【文章內(nèi)容簡介】 替代原有的回轉(zhuǎn)窯。 我國對于氫氧化鋁流態(tài)化焙燒技術(shù)的研究工作于 1956 年開始，從 1958 年以來，曾作過多層沸騰爐、旋風預(yù)熱 — 單層沸騰焙燒 — 載流冷卻和懸浮閃速焙燒等試驗和工業(yè)試驗，既取得了一些經(jīng)驗教訓(xùn)，也在流態(tài)化焙燒技術(shù)上取得一些進展。遺憾的是 1981 年在山東鋁廠研究院時產(chǎn) 200Kg 氧化鋁的氧化鋁懸浮閃速焙燒試驗取得了初步進展之后，未能將試驗繼續(xù)進行下去，因此未取得工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用的成果。 我國自從 1984 年 8 月 從西德 公司引進第一套日產(chǎn) 1300 噸的美鋁閃速焙燒裝置以來，相繼又引進了丹麥的 公司的五套氣體懸浮焙燒裝置。也就是說，在我國新建的山西鋁廠、中州鋁廠和平果鋁廠已全部采用了國外引進的流態(tài)化焙燒技術(shù)和裝置。同時，原有的氧化鋁廠也引進或準備引進國外的流態(tài)化焙燒裝置取代或部分取代舊有的回轉(zhuǎn)焙燒窯系統(tǒng)。 1997 年我國數(shù)廠家也從德國引進了循環(huán)流態(tài)床氧化鋁循環(huán)焙燒爐，具有 90 年代國際先進水平，全部采用微機自動控制，產(chǎn)量達到每天為 1650 噸，相當于三臺回轉(zhuǎn)窯的產(chǎn)量，焙燒油耗比回轉(zhuǎn)窯降低 50Kg/t Al2O3，同時降低了動力消耗，該設(shè)備運行可靠，運轉(zhuǎn)率達到 98%以上。目前國內(nèi)氧化鋁幾乎全部采用流態(tài)化焙燒。 第二章 氧化鋁生產(chǎn)工藝的選擇 3 焙燒生產(chǎn)氧化鋁工藝有兩種：回轉(zhuǎn)窯焙燒工藝和流態(tài)化焙燒工藝。 [1] 回轉(zhuǎn)窯是按逆流原理進行工作的，通常窯體具有一定的傾斜度，一般為 2%~3%。燃料及助燃空氣由較低的窯頭一端入窯，而物料則從較高的窯尾加入，物料與熱氣流在窯內(nèi)朝相反方向運動。當窯體轉(zhuǎn)動時，就把物料帶到一定高度，然后在重力的作用下，物料又沿斜面下落。由于窯體 有一定的傾斜度，當物料升起和落下的時候，就向窯頭方向前進一定距離，直至窯頭，完成由氫氧化鋁變成氧化鋁的過程。 圖 21 回轉(zhuǎn)窯焙燒工藝設(shè)備連接圖 1— 氫氧化鋁儲倉； 2— 板式飼料機； 3— 焙燒窯； 4— 冷卻機； 5— 吹灰機； 6— 氧化鋁儲倉； 7— 鼓風機； 8— 儲油罐； 9— 油泵； 10— 油槍； 11— 一次旋風收塵器；12— 二次旋風收塵器； 13— 排風機； 14— 電收塵器； 15— 煙囪； 16— 集灰斗 根據(jù)物料在窯內(nèi)不同溫度區(qū)域發(fā)生的物理化學變化，可將窯劃分為如下 4 個區(qū)域。 （ 1）烘干帶：入窯的物料由 40℃左右被加熱到 200℃，濕氫氧化鋁所帶的附著水在此帶全部被蒸發(fā)掉。而窯氣的溫度則由 600℃左右降低到 250~300℃而排出窯外。 （ 2）脫水帶：物料由 200℃繼續(xù)加熱到 900℃，氫氧化鋁的結(jié)晶水在此帶得到脫除而變成 g— Al2O3。