一种利用氢氧化铝制备α–氧化铝的装置及方法与流程

2021-01-31 01:01:31|

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本发明属于氧化铝制备技术领域，特别涉及一种利用氢氧化铝制备α–氧化铝的装置及方法。

背景技术：

α–氧化铝因其具有良好的烧结性能，被广泛地应用于耐火材料、陶瓷和磨料磨具等行业；尤其是近几年来，随着高科技产业的迅猛发展，α–氧化铝的应用领域也得到了迅速拓展。

现有的α–氧化铝生产技术，绝大多数的产能是用隧道窑或梭式窑烧结而成，这两种窑型均以氧化铝为原料，因此，氢氧化铝需在其它窑炉中煅烧为氧化铝，冷却后再进入隧道窑或梭式窑烧结成α–氧化铝，即为二步煅烧工艺，其产能低、能耗高是致命缺点；进今年来，也有技术人员研究了用回转窑或改良后的回转窑烧结α–氧化铝，取得了一定的效果。

申请号为201510261821.5的发明公开的“一种高温煅烧α–氧化铝生产节能装置及新方法”，提及利用带有2～4级窑尾旋风预热器及带有一段冷却和二段冷却的冷却筒的中空长窑生产α–氧化铝，其中的冷却筒为机械回转式间接换热器，结构复杂，换热效果差，回转窑为长径比(l/d)≥18.75的中空长窑，其投资高、占地面积大，其旋风预热器组，虽然提及到了可以采用2～4级，但是要采用3级或3级以上时，利用窑尾废气热焓回收的热量低于克服预热器级数增加的电耗，实用性不强，其他部分的实用性有很多需要改进的部分；申请号为201821296495.7的发明公开“一种氧化铝联合焙烧系统”，提及利用“一级预热+回转窑+单筒冷却机”焙烧α–氧化铝的装置，窑尾废气、单筒冷却机内热物料热量不能充分利用，单筒冷却机冷却粉状物料时需要庞大的收尘设施，窑尾含尘气体进入γ-氧化铝焙烧系统中的文丘里干燥器，不仅可能会打破γ-氧化铝焙烧系统平衡，使得系统不能正常运行，可能还会使焙烧的γ-氧化铝中增加α–氧化铝的含量，影响γ-氧化铝的质量。

技术实现要素：

为了解决α–氧化铝制备技术存在的上述不足，本发明提供一种利用氢氧化铝制备α–氧化铝的装置及方法，直接以氢氧化铝为原料，采用分级悬浮预热和回转窑转化组合的方式制备α–氧化铝，缩短生产时间，降低生产能耗并提高生产效率，同时提高产品质量，并使热能合理利用。

本发明的利用氢氧化铝制备α–氧化铝的装置包括悬浮预热器ⅰ、悬浮预热器ⅱ、回转窑、悬浮冷却器ⅰ、悬浮冷却器ⅱ和悬浮冷却器ⅲ；所述的悬浮预热器ⅰ、悬浮预热器ⅱ、悬浮冷却器ⅰ、悬浮冷却器ⅱ和悬浮冷却器ⅲ均为旋风分离器；回转窑的窑头罩内装配有窑头燃烧器，并设有进气口、出料口和出气口；窑头罩的出气口通过管道与窑尾燃烧器的进气口连通，窑尾燃烧器的出气口与悬浮预热器ⅱ的进料口通过热气管道连通；窑尾罩上设有进料口和出气口，窑尾罩的出气口与热气管道连通；窑头罩的出料口与悬浮冷却器ⅰ的进料口通过一次换热管道连通，悬浮冷却器ⅰ的出料口与悬浮冷却器ⅱ的进料口通过二次换热管道连通，悬浮冷却器ⅱ的出料口与悬浮冷却器ⅲ的进料口通过三次换热管道连通；鼓风机的出口与三次换热管道连通，悬浮冷却器ⅲ的出气口通过二次换热管道与悬浮冷却器ⅱ的进气口连通，悬浮冷却器ⅱ的出气口通过一次换热管道与悬浮冷却器ⅰ的进气口连通，悬浮冷却器ⅰ的出气口与窑头罩的进气口连通；悬浮预热器ⅰ的进料口与进料管道连通，悬浮预热器ⅰ的出料口与热气管道连通，悬浮预热器ⅱ的出料口与窑尾罩的进料口连通，悬浮预热器ⅱ的出气口与进料管道连通；悬浮预热器ⅰ的出气口与烟气净化系统的进料口连通，烟气净化系统的出料口与进料管道连通；烟气净化系统由除尘器和脱硝反应器串联组成，烟气净化系统的出气口通过管道与引风机连通。

