结晶氯化铝脱水分解试验研究

侯凤云 沈建航 钱永康 王会宁 刘悦 李阳

（1北京航天动力研究所 北京 100076 2东方电气洁能科技成都有限公司 四川成都 610000）

粉煤灰是火力发电厂锅炉内细煤粉燃烧之后产生的副产物，也是中国最大的单一来源的固体废弃物［1］。从粉煤灰中提取氧化铝将会提高粉煤灰的附加值，对缓解我国铝土矿资源匮乏的问题具有重要的战略意义［2-4］。如何选择一条合适的生产工艺，提取粉煤灰中的氧化铝，成为了国内外专家、学者研究的重点。目前，从粉煤灰中提取氧化铝的方法有：石灰石烧结法、酸浸取法、碱溶法、硫酸铵烧结法等［5］，其中酸浸取法是采用盐酸高温溶出等方法将灰中的活性氧化铝转变成结晶氯化铝［6］，再将结晶氯化铝脱水分解生产氧化铝，目前结晶氯化铝脱水分解的具体过程研究尚未见报道。为此，本文开展了结晶氯化铝脱水分解生产氧化铝的试验研究，以期为粉煤灰酸法生产氧化铝的工业化应用提供基础数据和依据。

1 试验

1.1 物料特性

物料来自于酸法中浓缩结晶后产生的六水结晶氯化铝（AlCl3·6H2O），具体物料组成及物性如下。

（1）原料组成：试验物料组成见表1。

（2）温度：10～30 ℃。

（3）粒度：0.2～0.5 mm。

1.2 试验装置

试验物料以流态化形式在试验装置内反应分解，试验台的工作原理及实物如图1、2所示。该试验台主要由气体预热器、两段式加热炉、固定式反应器和快装式反应器组成。气体预热器利用1台卧式加热炉，在炉膛里填充金属丝用于加热流化风。两段式加热炉上下加热段温度可独立控制，在本试验中，上段加热炉用于控制反应器内部温度，下段加热炉用于控制流化风温度。固定式反应器是一流态化结构反应器 （内径48 mm），置于两段式加热炉中，其布风板上装有陶瓷球，用于加热流化风。固定式反应器与气体预热器之间用金属管连接，连接管用电加热带加热保温。快装式反应器也是流态化结构反应器（内径38 mm），可插入固定式反应器中并用卡箍固定密封。快装式反应器底部为金属孔板加200目筛网，作为布风板；顶部用橡皮塞密闭，并接有排气管；热电偶从顶部插入反应器内测量反应区实际温度。

试验台的4个关键参数分别为反应器工作温度、工作区反应温度、流化风温度及流化风量。反应器工作温度由两段式加热炉的上段加热炉控制，工作区反应温度由热电偶测定，流化风温度由气体预热器和两段式加热炉的下段加热炉共同控制，流化风量由浮子流量计进行测量和调节。

表1 试验物料组成

1.3 试验方法

开展AlCl3·6H2O脱水分解试验的过程及步骤如下：

（1）样品制备。将原料AlCl3·6H2O晶体在80℃下烘30 min后，研磨成粒径为100～250 μm的颗粒，继续在80℃下烘24 h，制得AlCl3·6H2O试样并存放于干燥皿中。

（2）启动气体预热器、加热带和两段式加热炉，气体预热器和加热带设置加热终温为800℃，两段式加热炉根据脱水分解试验要求分别设置为400、500和600℃，上下段温度保持一致。同时用热电偶测量快装式反应器布风板处的温度。

（3）将所有设备连接固定好，设置流化风进口流量为2L/min，并用皂泡流量计测量快装式反应器出口流量以确保装置的气密性良好。

（4）称取5～13 g结晶六水氯化铝样品，当快装式反应器内温度达到试验设定值，将样品从顶部迅速倒入快装式反应器，并盖上橡皮塞，开始计时。

（5）当反应时间达到规定值（2、4、6、8、10、15 和 20 min）时，松开固定式反应器和快装式反应器之间的卡箍，并将快装式反应器迅速取出，置于空气中冷却大约2 min，然后将反应器中的样品倒入坩埚，并放入干燥皿中继续冷却。

（6）试验结束，将制得的样品装入密封袋，清理快装式反应器。

（7）重复（2）～（6）步，直至完成所有试验工况。

以上为恒温试验过程，非恒温试验过程的主要不同之处在于步骤（4），在倒入样品的同时关闭两段式加热炉的上段加热炉，随后炉温会下降，在此过程中同时记录炉温和装置工作温度的变化。其余步骤均不变。

