淺析無水氟化鋁余熱利用節能技術改造

吳海峰，侯利芳

（多氟多化工股份有限公司，河南焦作454006）

工業技術

淺析無水氟化鋁余熱利用節能技術改造

吳海峰，侯利芳

（多氟多化工股份有限公司，河南焦作454006）

氟化鋁是電解鋁的重要助劑，也是近期不可替代的，為了適應發展，順應進步趨勢，節能降耗、降低成本是氟化鋁生產企業必經之路，目前降低能耗有兩種途徑，一是生產過程中減少能耗投入，二是綜合利用降低綜合消耗。多氟多化工股份有限公司就現有無水氟化鋁生產線作出了大量研究，發現現行工藝在降低投入上空間不大，綜合利用是有效方案。因此，針對公司年產6萬t無水氟化鋁生產裝置進行“余熱利用節能技術改造”，改造完成節省了大量電和天然氣消耗，不但不會造成新的污染，還可減少企業能源消耗，降低企業的生產成本，值得業內人士借鑒。

無水氟化鋁；節能；余熱利用

能源是人類生存和發展的重要物質基礎，隨著經濟發展和經濟規模的進一步擴大，能源需求還會持續較快地增加，這是當前和今后相當長一個時期內，制約經濟社會發展的突出瓶頸。為緩解能源瓶頸制約，就要千方百計增加供給，但能源資源是有限的，增加供給會受到各種條件的制約，根本出路是堅持開發與節約并舉、節能優先的方針，大力推進節能降耗，提高能源利用效率。作者依托多氟多化工股份有限公司年產6萬t無水氟化鋁生產裝置“余熱利用節能技術改造”成功實施經驗，淺析無水氟化鋁余熱利用節能技術改造案例，供業內人士學習和參考。

1 無水氟化鋁生產工序

無水氟化鋁生產主要分為兩個工段進行，第一步以硫酸（100%）和螢石［w（H2O）=0.1%］為原料生產無水氫氟酸，第二步以無水氫氟酸和氫氧化鋁［w（Al2O3）=100%］為原料生產無水氟化鋁。

無水氫氟酸生產：水分質量分數為12%～15%的濕螢石通過輸送機進入干燥爐干燥，從干燥爐出來的螢石［w（H2O）=0.1%］經螺旋輸送機進入反應爐，儲槽的硫酸（100%）經硫酸泵輸送到硫酸高位槽，經過流量計計量后進入反應爐，螢石和硫酸在反應爐里進行反應［1］，方程式如下：

反應生成的HF在爐尾負壓風機的作用下進入洗滌、冷凝、精餾、脫氣等凈化除雜系統，制得合格的氫氟酸。

無水氟化鋁生產：水分質量分數為10%～12%的濕氫氧化鋁通過輸送機進入干燥爐干燥，從干燥爐出來的氫氧化鋁［w（Al2O3）=100%］經螺旋輸送機進入流化床，在膨脹流化床反應器中與氫氟酸進行反應［2］，化學反應式為：

生成的無水氟化鋁從流化床反應器底部流出，在回轉式冷卻爐中冷卻后進入負壓輸送系統送至產品料倉，從料倉出來的產品經定量包裝系統包裝為產品［3］。

工藝流程圖見圖1。

圖1 無水氟化鋁生產工藝流程簡圖

2 技術改造方案

年產6萬t無水氟化鋁生產裝置 “余熱利用節能技術改造”，主要包括以下兩個工段改造［4］：1）利用無水氫氟酸工段高溫尾氣余熱干燥螢石改造；2）利用無水氟化鋁工段高溫尾氣余熱干燥氫氧化鋁改造。

2.1 螢石干燥項目

2.1.1 現狀及存在問題

螢石是生產無水氫氟酸的主要原料，目前公司采購的螢石水分質量分數為12%～15%，由于水分會使生產過程中設備腐蝕加劇和產品凈化成本增加，工藝要求螢石水分質量分數小于0.1%，所以螢石需要干燥后才能使用。