上述的回转窑长径比(l/d)≤14。

本发明的利用氢氧化铝制备α–氧化铝的方法是采用上述装置，按以下步骤进行：

1、启动引风机、鼓风机、窑头燃烧器和窑尾燃烧器；

2、分别向窑头燃烧器和窑尾燃烧器通入燃料，向窑头燃烧器通入一次空气作为助燃气体，窑头燃烧器燃烧产生的高温气体进入回转窑，然后进入窑尾罩，并从窑尾罩的出气口进入热气管道；

3、从鼓风机排出的二次空气经过悬浮冷却器ⅲ、悬浮冷却器ⅱ和悬浮冷却器ⅰ后，从悬浮冷却器ⅰ的出气口进入窑头罩；部分二次空气从窑头罩排出，进入窑尾燃烧器作为助燃气体；窑尾燃烧器燃烧产生的高温气体进入热气管道；其余的二次空气在窑头燃烧器的出口区域作为助燃空气；

4、进入热气管道的高温气体经悬浮预热器ⅱ进入进料管道；

5、通过进料管道向悬浮预热器ⅰ连续定量通入氢氧化铝原料，所述的氢氧化铝原料按质量百分比含水≤6％；氢氧化铝原料在进料管道内与高温气体混合换热，然后一同进入悬浮预热器ⅰ内，此时氢氧化铝原料被升温至130～180℃；

6、进入悬浮预热器ⅰ内的氢氧化铝原料经气固分离后排出，进入热气管道与高温气体混合继续换热，然后一同进入悬浮预热器ⅱ内，此时氢氧化铝原料被升温至330～380℃；

7、进入悬浮预热器ⅱ内的氢氧化铝原料经气固分离后排出，经过窑尾罩进料口进入回转窑，此时氢氧化铝原料经过加热完成一次脱水，形成一次脱水物料；

8、在启动回转窑的条件下，一次脱水物料进入回转窑，先被加热至450～550℃完成二次脱水，形成γ-氧化铝；然后γ-氧化铝向窑头罩方向运动，被加热至900℃以上时开始进行α–氧化铝转化，直至被加热至1300～1400℃后，在1300～1400℃保持40～60min，完成α–氧化铝转化，生成α–氧化铝；

9、α–氧化铝进入窑头罩，与鼓风机通入的二次空气换热；当α–氧化铝降温至850～900℃时，从窑头罩排出，依次进入悬浮冷却器ⅰ、悬浮冷却器ⅱ和悬浮冷却器ⅲ与二次空气换热，再从悬浮冷却器ⅲ的出料口排出，最后冷却至常温，获得α–氧化铝产品。

上述的步骤9中，α–氧化铝产品按质量百分比含α–al2o3≥90％，密度≥3.93g/cm³，灼减≤0.2％。

上述方法中，燃料为气体燃料或液体燃料。

上述方法中，窑尾罩的出气口排出的气体温度600～650℃，窑尾罩的出气口排出的气体与窑尾燃烧器产生的气体在热气管道内混合，形成的混合气体的温度900～950℃。

上述方法中，氢氧化铝原料在热气管道和悬浮预热器ⅱ内完成一次脱水，一次脱水的反应式为al2o3·3h2o→γ-al2o3·h2o+2h2o↑。

上述方法中，悬浮预热器ⅰ进行气固分离后产生的含粉尘和氮氧化物的气体先进入烟气净化系统的除尘器，经除尘后产生的粉尘从烟气净化系统的出料口排出，经进料管道返回悬浮预热器ⅰ；除尘产生的除尘气体进入脱硝反应器，经脱硝后形成除尘脱硝气体从烟气净化系统的出气口进入引风机，再经引风机排出；引风机排出的除尘脱硝气体中，nox折算成no2的浓度≤50mg/nm³，粉尘浓度≤5mg/nm³。