窯氣溫度由 1050℃降至 600℃左右。 （ 3）燒成帶：物料溫度由 900℃加熱到 1200℃左右，使 g— Al2O3 轉(zhuǎn)變?yōu)?a— Al2O3。其轉(zhuǎn)變過程決定于溫度、停留時間以及是否添加礦化劑等條件。此帶的氣流溫度為1050~1400℃。 （ 4）冷卻帶：物料在此帶由 1200℃冷卻到 1000℃左右，然后進 入冷卻機繼續(xù)冷卻至 70℃左右排出。 以上各個區(qū)域的長度不是固定不變的，它隨著焙燒窯規(guī)格的不同及操作條件的變化而變化，但各帶的溫度基本上是不變的。 [4] （ 1）設(shè)備老化陳舊 ,運轉(zhuǎn)率及效率低。一臺焙燒窯均為 50~60 年代建成 ,平均運轉(zhuǎn)率低于 60%,檢修工作量大 ,每年用于搶修和正常檢修的費用高達 800 萬元 ,并經(jīng)常影響生產(chǎn)。 （ 2）能耗高。回轉(zhuǎn)窯直徑小、月同體溫度高 ,散熱面積大 ,窯尾排放廢氣溫度高達 250302,使能耗上升 ,焙燒油耗達到 135Kg/tAl2O3。 （ 3）環(huán)保差。焙燒 窯電收塵效率低，出口含塵濃度高達 500mg/m3,每年損失氧化鋁 120t價值 100 多萬元 ,并對環(huán)凌造成很大污染。 （ 4）產(chǎn)品質(zhì)量差。由于焙燒窯溫度較高 ,在轉(zhuǎn)動過程中耐火材料易爆裂和松動脫落 ,造成氧化鋁產(chǎn)品中混入耐火材料粉塵 ,使產(chǎn)品中二氧化硅含量增加 %以上 ,造成氧化鋁質(zhì)量較差。 隨著生產(chǎn)的發(fā)展 ,氧化鋁產(chǎn)能不斷提高，公司雖然花費了大量的財力對焙燒窯進行技術(shù)改造 ,但其產(chǎn)能仍不能滿足生產(chǎn)需要。只有引進的技術(shù)設(shè)備 ,才能從根本上降低焙燒工序能耗、改善氧化鋁質(zhì)量、提高焙燒產(chǎn)能、減少氧化鋁損失及對環(huán)境的污染 ,從而 增加氧化鋁生產(chǎn)的經(jīng)濟效益和環(huán)保效益。 目前世界上廣泛使用的氫氧化鋁流態(tài)化焙燒裝置，主要有美國鋁業(yè)公司的流態(tài)化閃速焙燒爐簡稱閃速爐，德國魯奇公司的循環(huán)流化床焙燒爐簡稱循環(huán)爐和丹麥史密斯公司的氣態(tài)懸浮焙燒爐簡稱懸浮爐三種。 一、美國鋁業(yè)公司（ ALCOA）的流態(tài)化閃速焙燒爐 由于采用了調(diào)節(jié)焙燒溫度和停留保溫槽料位雙重控制方式，產(chǎn)品質(zhì)量能得到可靠的保障； 由于整套裝置設(shè)計了預(yù)熱爐、流化干燥器、停留保溫槽、流化冷卻器這四個緩沖容器，整個焙燒爐運行穩(wěn)定可靠，并且承受各種事故的能力強 。 焙燒爐全系統(tǒng)設(shè)計成熟，焙燒爐年運轉(zhuǎn)率可達 95%左右。 至今，美國鋁業(yè)公司的流態(tài)化閃速焙燒爐已被廣泛應(yīng)用，日產(chǎn)能自 300 噸發(fā)展到了 2400 噸氧化鋁 [57]。 美鋁流態(tài)閃速焙燒爐也有其自身的不足。此套裝置適應(yīng)低水份的氫氧化鋁物料，若氫氧化鋁附著水較高時，必須通過增加過量的過?？諝猓篃崃繌谋簾螏敫稍锒?