在干燥螢石的過程中，公司目前采用的是加熱窯分段間接加熱干燥，燃料為燃煤，由于螢石粒度較細，在干燥過程中極易粘壁，嚴重影響傳熱效果，導致進入干燥爐加熱室風溫度為550℃，干燥爐加熱室排出熱風溫度高達 350℃，造成熱量的極大浪費；同時從干燥爐出來的螢石物料溫度高達250℃，需要用冷卻水冷卻到常溫，然后再進入反應爐與硫酸反應，造成燃料、電力等能源的浪費。

在無水氫氟酸生產過程中，工藝要求反應溫度為380～400℃，目前硫酸和螢石的料溫是通過反應爐外面夾套內熱風熱量來保障的，由于硫酸和螢石反應過程中物料的特性，反應爐的內壁會出現嚴重粘壁現象，造成進入反應爐夾套的熱風溫度為550℃才能保證反應溫度，而熱風出反應爐夾套的溫度高達450℃，熱風所攜帶的熱量沒有利用直接排空，造成極大的浪費。

2.1.2 改造前工藝流程

1）螢石干燥流程。螢石的干燥是通過干燥爐外面3段加熱室里的熱風熱量來實現的，燃煤在3段燃燒室里與鼓風機鼓入的空氣結合、燃燒后，高溫熱風經熱風室通過干燥爐間接換熱干燥螢石后，排出的尾氣經旋風除塵器、脫硫尾氣處理合格后高空排放。

水分質量分數為12%～15%的濕螢石通過皮帶輸送機、螺旋輸送機進入干燥爐干燥，從干燥爐出來的高溫（250℃）螢石（H2O質量分數為0.1%）經螺旋輸送機進入冷卻爐，物料冷卻是通過在冷卻爐外壁噴淋冷卻水來實現的，從冷卻爐出來的螢石經負壓風送系統進入到螢石料倉內，再經定量包裝系統包裝后用于生產無水氫氟酸。

2）無水氫氟酸生產工藝流程。經過干燥脫水后的干螢石（H2O質量分數為0.1%）通過負壓輸送系統進入螢石計量倉，經失重秤計量后通過螢石進料螺旋進入反應爐，儲槽的硫酸（100%）經硫酸泵輸送到硫酸高位槽，經過流量計計量后進入反應爐，螢石和硫酸在反應爐里進行反應，方程式如下：

CaF2+H2SO4

→2HF+CaSO4

反應生成的HF在爐尾負壓風機的作用下進入洗滌、冷凝、精餾、脫氣等凈化除雜系統，制得合格的無水氫氟酸，從凈化除雜系統排出的含有極少量HF的尾氣經堿液吸收處理合格后高空排放；反應生成的石膏經反應爐尾部出料螺旋排出后外售用于建材行業。

2.1.3 技術路線及改造方案

1）技術路線。逆向動態氣流直接干燥技術是國內比較成熟的技術，廣泛用于化工、煤炭等行業，技術可靠度較高；目前國內干燥行業逆向動態氣流直接干燥技術熱效率為60%～70%，從改造前螢石干燥和無水氫氟酸生產物料和能量平衡可知，螢石干燥需要的理論熱量為10 818 117.05 kJ/h，每小時無水氫氟酸生產排出的高溫煙道尾氣熱量為32 886 240 kJ/h，僅回收其中的50.60%即可滿足干

圖2 螢石干燥工藝流程簡圖

2.1.5 節能測算

電：從改造前后設備用能、設備裝機功率和運行負荷可以看出，改造前螢石干燥生產設備裝機功率為493 kW·h，運行負荷為388 kW·h；改造后螢石干燥和氫氟酸生產設備裝機功率為176.5 kW·h，運行負荷為142.5 kW·h；按每年生產7 200 h計，每年可節約電力1 767 600 kW·h，目前火電行業每生產1 kW·h電能消耗標煤350 g，1 767 600 kW·h折合標煤618.66 t。