上述方法中，二次脱水的反应式为γ-al2o3·h2o→γ-al2o3+2h2o↑。

上述方法中，直接向窑头燃烧器通入的空气为一次空气，从鼓风机进入窑头罩内的二次空气的体积流量占二次空气和一次空气总体积流量的88～92％。

上述方法中，向窑头燃烧器通入的燃料为窑头燃料，向窑尾燃烧器通入的燃料为窑尾燃料，在单位时间内，窑头燃料通入量为窑尾燃料通入量的3～5倍。

上述方法中，从窑头罩排出的α–氧化铝在一次换热管道内与二次空气换热，温度降至600～650℃，然后在悬浮冷却器ⅰ内气固分离，分离出的α–氧化铝在二次换热管道内与二次空气换热，温度降至400～450℃，然后在悬浮冷却器ⅱ内气固分离，分离出的α–氧化铝在三次换热管道内与二次空气换热，温度降至230～280℃，然后在悬浮冷却器ⅲ内气固分离后排出；进入悬浮冷却器ⅲ的二次空气在三次换热管道内经换热后温度升至230～280℃，进入悬浮冷却器ⅱ后在二次换热管道内经换热后温度升至400～450℃，进入悬浮冷却器ⅰ后在一次换热管道内经换热后温度升至600～650℃，然后进入窑头罩。

上述方法中，从悬浮冷却器ⅲ排出的α–氧化铝空冷至常温，或者进入管式换热器以水为冷却介质降温至80℃以下，再排出空冷至常温。

本发明与现有技术相比，其有益效果显著为：

(1)采用的带有悬浮预热器和悬浮冷却器的回转窑转化工艺，充分回收回转窑窑尾热气体的热量和窑头热物料的热量，热效率更高；合理地分配回转窑窑头和窑尾燃料的比例，窑尾燃烧利用了进入窑头罩的热风，使的氢氧化铝在悬浮预热器ⅱ内脱除2个结晶水，相比在回转窑内脱除结晶水，需要更少的热能；

(2)由于氢氧化铝脱除2个结晶水需要大量热量，窑尾罩出气的热量不足以满足脱除两个结晶水的热量，因此由窑尾燃烧器补充燃烧产物，窑尾燃烧器所需燃烧空气由窑头罩供给热风；相较于隧道窑、梭式窑或回转窑，每吨产品可节能1.67gj，折合标准煤57kg；相较于带有预热器和转筒冷却机的回转窑，每吨产品可节能0.63gj，折合标准煤21kg；

(3)由于在回转窑外脱除了2个结晶水，使得回转窑的长度大大缩短，大幅提高了回转窑的单位容积产能，减少了电能消耗；

(4)减少了基建投资，降低了生产成本，提高了经济效益。

附图说明

图1为本发明的利用氢氧化铝制备α–氧化铝的装置结构示意图；

图中，1、悬浮预热器ⅰ，2、悬浮预热器ⅱ，3、回转窑，3-1、窑尾罩，3-2、窑头罩，4-1、窑尾燃烧器，4-2、窑头燃烧器，5、悬浮冷却器ⅰ，6、悬浮冷却器ⅱ，7、悬浮冷却器ⅲ，8、鼓风机，9、烟气净化系统，a、氢氧化铝原料，b、α–氧化铝，c、α–氧化铝产品，d1、窑尾燃料，d2、窑头燃料，e、一次空气，f、粉尘，g、除尘脱硝气体，h、二次空气。

具体实施方式

本发明实施例中采用的回转窑尺寸φ2.5×32m，长径比12.8。

本发明实施例中采用的回转窑工作时转速为1～3.5rpm，安装斜度sinα＝3.5％。

本发明实施例中采用的悬浮预热器ⅰ规格φ1150×2420mm，悬浮预热器ⅱ规格φ1500×3380mm，悬浮冷却器ⅰ规格φ1635×3890mm，悬浮冷却器ⅱ规格φ1470×35000mm，悬浮冷却器ⅲ规格φ1260×2970mm。