，以增強干燥能力，相對來說使焙燒氧化鋁的熱耗和電耗增加；整套裝置流化床板多，大小床板共達 塊，這樣維修時工作量相對加大；全套裝置的控制回路多，控制軟件設(shè)計復(fù)雜，相應(yīng)地對操作人員和計控人員提出了較高的要求 ；其四由于系統(tǒng)正壓作業(yè)，整個焙燒爐體的密封、檢測點的密封及容器間料封系統(tǒng)要求嚴格 [8]。 圖 22 閃速焙燒爐工藝設(shè)備連接圖 二、德國魯奇公司的循環(huán)流態(tài)化焙燒爐 循環(huán)流態(tài)化焙燒爐（工藝設(shè)備連接如圖 23 所示）是一種設(shè)計和生產(chǎn)經(jīng)驗比較成熟的裝置，采用正壓作業(yè)濃相流態(tài)化技術(shù)，其爐型有其獨特之處： 流態(tài)化循環(huán)爐依靠大量的物料循環(huán)，焙燒停留時間為 6 分鐘左右，這樣可降低焙燒溫度，有利于降低焙燒氧化鋁的熱耗，同時確保焙燒氧化鋁產(chǎn)品質(zhì)量，此外，大量循環(huán) 5 物料的熱含量可以削弱系統(tǒng)的熱沖擊，維持系統(tǒng)的熱穩(wěn)定性，對提高 爐內(nèi)襯的使用壽命極為有利，爐運轉(zhuǎn)率可達 90%～ 94%； 整個裝置無高壓大型設(shè)備，設(shè)備簡化，投資節(jié)省，生產(chǎn)控制靈活，事故率降低； 控制回路簡單，流態(tài)循環(huán)焙燒爐自動控制回路僅有 6 條 [57]。 循環(huán)流態(tài)焙燒爐也有其自身的缺陷。其一，循環(huán)焙燒爐對顆粒破損率大，究其顆粒破損率大的原因，一是氣體在噴射口、旋風筒入口以及彎頭處的流動速度大，二是顆粒在循環(huán)爐內(nèi)發(fā)生顆粒和顆粒之間和顆粒和器壁的撞擊與摩擦；盡管魯奇公司對該裝置不斷地進行改造與完善，使破損率大幅度降低，但目前焙燒產(chǎn)品 45μ m 粒級的破損率仍高達3%~6%[8]。 圖 23 循環(huán)流態(tài)化焙燒爐工藝設(shè)備連接圖 062— 給料螺旋； 1 130— 文丘里干燥器； 122— 電收塵器； 13 136— 翻板閘； 063~065— 螺旋輸送機； 125— 氣力提升泵； 12 13 152— 旋風分離器； 1 14143— 循環(huán)流化床焙燒主反應(yīng)爐； 144— 錐形出料閥； 15 156— 流態(tài)化冷卻機 三、丹麥史密斯公司的氣態(tài)懸浮焙燒爐 丹麥史密斯公司的氣態(tài)懸浮焙燒爐（工藝設(shè)備連接如圖 24 所示）是從水泥窯的氣體懸浮窯外分解裝置移植而來的。該公司從 1975~1987 年， 已經(jīng)制造帶有氣體懸浮窯外分解的水泥回轉(zhuǎn)窯裝置 56 套，最大日產(chǎn)能已達到 5500 噸，該公司在水泥回轉(zhuǎn)窯氣體懸浮窯外分解技術(shù)方面具有豐富的經(jīng)驗。在此基礎(chǔ)上于 1976 年立項，對氫氧化鋁氣體懸浮焙燒爐的研究課題，進行了一系列的試驗研究 [1011]。 氣體懸浮焙燒爐是 80 年代發(fā)展起來的流態(tài)化焙燒裝置，設(shè)計和生產(chǎn)經(jīng)驗欠成熟。