粉煤灰制取氧化鋁焙燒工藝模擬分析

(廣東省節(jié)能中心，廣州 510030)

0 引 言

粉煤灰(fly ash)是燃煤電廠排放的廢棄物，其主要成分是SiO2和A12O3，其中高鋁粉煤灰中A12O3的含量高達(dá)40%左右，相當(dāng)于我國中級(jí)品位鋁土礦中氧化鋁的含量。[1-3]我國的鋁土礦資源嚴(yán)重短缺，而煤炭資源十分豐富，因此用粉煤灰作為原料來制取A12O3，不僅可以拓展粉煤灰的利用前景，還能為我國鋁業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供新的途徑。[2]

目前，國內(nèi)較常用的是石灰石燒結(jié)法[1]、硫酸銨燒結(jié)法[2]、酸浸取法[3]提取粉煤灰中的氧化鋁，但提取率較低。文中采用的是改良的酸堿聯(lián)合法，從粉煤灰中溶出AlCl3·6H2O，然后焙燒得到冶金級(jí)γ-A12O3。

焙燒過程采用ASPEN PLUS[4]軟件進(jìn)行模擬計(jì)算與分析，對(duì)物料與熱量平衡進(jìn)行了核算，對(duì)焙燒反應(yīng)的熱力學(xué)特性進(jìn)行了系統(tǒng)研究。最后，對(duì)煙氣中二惡英的形成機(jī)理與控制防治進(jìn)行了分析研究。

1 焙燒過程的模擬分析

1.1 模擬工況

文中以某項(xiàng)目為參照，焙燒單元的進(jìn)料組分見表1。

表1進(jìn)料組分分析

燃料采用柴油，空氣助燃。流化風(fēng)采用空氣流化。

為了簡(jiǎn)化模擬過程，有如下的假定：

(1)不考慮沿程管道壓力損失；

(2)不考慮物料中鐵等雜質(zhì)鹽的反應(yīng)；

(3)模擬過程為穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。

1.2 焙燒過程模擬計(jì)算

AlCl3·6H2O焙燒成γ-A12O3的過程非常復(fù)雜，AlCl3·6H2O結(jié)晶鋁鹽在200 ℃條件下的分解熱是2.041 MJ/kg[5]，是一個(gè)吸熱過程。

焙燒物料發(fā)生的主要反應(yīng)為：

2AlCl3·6H2O→Al2O3+6HCl+9H2O

(1)

C16H32+24O2→16CO2+16H2O

(2)

從式(1)中可以看出，焙燒反應(yīng)會(huì)生成大量HCl與H2O的氣體，在低溫條件下產(chǎn)生鹽酸酸霧，對(duì)設(shè)備及管道產(chǎn)生嚴(yán)重腐蝕，因此需要特別考慮鹽酸的腐蝕問題。

另外，焙燒反應(yīng)生成的A12O3顆粒極細(xì)，容易從設(shè)備中逃逸出來，因此也需要特別考慮設(shè)備的密封問題。

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1.3 模擬計(jì)算結(jié)果分析

模擬計(jì)算結(jié)果見表2。

表2焙燒循環(huán)流化床綜合參數(shù)對(duì)比

從表2中可以看出，低溫焙燒流化床消耗的柴油量是最多的，這是因?yàn)榈蜏乇簾骰彩亲钪饕挠坞x水脫除、焙燒反應(yīng)發(fā)生的場(chǎng)所。在低溫焙燒流化床中，在300 ℃以上的溫度條件下，首先所有的游離水被蒸發(fā)脫除，然后AlCl3·6H2O中的結(jié)晶水也跟著脫除，并發(fā)生式(1)的化學(xué)反應(yīng)。大量的HCl氣體在此產(chǎn)生，為防止HCl氣體泄露，因此將低溫焙燒流化床設(shè)置為負(fù)壓運(yùn)行。

3個(gè)不同負(fù)荷比條件下的煙氣量(單位：Nm3/h)、柴油消耗量(單位：kg/h)與助燃空氣消耗量(單位：Nm3/h)的趨勢(shì)圖分別如圖1-3所示。

圖1 不同負(fù)荷比下煙氣量趨勢(shì)圖

圖2 不同負(fù)荷比下柴油消耗量趨勢(shì)圖

圖3 不同負(fù)荷比下助燃空氣消耗量趨勢(shì)圖

高溫焙燒流化床主要是將生成的A12O3焙燒成冶金級(jí)的γ-A12O3的場(chǎng)所，因此需要將溫度維持在1 000 ℃以上，其煙氣中HCl氣體的含量也是很低的，見表3。

表3焙燒循環(huán)流化床出口煙氣組分對(duì)比

2 煙氣中二惡英的污染防治研究

二惡英是氯代二苯并二惡英(PCDDs)和氯代二苯并呋喃(PCDFs)的總稱，是世界公認(rèn)的強(qiáng)致癌物質(zhì)[6-7]，其主要來源是含氯固體廢物的焚燒和含氯化工產(chǎn)品生產(chǎn)過程中[7]。

2.1 二惡英的產(chǎn)生機(jī)制

在焙燒過程中，主要會(huì)在低溫焙燒流化床內(nèi)產(chǎn)生二惡英。這是由于低溫焙燒爐內(nèi)溫度為300 ℃左右，在較低的溫度下，導(dǎo)致含氯化合物不完全分解形成二惡英，隨煙氣排出。另外，煙氣溫度在200～300 ℃左右時(shí)，氯化氫和單質(zhì)氯在粉塵的催化作用下與碳?xì)浠衔锓磻?yīng)生成二惡英。

二惡英類物質(zhì)在焙燒爐的煙氣中主要以兩種狀態(tài)存在[7]：吸附在A12O3粉塵顆粒物表面，或者直接以氣態(tài)直接游離在煙氣中。A12O3粉塵在二惡英的形成過程中起著非常重要的作用，它不僅提供了反應(yīng)場(chǎng)所，同時(shí)含有氯元素和各種金屬元素，提供了二惡英形成的物質(zhì)和催化劑，絕大部分的二惡英吸附在A12O3粉塵表面。

焙燒過程中煙氣、A12O3粉塵對(duì)二惡英排放的貢獻(xiàn)順序?yàn)椋篈12O3粉塵>煙氣，因此對(duì)A12O3粉塵中二惡英的研究很有必要，以便為A12O3粉塵的安全處置提供重要依據(jù)。

2.2 二惡英的污染控制

焙燒過程采取循環(huán)流化床技術(shù)處理，能夠有效控制二惡英的生成：

(1)低溫焙燒流化床的溫度控制在300 ℃以上，避開二惡英的生成溫度，并延長(zhǎng)停留時(shí)間。并在低溫焙燒流化床設(shè)置二燃室使前段煙氣中的二惡英充分分解；

(2)高溫焙燒流化床的溫度控制在1 000 ℃以上，至少停留2 s，取合適的過量空氣系數(shù)，使A12O3焙燒完全；

(3)添加含硫的有機(jī)物混合焚燒，硫能夠抑制二惡英得生成。

3 結(jié)束語

(1)考慮采用不同的物性方法與計(jì)算模型，對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較驗(yàn)證分析；

(2)考慮用更符合實(shí)際參數(shù)的物性數(shù)據(jù)，驗(yàn)證分析所得到的計(jì)算結(jié)果；

(3)將流化風(fēng)、冷卻水等其他影響計(jì)算結(jié)果的參數(shù)加入到計(jì)算模型中去，得到更準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果。