本发明实施例中采用的鼓风机机规格q＝10500nm³/h，p＝4.2kpa，变频调速。

本发明实施例中燃料为气化炉煤气。

本发明的利用氢氧化铝制备α–氧化铝的装置的α–氧化铝年产能50000t。

本发明实施例中，当工作稳定时，窑尾罩的出气口排出的气体温度600～650℃，窑尾罩的出气口排出的气体与窑尾燃烧器产生的气体在热气管道内混合，形成的混合气体即为与氢氧化铝混合换热的高温气体，温度900～950℃；

下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。

实施例1

利用氢氧化铝制备α–氧化铝的装置如图1所示，包括悬浮预热器ⅰ(1)、悬浮预热器ⅱ(2)、回转窑(3)、悬浮冷却器ⅰ(5)、悬浮冷却器ⅱ(6)和悬浮冷却器ⅲ(7)；

所述的悬浮预热器ⅰ(1)、悬浮预热器ⅱ(2)、悬浮冷却器ⅰ(5)、悬浮冷却器ⅱ(6)和悬浮冷却器ⅲ(7)均为旋风分离器；

回转窑(3)的窑头罩(3-2)内装配有窑头燃烧器(4-2)，并设有进气口、出料口和出气口；窑头罩(3-2)的出气口通过管道与窑尾燃烧器(4-1)的进气口连通，窑尾燃烧器(4-1)的出气口与悬浮预热器ⅱ(2)的进料口通过热气管道连通；窑尾罩(3-1)上设有进料口和出气口，窑尾罩(3-1)的出气口与热气管道连通；

窑头罩(3-2)的出料口与悬浮冷却器ⅰ(5)的进料口通过一次换热管道连通，悬浮冷却器ⅰ(5)的出料口与悬浮冷却器ⅱ(6)的进料口通过二次换热管道连通，悬浮冷却器ⅱ(6)的出料口与悬浮冷却器ⅲ(7)的进料口通过三次换热管道连通；

鼓风机(8)的出口与三次换热管道连通，悬浮冷却器ⅲ(7)的出气口通过二次换热管道与悬浮冷却器ⅱ(6)的进气口连通，悬浮冷却器ⅱ(6)的出气口通过一次换热管道与悬浮冷却器ⅰ(5)的进气口连通，悬浮冷却器ⅰ(5)的出气口与窑头罩(3-2)的进气口连通；

悬浮预热器ⅰ(1)的进料口与进料管道连通，悬浮预热器ⅰ(1)的出料口与热气管道连通，悬浮预热器ⅱ(2)的出料口与窑尾罩(3-1)的进料口连通，悬浮预热器ⅱ(2)的出气口与进料管道连通；

悬浮预热器ⅰ(1)的出气口与烟气净化系统(9)的进料口连通，烟气净化系统(9)的出料口与进料管道连通；

烟气净化系统(9)由除尘器和脱硝反应器串联组成，烟气净化系统的出气口通过管道与引风机连通；

方法为：

启动引风机、鼓风机(8)、窑头燃烧器(4-2)和窑尾燃烧器(4-1)；

分别向窑头燃烧器(4-2)和窑尾燃烧器(4-1)通入窑头燃料(d2)和窑尾燃料(d1)，单位时间内，窑头燃料(d2)通入量为窑尾燃料(d1)通入量的4倍；

向窑头燃烧器(4-2)通入一次空气(e)作为助燃气体，窑头燃烧器(4-2)燃烧产生的高温气体进入回转窑(3)，然后进入窑尾罩(3-1)，并从窑尾罩(3-1)的出气口进入热气管道；

从鼓风机(8)排出的二次空气(h)经过悬浮冷却器ⅲ(7)、悬浮冷却器ⅱ(6)和悬浮冷却器ⅰ(5)后，从悬浮冷却器ⅰ(5)的出气口进入窑头罩(3-2)；部分二次空气(h)从窑头罩(3-2)排出，进入窑尾燃烧器(4-1)作为助燃气体；窑尾燃烧器(4-1)燃烧产生的高温气体进入热气管道；其余的二次空气(h)在窑头燃烧器(4-2)的出口区域作为助燃空气；