其一，耐火材料脫落嚴重，特別是高溫段，這一現(xiàn)象不僅在山西分公司的氣體懸浮焙燒爐發(fā)生，在印度興達爾闊鋁廠、歐洲氧化鋁廠及雷諾金屬公司的科克氧化鋁廠也都出現(xiàn)；造成這種現(xiàn)象的原因有兩個方面，一是爐內(nèi)襯設(shè)計 不合理，二是供爐制度不完善（甚至有烘爐“死區(qū)”，如 3 號冷卻旋風筒、各旋風筒下料管）；耐火材料脫落使料管堵塞，導(dǎo)致生產(chǎn)不穩(wěn)定，爐運轉(zhuǎn)率降低。其二，由于氣體懸浮焙燒爐容器間設(shè)計采用下料管料封，生產(chǎn)中不 能在低產(chǎn)能下運行，即便在開始下料，也必須迅速提高產(chǎn)量，其目的是避免氣流“反竄”（走短路）或焙燒爐系統(tǒng)內(nèi)料流形成“脈沖”，因此， 產(chǎn)能的可調(diào)范圍窄，一般要求在設(shè)計能力的 60%~100%內(nèi)調(diào)節(jié)。其三，氣體懸浮焙燒爐設(shè)計的檢修、清理、觀察等活動孔太多，設(shè)計中 每個旋風筒有檢修孔 3 個，清理孔 3~6 個，觀察孔 3~4 個，再加上連接煙道，孔數(shù)繁多，這些孔不僅增加了散熱損失，而且給系統(tǒng)造成了漏風隱患。其四，電收塵收集粉塵輸送系統(tǒng)和文丘里煙道降溫系統(tǒng)的設(shè)計尚未定型 [8]。 圖 24 氣態(tài)懸浮焙燒爐工藝設(shè)備連接圖 與回轉(zhuǎn)窯工藝相比，流態(tài)化焙燒工藝具有顯著的優(yōu)點 [910]。 (1). 熱耗的比較：流態(tài)化焙燒的熱耗約為 ~，每噸氧化鋁可節(jié)省燃油30~45Kg，較傳統(tǒng)的回轉(zhuǎn)窯熱耗降低 30%以上。 (2). 焙燒程度的比較：流態(tài)化焙燒產(chǎn)品中不同粒徑的氧化鋁的焙燒程度均 勻，相同比表面積的 a — Al2O3 含量低，在鋁電解中熔解速度較快，可提高鋁電解的電流效率； (3). 破碎指數(shù)的比較：流態(tài)化焙燒的破碎指數(shù)不高，產(chǎn)品中 45μm 的部分增加 14%，但 15μm 的部分沒有顯著增加； (4). 投資的比較：流態(tài)化焙燒的投資比回轉(zhuǎn)窯焙燒的投資少，國外各公司發(fā)表的數(shù)據(jù)為：美國 少 5070%；西德 少 20%；法國 少 15~20%。國內(nèi)流態(tài)化焙燒裝置的投資比回轉(zhuǎn)窯少 40~60%； (5). 占地面積的比較：流態(tài)化焙燒裝置的占地面積小，以日產(chǎn) 800t 的焙燒裝置為例，僅是回轉(zhuǎn)窯焙燒裝置的五分之一，建筑面積僅為三分之一至三分之二； (6). 設(shè)備情況的比較：流態(tài)化焙燒爐設(shè)備簡單，壽命長，維修費用低。流態(tài)化焙燒系統(tǒng)除了風機、油泵、給料設(shè)備之外，沒有大型的轉(zhuǎn)動設(shè)備。爐襯使用壽命長，可達 10 年以上。西德第一臺焙燒爐使用 13 年也沒有更換，因此它的維修費用比較低，據(jù)西德提供的 焙燒爐的維修費用只是回轉(zhuǎn)窯的 35%； (7). 對環(huán)境污染的比較：流態(tài)化焙燒爐對環(huán)境的污染輕。由于流態(tài)化焙燒爐燃燒完全， 7 過?？