旋风冷却器。这些旋风冷却器垂直安装，设计紧凑。空气和 焙烧后的氧化铝之间产生热交换。 在温度约2 5 0 c 对，从一次旋风冷却器出来的氧化铝进入二次流化床冷却器，将 其温度从2 5 0 c 降低到8 0 c 。然后氧化铝通过逆流水间接冷却。 5 除尘 来自上部旋风预热器的粉尘由静电收尘器清除，所收集到的粉尘通过气动输送 系统从二次旋风冷却器返回到立管中。 对于砂状氧化铝来说，其氢氧化铝的最大粒度为1 5 0 2 0 0 um ，自由落体速度 小于lm s 。在焙烧炉内，由于与气体的线性速度相比，氧化铝颗粒的自由下落速 度较低，所以进入焙烧炉的所有物料在凡秒钟内以悬浮的气一固形式被送出， 从旋 风分离器到焙烧炉不会产生物料再循环。 焙烧炉中固体的停留时间与气体的流速和固体的浓度有关。颗粒的低速自由下落 和气体相应的高速运行导致物料在焙烧炉中的停留时间仅为几秒钟。当生产运行稳定 时，其物料停留时间也是稳定的。 气体悬浮焙烧炉系统的单位燃烧消耗大约为3 1 6 0 m j 吨a l 2 0 3 2 们。 2 4 3 流态化焙烧工艺的优势及发展趋势 目前世界上各国开发的3 种类型的流态化技术和装置，虽各有特点和优劣之别， 但均具有共同的技术经济先进性，与回转窑相比，流态化焙烧具有显著的优点。以下 是3 种流态化焙烧设备与传统回转窑焙烧方式的比较： a 热耗的比较，流态化焙烧的热耗约为3 1 3 2 m j & g ，每吨氧化铝可节省燃油 3 0 _ _ 4 5 k g ，较传统的回转窑热耗降低3 0 以上。国外回转窑焙烧热耗的先进水平约为 4 1 8 6 m j & g ，而国内回转窑焙烧的热耗约为5 2 3 m j & g 瞪刀。 华中科技大学硕士学位论文 b 焙烧程度的比较，流态化焙烧产品中不同粒径的氧化铝的焙烧程度均匀，相同 比表面积的a - - a l 2 0 3 含量低，在铝电解中溶解速度较快，可提高铝电解的电流效率。 c 破碎指数的比较，流态化焙烧的破碎指数不高，产品中 4 5 1 a 的部分增加 o _ - 4 ；但 15 p 的部分没有显著增加。 d 投资的比较，流态化焙烧的投资比回转窑焙烧的投资少，国外各公司发表的数 据为： 美国f f c 少5 0 一7 0 ； 西德c f c 少2 0 ； 法国g s c 少1 5 2 0 。 国内于1 9 8 3 年，以日产8 0 0 吨氧化铝的焙烧装置为例，根据实物工作量按当时 的国内价格计算，流态化焙烧装置的投资比回转窑少4 旺6 0 。 e 流态化焙烧装置的占地面积小，以日产8 0 0 吨的焙烧装置为例，仅是回转窑焙 烧装置的五分之一，建筑面积仅为三分之一至三分之二。 f 设备情况的比较，流态化焙烧炉设备简单，寿命长，维修费用低，。流态化焙 烧系统除了风机。油泵，给料设备之外，没有大型的转动设备。炉衬使用寿命长，可 达1 0 年以上。西德第一台焙烧炉使用1 3 年也没有更换，因此它的维修费用比较低， 据西德提供的c f c 焙烧炉的维修费用只是回转窑的3 5 。 g 对环境的污染的比较，流态化焙烧炉对环境的污染轻，。由于流态化焙烧炉燃 烧完全，过程空气系数低，废气中氧气的含量低( 1 2 ) ，废气中s 0 2 和n o x 的生 成量均要比回转窑焙烧低，对环境的污染轻，排入大气的烟气含尘量均小于 1 0 0 m g n m 3 。 h 自动化水平的比较，流态化焙烧炉的自动化水平较高。流态化焙烧炉较回转窑 易于实现自动化。集中分散计算机控制系统可完成全套装置的起动、生产控制、设备 保护、停车，可保障设备的安全运行和生产的均衡稳定进行。 基于流态化焙烧装置与回转窑相比，具有明显的优点和技术先进性，因此无论是 在国内还是在国外，氢氧化铝焙烧采用流态化焙烧技术和装置，已经成为必然的发展 趋势。 华中科技大学硕士学位论文 一= = = = ；= = = # i ；= = z 目目；_ _ = = ；= = = = ；= ；= 沸腾形式的焙烧可以使加热的物料在气流中悬浮，热气流与颗粒接触的表面积大 大增加，颗粒的所