原煤：從改造前螢石干燥和無水氫氟酸生產物料和熱量衡算可以看出，改造前螢石干燥工段需供給的熱量為31 961 111.11 kJ/h，按原煤平均發熱量20 920.00 kJ/kg計，每年需耗原煤11 000 t，折合標煤7 857.14 t；改造后螢石干燥工段利用無水氫氟酸生產高溫煙道尾氣余熱，不再消耗原煤，故每年可減少燃料原煤折合標煤7 857.14 t。

綜上所述，本項目實施后，每年可節約電力1 767 600 kW·h，折合標煤618.66 t；每年節約燃煤11000 t，折合標煤7857.14 t，合計折合標煤8475.80 t。

2.2 氫氧化鋁干燥項目

2.2.1 現狀及存在問題

氫氧化鋁是生產無水氟化鋁的主要原料，目前公司采購的氫氧化鋁水質量分數為10%～12%，根據生產工藝的需要，氫氧化鋁在進入流化床之前必須將氫氧化鋁的附著水和結合水脫除（相對附著水來說結合水更難脫除）。

在干燥氫氧化鋁的過程中，公司目前采用的是加熱窯分段間接加熱干燥的方式，燃料為天然氣，由于氫氧化鋁粒度較細，在干燥過程中極易粘壁，嚴重影響傳熱效果，導致進入干燥爐加熱室風溫度為600℃，干燥爐加熱室排出熱風溫度高達400℃，造成熱量的極大浪費；同時由于工藝流程不合理，從干燥爐出來的物料溫度高達300℃，不能直接裝袋，需要用冷卻水冷卻到常溫，然后再進入氟化鋁流化床反應器與無水氫氟酸反應，造成燃料、電力等能源的浪費［5］。

在氫氧化鋁（Al2O3質量分數為100%）和氫氟酸在流化床內通過流化反應制備無水氟化鋁的生產過程中，由于反應是一個放熱反應，反應式為：流化床反應器會產生大量的熱能，反應溫度在600℃，為了保證物料充分接觸，減少反應死角區域，流化床反應器流化反應要求一定的風速，每小時要外排約150 000 m3550℃的高溫尾氣，這部分熱量沒有被利用直接進入尾氣洗滌系統，造成熱量極大的浪費。

2.2.2 改造前工藝流程

氫氧化鋁的干燥脫水是通過干燥爐外面3段加熱室里的熱風熱量來實現的，天然氣與適量的空氣通過燃燒器燃燒，燃燒后的高溫熱風經熱風室通過干燥爐間接換熱干燥氫氧化鋁后，排出的尾氣經旋風除塵器、脫硫尾氣處理合格后高空排放。

水分質量分數為10%～12%的濕氫氧化鋁通過皮帶輸送機、螺旋輸送機進入干燥爐干燥，從干燥爐出來的高溫（350℃）氫氧化鋁（Al2O3質量分數為100%）經螺旋輸送機進入冷卻爐，物料冷卻是通過在冷卻爐外壁噴淋冷卻水來實現的，從冷卻爐出來的氫氧化鋁經負壓輸送系統進入到氫氧化鋁料倉內，再經定量包裝系統包裝后用于生產無水氟化鋁，氫氧化鋁干燥脫水化學反應方程式如下：無水氟化鋁工藝流程：脫水后的氫氧化鋁（Al2O3質量分數為100%）通過負壓輸送系統進入氫氧化鋁計量倉，經失重秤計量后通過進料螺旋進入流化床，在膨脹流化床反應器中與氫氟酸進行反應，化學反應式為：