諝庀禂?shù)低，廢氣中氧氣的含量低（ 1~2%），廢氣中 SO2 和 NOx 的生成量均要比回轉(zhuǎn)窯焙燒低，排入大氣的煙氣含塵量均小于 100mg/Nm3； (8). 自動化水平的比較：流態(tài)化焙燒爐的自動化水平較高。流態(tài)化焙燒爐較回轉(zhuǎn)窯易于實現(xiàn)自動化。集中分散計算機控制系統(tǒng)可完成全套裝置的起動、生產(chǎn)控制、設(shè)備保護、停車，可保障設(shè)備的安全運行和生產(chǎn)的均衡穩(wěn)定進行。 表 21 三種類型的流態(tài)化焙燒爐的主要指標 主要指標 爐型 產(chǎn)能（ t/日） 1300 1300 1300 熱耗（ kal/ KgAO） 740 735 715 焙燒溫度（ ℃） 1050~1100 950~1000 1150~1200 電耗（ kWh/tAO） 20 20 14 比表面積（ m2/g） 40~45 80~85 80 運轉(zhuǎn)設(shè)備（臺） 4 23 16 流化床數(shù)（臺） 7 4 1 控制回路（條） 22 6 12 圖 22循環(huán)流態(tài)化焙燒與回轉(zhuǎn)窯焙燒綜合比較 項目 單 位 流化爐焙燒 回轉(zhuǎn)窯焙燒 年節(jié)約 ( 萬元 ) 燃 油 燃 油 kg/ t Ao 80~ 85 135 2 500 電 耗 kWh/ t Ao 21 38~ 45 136~ 192 水 耗 m3/ t Ao 0. 26 3. 92 175. 68 氧化鋁損失 t / a 39. 7 479. 5 90 維修維護費 萬元 / a 200 420 220 合 計 3121. 08~ 3177. 68 因此，流態(tài)化焙燒被氧化鋁廠廣泛應(yīng)用，回轉(zhuǎn)窯焙燒逐漸被淘汰（回轉(zhuǎn)窯焙燒 爐與循環(huán)流態(tài)化焙燒爐比較如圖 22[11]）。而三種流態(tài)化焙燒爐雖具有共同的優(yōu)點，但細微分析，無論從技術(shù)經(jīng)濟指標，還是爐型的設(shè)計成熟性與穩(wěn)定性，不同爐型具有各自的特點與不足，見表 21[8]。 我國引進流態(tài)化焙燒爐的關(guān)鍵是爐型的選擇，在技術(shù)經(jīng)濟指標差別不大的情況下，應(yīng)以焙燒爐生產(chǎn)可靠性和穩(wěn)定性作為重要依據(jù)，經(jīng)三種爐型的比較，穩(wěn)定性較強的屬美鋁流態(tài)閃速焙燒爐和魯奇循環(huán)流態(tài)焙燒爐，綜合考慮焙燒爐的其它指 標，選擇魯奇循環(huán)流態(tài)焙燒爐稍佳。所以，本設(shè)計氧化鋁生產(chǎn)選擇循環(huán)流態(tài)化焙燒爐。 循環(huán)流態(tài)化焙燒系統(tǒng)簡介 氧化鋁循環(huán)流化焙燒系統(tǒng)主要包括文丘里型干燥器、旋風分離器、焙燒主爐、返料器、二級流化床冷卻器、除塵和返塵系統(tǒng)等設(shè)備，工藝流程包括三個部分：氫氧化鋁的干燥和 預(yù)熱、氫氧化鋁的焙燒、氧化鋁的冷卻與一次風，二次風的預(yù)熱。 氫氧化鋁的干燥和預(yù)熱 （ 1）一級干燥 來自分解車間的濕氫氧化鋁約 20℃