粉煤灰制取氧化铝焙烧工艺模拟分析

(广东省节能中心，广州 510030)

0 引 言

粉煤灰(fly ash)是燃煤电厂排放的废弃物，其主要成分是SiO2和A12O3，其中高铝粉煤灰中A12O3的含量高达40%左右，相当于我国中级品位铝土矿中氧化铝的含量。[1-3]我国的铝土矿资源严重短缺，而煤炭资源十分丰富，因此用粉煤灰作为原料来制取A12O3，不仅可以拓展粉煤灰的利用前景，还能为我国铝业的可持续发展提供新的途径。[2]

目前，国内较常用的是石灰石烧结法[1]、硫酸铵烧结法[2]、酸浸取法[3]提取粉煤灰中的氧化铝，但提取率较低。文中采用的是改良的酸碱联合法，从粉煤灰中溶出AlCl3·6H2O，然后焙烧得到冶金级γ-A12O3。

焙烧过程采用ASPEN PLUS[4]软件进行模拟计算与分析，对物料与热量平衡进行了核算，对焙烧反应的热力学特性进行了系统研究。最后，对烟气中二恶英的形成机理与控制防治进行了分析研究。

1 焙烧过程的模拟分析

1.1 模拟工况

文中以某项目为参照，焙烧单元的进料组分见表1。

表1进料组分分析

燃料采用柴油，空气助燃。流化风采用空气流化。

为了简化模拟过程，有如下的假定：

(1)不考虑沿程管道压力损失；

(2)不考虑物料中铁等杂质盐的反应；

(3)模拟过程为稳态运行。

1.2 焙烧过程模拟计算

AlCl3·6H2O焙烧成γ-A12O3的过程非常复杂，AlCl3·6H2O结晶铝盐在200 ℃条件下的分解热是2.041 MJ/kg[5]，是一个吸热过程。

焙烧物料发生的主要反应为：

2AlCl3·6H2O→Al2O3+6HCl+9H2O

(1)

C16H32+24O2→16CO2+16H2O

(2)

从式(1)中可以看出，焙烧反应会生成大量HCl与H2O的气体，在低温条件下产生盐酸酸雾，对设备及管道产生严重腐蚀，因此需要特别考虑盐酸的腐蚀问题。

另外，焙烧反应生成的A12O3颗粒极细，容易从设备中逃逸出来，因此也需要特别考虑设备的密封问题。

阿花这时出来了，一如贵妃出浴，诧现我眼前。黑亮的头发如瀑泻，瘦小的圆领衫被乳峰撑得挺挺的，脐部开着一朵细嫩的花瓣。粉色的短裤贴在腿上，露出又长又嫩的大腿，像两节白藕，如釉如玉。我欲看还休，赶紧去看女鬼。女鬼被书生抱在了怀里，书生粗硬的手指从女鬼的腿上滑过。我的手指一阵发麻。

1.3 模拟计算结果分析

模拟计算结果见表2。

表2焙烧循环流化床综合参数对比

从表2中可以看出，低温焙烧流化床消耗的柴油量是最多的，这是因为低温焙烧流化床是最主要的游离水脱除、焙烧反应发生的场所。在低温焙烧流化床中，在300 ℃以上的温度条件下，首先所有的游离水被蒸发脱除，然后AlCl3·6H2O中的结晶水也跟着脱除，并发生式(1)的化学反应。大量的HCl气体在此产生，为防止HCl气体泄露，因此将低温焙烧流化床设置为负压运行。

3个不同负荷比条件下的烟气量(单位：Nm3/h)、柴油消耗量(单位：kg/h)与助燃空气消耗量(单位：Nm3/h)的趋势图分别如图1-3所示。

图1 不同负荷比下烟气量趋势图

图2 不同负荷比下柴油消耗量趋势图

图3 不同负荷比下助燃空气消耗量趋势图

高温焙烧流化床主要是将生成的A12O3焙烧成冶金级的γ-A12O3的场所，因此需要将温度维持在1 000 ℃以上，其烟气中HCl气体的含量也是很低的，见表3。

表3焙烧循环流化床出口烟气组分对比

2 烟气中二恶英的污染防治研究

二恶英是氯代二苯并二恶英(PCDDs)和氯代二苯并呋喃(PCDFs)的总称，是世界公认的强致癌物质[6-7]，其主要来源是含氯固体废物的焚烧和含氯化工产品生产过程中[7]。

2.1 二恶英的产生机制

在焙烧过程中，主要会在低温焙烧流化床内产生二恶英。这是由于低温焙烧炉内温度为300 ℃左右，在较低的温度下，导致含氯化合物不完全分解形成二恶英，随烟气排出。另外，烟气温度在200～300 ℃左右时，氯化氢和单质氯在粉尘的催化作用下与碳氢化合物反应生成二恶英。

二恶英类物质在焙烧炉的烟气中主要以两种状态存在[7]：吸附在A12O3粉尘颗粒物表面，或者直接以气态直接游离在烟气中。A12O3粉尘在二恶英的形成过程中起着非常重要的作用，它不仅提供了反应场所，同时含有氯元素和各种金属元素，提供了二恶英形成的物质和催化剂，绝大部分的二恶英吸附在A12O3粉尘表面。

焙烧过程中烟气、A12O3粉尘对二恶英排放的贡献顺序为：A12O3粉尘>烟气，因此对A12O3粉尘中二恶英的研究很有必要，以便为A12O3粉尘的安全处置提供重要依据。

2.2 二恶英的污染控制

焙烧过程采取循环流化床技术处理，能够有效控制二恶英的生成：

(1)低温焙烧流化床的温度控制在300 ℃以上，避开二恶英的生成温度，并延长停留时间。并在低温焙烧流化床设置二燃室使前段烟气中的二恶英充分分解；

(2)高温焙烧流化床的温度控制在1 000 ℃以上，至少停留2 s，取合适的过量空气系数，使A12O3焙烧完全；

(3)添加含硫的有机物混合焚烧，硫能够抑制二恶英得生成。

3 结束语

(1)考虑采用不同的物性方法与计算模型，对计算结果进行比较验证分析；

(2)考虑用更符合实际参数的物性数据，验证分析所得到的计算结果；

(3)将流化风、冷却水等其他影响计算结果的参数加入到计算模型中去，得到更准确的计算结果。