2.2.3 技術路線及改造方案

1）技術路線。逆向動態氣流直接干燥技術是國內比較成熟的技術，廣泛用于化工、煤炭等行業，技術可靠度較高；目前國內干燥行業逆向動態氣流直接干燥技術熱效率為60%～70%，從改造前氫氧化鋁干燥和無水氟化鋁生產物料和能量平衡可知，氫氧化鋁干燥需要的理論熱量為15 916 888.70 kJ/h，無水氟化鋁生產排出的高溫煙道尾氣熱量為31 589 200 kJ/h，僅回收其中的72.61%即可滿足干燥氫氧化鋁需要。本項目改造擬選用逆向動態氣流直接干燥技術。

2）改造方案。利用無水氟化鋁生產過程中從流化床反應器排出的大量高溫（550℃）尾氣余熱，將兩臺氫氧化鋁干燥脫水裝置取代掉，在氟化鋁流化床反應器和尾氣洗滌除雜凈化系統之間增設4臺高鎳基特種合金流化床干燥器，采用逆向動態氣流直接干燥技術對氫氧化鋁進行干燥，解決目前氫氧化鋁干燥因采用間接加熱，熱效率低、生產不連續、耗能高的現狀，滿足生產4萬t/a氫氧化鋁干燥脫水需要。

2.2.4 改造后氫氧化鋁干燥生產工藝

氫氧化鋁干燥煅燒工藝流程：原干燥爐裝置停用，不再單獨進行干燥。

水分質量分數為10%～12%的濕氫氧化鋁依次進入一級、二級流化床干燥器，與來自氟化鋁流化床的高溫尾氣逆向直接加熱干燥脫去水分后進入氟化鋁流化床反應器，在膨脹流化床反應器中與氫氟酸進行反應，化學反應式為：

生成無水氟化鋁從流化床反應器底部流出在回轉式冷卻爐中冷卻后進入負壓輸送系統送至產品料倉，從料倉出來的產品經定量包裝系統包裝為產品；從流化床高溫尾氣依次進入二級流化床干燥器，干燥煅燒脫去氫氧化鋁的水分后進入尾氣洗滌系統，在尾氣洗滌系統中被冷卻并除去其中HF，處理合格的尾氣通過煙囪高空排放，工藝流程見圖3。

圖3 無水氟化鋁生產工藝流程簡圖（改造后）

2.2.5 節能量測算

1）電。改造前氫氧化鋁干燥生產設備裝機功率為342 kW·h，運行負荷為253 kW·h；改造后氫氧化鋁干燥設備淘汰；按每年生產7 200 h計，每年可節約電力182.16萬kW·h，折合標煤637.56 t。

2）天然氣。從改造前氫氧化鋁干燥和無水氟化鋁生產物料和能量平衡可知，螢石干燥需要的理論熱量為15 916 888.70 kJ/h，每小時無水氫氟酸生產排出的高溫煙道尾氣熱量為31 589 200 kJ/h，熱效率為50.39%，遠遠低于行業內數值，因此改造方案是完全可行的。

改造前氫氧化鋁干燥工段需供給的熱量為52 079 921.6 kJ/h，按天然氣平均發熱量35 564 kJ/m3計，每小時耗天然氣 1 464 m3，每年需耗天然氣1.054 4×107m3，折合標煤12 803.93 t；改造后氫氧化鋁干燥工段停用，利用從流化床反應器排出的高溫尾氣干燥氫氧化鋁，不再消耗天然氣，故每年可節約天然氣1.054 4×107m3，折合標煤12 803.93 t。

3 結論與建議

利用無水氫氟酸工段高溫尾氣干燥螢石。螢石干燥采用間接加熱，燃料為原煤，熱效率較低；無水氫氟酸生產過程中從反應爐夾套排出的大量煙道高溫（450℃）尾氣余熱沒有利用，造成浪費。改造項目利用無水氫氟酸生產過程中從反應爐夾套排出的大量煙道高溫（450℃）尾氣余熱，采用逆向動態氣流直接干燥技術對螢石進行干燥，生產干螢石10萬t/a （H2O質量分數為0.1%），可節約原煤11 000 t/a，電1.767 6×106kW·h/a，合計折合標煤8 475.80 t/a。

