粉煤灰制取氧化鋁焙燒工藝模擬分析

(廣東省節能中心，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40%左右，相當于我國中級品位鋁土礦中氧化鋁的含量。[1-3]我國的鋁土礦資源嚴重短缺，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，還能為我國鋁業的可持續發展提供新的途徑。[2]

目前，國內較常用的是石灰石燒結法[1]、硫酸銨燒結法[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合法，從粉煤灰中溶出AlCl3·6H2O，然后焙燒得到冶金級γ-A12O3。

焙燒過程采用ASPEN PLUS[4]軟件進行模擬計算與分析，對物料與熱量平衡進行了核算，對焙燒反應的熱力學特性進行了系統研究。最后，對煙氣中二惡英的形成機理與控制防治進行了分析研究。

1 焙燒過程的模擬分析

1.1 模擬工況

文中以某項目為參照，焙燒單元的進料組分見表1。

表1進料組分分析

燃料采用柴油，空氣助燃。流化風采用空氣流化。

為了簡化模擬過程，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鹽的反應；

(3)模擬過程為穩態運行。

1.2 焙燒過程模擬計算

AlCl3·6H2O焙燒成γ-A12O3的過程非常復雜，AlCl3·6H2O結晶鋁鹽在200 ℃條件下的分解熱是2.041 MJ/kg[5]，是一個吸熱過程。

焙燒物料發生的主要反應為：

2AlCl3·6H2O→Al2O3+6HCl+9H2O

(1)

C16H32+24O2→16CO2+16H2O

(2)

從式(1)中可以看出，焙燒反應會生成大量HCl與H2O的氣體，在低溫條件下產生鹽酸酸霧，對設備及管道產生嚴重腐蝕，因此需要特別考慮鹽酸的腐蝕問題。

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

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1.3 模擬計算結果分析

模擬計算結果見表2。

表2焙燒循環流化床綜合參數對比

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，這是因為低溫焙燒流化床是最主要的游離水脫除、焙燒反應發生的場所。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脫除，然后AlCl3·6H2O中的結晶水也跟著脫除，并發生式(1)的化學反應。大量的HCl氣體在此產生，為防止HCl氣體泄露，因此將低溫焙燒流化床設置為負壓運行。

3個不同負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)的趨勢圖分別如圖1-3所示。

圖1 不同負荷比下煙氣量趨勢圖

圖2 不同負荷比下柴油消耗量趨勢圖

圖3 不同負荷比下助燃空氣消耗量趨勢圖

高溫焙燒流化床主要是將生成的A12O3焙燒成冶金級的γ-A12O3的場所，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焙燒循環流化床出口煙氣組分對比

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，是世界公認的強致癌物質[6-7]，其主要來源是含氯固體廢物的焚燒和含氯化工產品生產過程中[7]。

2.1 二惡英的產生機制

在焙燒過程中，主要會在低溫焙燒流化床內產生二惡英。這是由于低溫焙燒爐內溫度為300 ℃左右，在較低的溫度下，導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，氯化氫和單質氯在粉塵的催化作用下與碳氫化合物反應生成二惡英。

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

焙燒過程中煙氣、A12O3粉塵對二惡英排放的貢獻順序為：A12O3粉塵>煙氣，因此對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。

2.2 二惡英的污染控制

焙燒過程采取循環流化床技術處理，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，并延長停留時間。并在低溫焙燒流化床設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，使A12O3焙燒完全；

(3)添加含硫的有機物混合焚燒，硫能夠抑制二惡英得生成。

3 結束語

(1)考慮采用不同的物性方法與計算模型，對計算結果進行比較驗證分析；

(2)考慮用更符合實際參數的物性數據，驗證分析所得到的計算結果；

(3)將流化風、冷卻水等其他影響計算結果的參數加入到計算模型中去，得到更準確的計算結果。