氧化铝焙烧系统热能回收利用

氧化铝焙烧系统热能回收利用
阳志洪;刘莉娜
【摘要】针对我国引进的氧化铝气态悬浮焙烧系统中输出成品氧化铝及外排烟气中热能回收利用、降低氧化铝生产热耗指标进行了测试分析,同时优化了对外排烟气热能利用系统设计夹套装置,达到节能降耗目的.
【期刊名称】《有色金属设计》
【年(卷),期】2011(038)002
【总页数】3页(P30-32)
【关键词】氧化铝;焙烧炉;气态悬浮;热利用
【作者】阳志洪;刘莉娜
【作者单位】贵阳铝镁设计研究院,贵州贵阳,550081;贵阳铝镁设计研究院,贵州贵阳,550081
【正文语种】中文
【中图分类】TF806.1
氧化铝焙烧是氧化铝生产的最后一道工序。

焙烧是指氢氧化铝在高温条件下脱去附着水和结晶水，并完成部分γ－Al2O3到α－Al2O3的转变，使之成为适合电解铝要求的氧化铝的过程。

氧化铝焙烧是一个强烈的吸热反应，能耗占整个氧化铝生产总能耗的13% ～16%[1]。

20世纪中叶以前，世界上普遍采用传统的带圆筒冷却机的回转窑作为氧化铝焙烧设备。

此种设备生产效率低、能耗高、污染重、劳动条件差、技术落后，现已大部
分被流态化焙烧炉所取代[2]。

当今国际上先进的流态化焙烧技术有:美国铝业公司
流态化闪速焙烧炉(FFC)、德国鲁奇公司循环流态化焙烧(CFC)、丹麦史密斯公司气体悬浮焙烧(GSC)。

笔者对我国引进的氧化铝气态悬浮焙烧系统中输出成品氧化铝及外排烟气中热能回收利用、降低氧化铝生产热耗各项指标进行了测试分析。

同时优化了对外排烟气热能利用系统设计夹套装置，达到了节能降耗目的。

成品过滤氢氧化铝(含水率8% ～12%)由喂料机送入文丘里干燥器，与炉内烟气(约380℃)换热干燥，脱除附着水及部分结晶水后，进入一级旋风分离器进行分离。

废气(约160℃)经电收尘器除尘达标后排放。

干燥的氢氧化铝进入焙烧主炉焙烧。

焙烧主炉温度控制在1 050～1 150℃之间，氧化铝在内停留数 s[3]后排出，依次通过4级旋风冷却器进行冷却，温度降至240～260℃后经一级流态床冷却机进一步冷却至50～60℃后输出。

整个过程均在负压操作中完成。

根据能量守恒定理，热能收入包含燃料燃烧热、燃料物理热、系统空气显热、氢氧化铝本身及其附着水显热;热能支出则包含末级冷却器(CO4)出口氧化铝带出热、氢氧化铝附着水蒸发耗热、氢氧化铝本身分解耗热、总的烟气带走热能以及焙烧炉系统总散热。

下面以生产吨氧化铝为基准，选用煤层瓦斯气为焙烧燃料(发热值:～14.0 MJ/Nm3)进行热平衡测试计算，结果如表1所示:
由表1看出:燃料燃烧发出的热能除提供氢氧化铝附着水蒸发耗热及本身分解耗热外，其余热能分别被成品氧化铝、系统外排烟气及焙烧炉散热带走，它们分别占热能支出的7.77%、14.22%和5.37%。

(1)成品氧化铝热能回收利用。

焙烧结束的氧化铝颗粒经过四级旋风冷却器冷却后
温度从1 050～1 150℃降至240～260℃，输出成品氧化铝的胶带输送机所承受
的最高温度不宜超过60℃，故氧化铝颗粒需进一步降温，然而若继续采用旋风冷
却的方式，冷却效率极低，不能达到冷却效果。

因此选用一级流化床冷却机，采用
循环水间接换热，将物料冷却至50～60℃后输出。

在此过程中，成品氧化铝释放的热能:
成品氧化铝中α－ Al2O3含量约占5%～25%，其余为γ—Al2O3。

根据各自的
比热公式:
α—Al2O3:Cp1=(1.131+1.21 × 10－4T－36235 T－2)MJ/(t·K)，
γ—Al2O3:Cp2=(1.13+1.91 × 10－4T－33147T－2)MJ/(t·K)，有:
以某氧化铝厂实测数据为例，成品氧化铝中α－ Al2O3:6.7%，γ—Al2O3:93.3%;氧化铝颗粒进出流化床冷却机温度分别为:t1=260℃，t2=55℃，因此在冷却过程中，氧化铝释放的热能:
循环水吸收此部分热能后在冷却塔中将其释放后排入大气，如此反复实现循环。

1 400 t/d氧化铝焙烧炉每d排入大气的热能:
Q'=1 400*199.45=279 230 MJ
相当于279 230/14.0=19 945 Nm3燃料瓦斯气燃烧放出的热能。

众所周知，流化床冷却机工作机理为流态化的氧化铝物料与冷却水间接换热，彼此不存在直接接触，相互不造成污染。

因此完全可以将现行使用的冷却循环水改用氧化铝厂区或热电厂区需要持续加热的其他介质取代。

这样，既能达到成品氧化铝的冷却效果，又可将此部分热能回收利用，同时还可以减少蒸汽对大气的污染。

现某氧化铝厂已经使用锅炉用低除盐水替代循环冷却水，使除盐水温度提升30℃左右，为热电厂减少大量能源消耗，取得了较好的经济效益。

(2)外排烟气热能利用。

焙烧过程产生的废气经电收尘出口的ID风机排入大气，排空管为钢制管道。

外排烟气温度 T=－160℃，热能 Q=462.127 MJ/t－AO。

设计一个套管换热器，结构形式如图1所示:
该换热器由内套管和外套管组成。

内套管为原有钢管烟囱，外套管为一段新加钢管，内径大概是烟囱内径的1.05～1.1倍。

外套管内走冷态介质，与内套管中烟气进行
逆流间接换热。

烟囱内烟气的热能通过热传导形式传递给管外的冷态介质，使冷介质温度升高，达到回收热能的目的。

这种冷介质可以是生产中需要升温的冷凝水或母液等。

通过设计这样一个夹套装置，既可将烟气中热能回收，又不会影响整个焙烧负压系统，也不会给ID风机带来额外的负荷。

以1 400 t/d焙烧炉为例，若将外排烟气温度降至130℃以下，每d至少可回收的烟气热能MJ，相当于90 300/14.0=6 450 Nm3燃料瓦斯气燃烧放出的热能。

值得注意的是，由于烟气含有SO2、H2O、CO2、N2等多种成分，当温度过低时，会在烟道中形成酸雾现象，严重腐蚀钢制烟囱影响生产。

故烟气温度不可低于烟气露点温度。

利用氧化铝生产系统待升温介质替代循环冷却水对成品氧化铝进行冷却，既可以将氧化铝中热能进行回收，降低氧化铝生产的单位能耗;又可减少循环水冷却塔对大气的蒸汽污染。

同时可取消焙烧循环水系统，节省设备一次投资及生产运行成本。

设计套管换热器对外排烟气进行热能回收，同样能达到节能减排的目的和效果。

【相关文献】
[1]李玉宏，姚昌仁.氧化铝循环焙烧炉的节能实验[J].有色冶金节能，1998(6).
[2]符岩，张阳春.氧化铝厂设计[M].北京:冶金工业出版社.2008.
[3]阎鼎欧.氧化铝生产[M].长沙:中南工业大学出版社.1986.。