利用無水氟化鋁工段高溫尾氣干燥氫氧化鋁。氫氧化鋁干燥采用間接加熱，燃料為天然氣，熱效率較低；無水氟化鋁生產過程中從流化床反應器排出的大量高溫（550℃）尾氣余熱沒有利用，造成浪費。改造項目利用無水氟化鋁生產過程中從流化床反應器排出的大量高溫（550℃）尾氣余熱，采用逆向動態氣流直接干燥技術對4.0萬t/a氫氧化鋁進行干燥（Al2O3質量分數為 100%），可節約天然氣1.054 5×107m3/a、電1.821 6×106kW·h/a，合計折合標煤13 441.49 t/a。

項目實施后，螢石干燥工段減少使用原煤11 000 t/a，電1.767 6×106kW·h/a；氫氧化鋁干燥工段減少使用天然氣 1.054 5×107m3/a，電 1.821 6× 106kW·h/a。以上兩項綜合減少使用原煤、天然氣、電等能源折合標煤 21 917.29 t/a，同時減排粉塵5 479 t、二氧化硫361.63 t、二氧化碳54 792 t。

公司余熱利用節能技術改造項目的實施，不但不會造成新的污染，還可極大地改善工廠環境和周圍環境，減少企業能源消耗，降低企業的生產成本，增加企業收入，促進企業的健康發展，符合國家產業政策，有助于緩解政府能源供應和建設壓力，對減少廢氣污染、保護環境也有巨大的現實意義，值得業內人士借鑒。

［1］ 丁運玲.無水氫氟酸生產工藝改進研究［J］.石油和化工設備，2015，18（8）：82-84.

［2］ 吳海峰，侯利芳.無機氟化工氟資源綜合利用發展現狀與建議［J］.無機鹽工業，2011，43（12）：9-11.

［3］ 許新芳，張明軍，李長明，等.無水氟化鋁生產工藝及優化改造［J］.河南化工，2016（5）：39-42.

［4］ 黃曉杰，郝建偉，王礦賓.化工工藝生產中的節能方法研究［J］.化工管理，2015（20）：218.

［5］ 皇甫根利，侯紅軍，郝義鋒，等.無水氟化鋁對電解鋁生產的有利因素分析［J］.輕金屬，2009（2）：31-33.

聯系方式：HF6710@163.com

Analysis on energy saving technology of waste heat of anhydrous aluminum fluoride

Wu Haifeng，Hou Lifang
（Do-Fluoride Chemicals Co.，Ltd.，Jiaozuo 454006，China）

Aluminum fluoride is an important additive of electrolytic aluminum，and irreplaceable recently.In order to adapt to the development and trend of progress，energy saving and cost reduction are the only way that aluminum fluoride production enterprises must be passed to reduce energy consumption at present.There are two ways，one is to reduce the energy consumption of the production process，and the other is the comprehensive utilization to reduce comprehensive consumption.Do-Fluoride Chemiacls Co.，Ltd.has made a lot of research on the existing anhydrous aluminum fluoride production line，and found that there was not much room to reduce investment on current process，and comprehensive utilization was an effective program.Therefore，according to the company′s 60 000 t/a aluminum fluoride production equipment，a technological transformation of waste heat utilization was carried out.The completion of the transformation has saved a lot of electricity and natural gas consumption，not only will not cause new pollution，but also can reduce the energy consumption，as well as the production cost of enterprises，so it is worth using for the reference to the insiders of the industry.

anhydrous aluminium fluoride；energy conservation；waste heat utilization

TQ133.1

A

1006-4990（2017）04-0041-05

2016-10-17

吳海峰（1983— ），男，本科，工程師，主要從事無機氟化物研發與產業化工作，已發表論文5篇，獲得科技進步獎11項。