1.4 试验工况

根据试验目的及要求，本文选定AlCl3·6H2O脱水分解试验研究的工况如表2所示。

表2 AlCl3·6H2O脱水分解试验工况列表

2 试验结果分析

2.1 恒温条件试验结果

本文选定AlCl3·6H2O脱水分解试验研究恒温条件工况包括 3 个温度点 （400、500、600℃） 和 7 个时间点（2、4、6、8、10、15、20 min）共计21种工况。采用XRD分析仪对AlCl3·6H2O试样及各工况采集的样品进行检测，结果如图3所示。

由图3可知，对于恒温条件，其脱水分解规律为：①随着反应温度的升高，AlCl3·6H2O晶体完全脱水分解所需要的反应时间逐渐减少。②当反应温度为400℃和500℃时，完全脱水分解所需要的反应时间为6 min。③当反应温度为600℃时，完全脱水分解所需要的反应时间为4 min。

2.2 绝热炉壁条件试验结果

本文选定AlCl3·6H2O脱水分解试验研究绝热炉壁条件工况包括 3 个温度点（400、500、600 ℃）和 7 个时间点（2、4、6、8、10、15、20 min） 共计 16种工况。 采用 XRD分析仪对 AlCl3·6H2O试样及各工况采集的样品进行检测，结果如图4所示。

由图4可知，对于绝热炉壁条件，其脱水分解规律为：①随着反应温度的升高，AlCl3·6H2O晶体完全脱水分解所需要的反应时间逐渐减少。②当反应温度为400℃时，反应10 min后的产物中仍含有AlCl3·6H2O晶体。③当反应温度为500℃时，完全脱水分解所需要的反应时间为10 min。④当反应温度为600℃时，完全脱水分解所需要的反应时间为6 min。

对比AlCl3·6H2O晶体脱水分解试验在恒温条件和绝热炉壁条件下结果可知，当反应器工作温度相同时，恒温条件完全脱水分解所需要的反应时间比绝热炉壁条件短。分析原因如下：

（1）两种反应条件提供的反应热量不同。AlCl3·6H2O晶体发生脱水分解反应需要吸收大量的反应热。在恒温条件下，反应热量主要由流化风携热及两段式加热炉提供，供热充足，物料在炉内的换热充分且换热时间短，因而发生完全脱水分解反应所需要的时间就越短。而在绝热炉壁条件下，反应热量主要由流化风携热及反应装置炉壁蓄热提供，供热有限，物料在炉内的换热不充分且换热时间长，因而发生完全脱水分解反应所需要的时间就越长。

（2）两种反应条件换热强度及换热时间不同。在恒温条件下，反应器工作温度保持在设定值不变，与物料的换热温差保持不变，换热强度较高且换热时间短，因而发生完全脱水分解反应所需要的时间就越短。而在绝热炉壁条件下，两段式加热炉上段停止加热，反应器工作温度随着脱水分解反应的进行而不断降低，与物料的换热温差减小，换热强度较低且换热时间长，因而发生完全脱水分解反应所需要的时间就越长。

由此可知，对于AlCl3·6H2O晶体发生脱水分解反应而言，物料换热条件的优劣及换热的充分与否，决定了反应过程中物料换热时间的长短，而换热时间的长短又影响了物料发生脱水分解所需的反应时间的长短。因此，凡是影响换热时间长短的因素都对AlCl3·6H2O脱水分解反应时间的长短有影响。

3 结论

综上所述，结晶氯化铝脱水分解试验的主要结论如下：

（1）随着反应温度的升高，AlCl3·6H2O晶体完成脱水分解所需要的反应时间逐渐减少。①对于恒温条件，当反应温度为400～600℃时，AlCl3·6H2O晶体完全脱水分解所需要的反应时间为4～6 min。②对于绝热炉壁条件，当反应温度为400℃时，反应10 min后的产物中仍含有AlCl3·6H2O晶体；当反应温度为500℃时，完全脱水分解所需要的反应时间为10 min；当反应温度为600℃时，完全脱水分解所需要的反应时间为6 min。

（2）对于AlCl3·6H2O晶体发生脱水分解反应而言，物料换热条件的优劣及换热的充分与否，决定了反应过程中物料换热时间的长短，而换热时间的长短又影响了物料发生脱水分解所需的反应时间的长短。

（3）凡是影响换热时间长短的因素都对AlCl3·6H2O脱水分解反应时间的长短有影响。焙烧炉内反应温度越高、炉内流场及温度场分布越均匀、AlCl3·6H2O物料粒径越小，则焙烧炉内换热越充分，换热时间短，从而发生脱水分解反应的时间越短。