进入热气管道的高温气体经悬浮预热器ⅱ(2)进入进料管道；

通过进料管道向悬浮预热器ⅰ(1)连续定量通入氢氧化铝原料(a)，所述的氢氧化铝原料(a)按质量百分比含水≤6％；氢氧化铝原料(a)在进料管道内与高温气体混合换热，然后一同进入悬浮预热器ⅰ(1)内，此时氢氧化铝原料(a)被升温至150℃；

进入悬浮预热器ⅰ(1)内的氢氧化铝原料(a)经气固分离后排出，进入热气管道与高温气体混合继续换热，然后一同进入悬浮预热器ⅱ(2)内，此时氢氧化铝原料(a)被升温至350℃；氢氧化铝原料(a)在热气管道和悬浮预热器ⅱ(2)内完成一次脱水；

进入悬浮预热器ⅱ(2)内的氢氧化铝原料(a)经气固分离后排出，经过窑尾罩(3-1)进料口进入回转窑(3)，此时氢氧化铝原料(a)经过加热完成一次脱水，形成一次脱水物料；

在启动回转窑(3)的条件下，一次脱水物料进入回转窑(3)，先被加热至500℃完成二次脱水，形成γ-氧化铝；然后γ-氧化铝向窑头罩(3-2)方向运动，被加热至900℃以上时开始进行α–氧化铝转化，直至被加热至1350℃后，在1350℃保持50min，完成α–氧化铝转化，生成α–氧化铝(b)；

α–氧化铝(b)进入窑头罩(3-2)，与鼓风机(8)通入的二次空气(h)换热；当α–氧化铝(b)降温至880℃时，从窑头罩(3-2)排出，依次进入悬浮冷却器ⅰ(5)、悬浮冷却器ⅱ(6)和悬浮冷却器ⅲ(7)与二次空气(h)换热，再从悬浮冷却器ⅲ(7)的出料口排出，最后冷却至常温，获得α–氧化铝产品(c)；

其中，从窑头罩排(3-2)出的α–氧化铝(b)在一次换热管道内与二次空气(h)换热，温度降至600～650℃，然后在悬浮冷却器ⅰ(5)内气固分离，分离出的α–氧化铝(b)在二次换热管道内与二次空气(h)换热，温度降至400～450℃，然后在悬浮冷却器ⅱ(6)内气固分离，分离出的α–氧化铝(b)在三次换热管道内与二次空气(h)换热，温度降至230～280℃，然后在悬浮冷却器ⅲ(7)内气固分离后排出；进入悬浮冷却器ⅲ(7)的二次空气(h)在三次换热管道内经换热后温度升至230～280℃，进入悬浮冷却器ⅱ(6)后在二次换热管道内经换热后温度升至400～450℃，进入悬浮冷却器ⅰ(5)后在一次换热管道内经换热后温度升至600～650℃，然后进入窑头罩；

从悬浮冷却器ⅲ(7)排出的α–氧化铝(b)空冷至常温；

悬浮预热器ⅰ(1)进行气固分离后产生的含粉尘和氮氧化物的气体先进入烟气净化系统(9)的除尘器，经除尘后产生的粉尘(f)从烟气净化系统的出料口排出，经进料管道返回悬浮预热器ⅰ(1)；除尘产生的除尘气体进入脱硝反应器，经脱硝后形成除尘脱硝气体(g)从烟气净化系统(9)的出气口进入引风机，再经引风机排出；

引风机排出的除尘脱硝气体(g)中，nox折算成no2的浓度≤50mg/nm³，粉尘浓度≤5mg/nm³；

二次空气(h)的体积流量占二次空气(h)和一次空气(e)总体积流量的88～92％；

α–氧化铝产品(c)按质量百分比含α–al2o393％，密度3.95g/cm³，灼减0.2％。

实施例2

装置结构同实施例1；

方法同实施例1，不同点在于：

(1)单位时间内，窑头燃料(d2)通入量为窑尾燃料(d1)通入量的3倍；

氢氧化铝原料(a)进入悬浮预热器ⅰ(1)时被升温至180℃；进入悬浮预热器ⅱ(2)时被升温至380℃；

(2)一次脱水物料进入回转窑(3)，先被加热至550℃完成二次脱水；被加热至1400℃后，在1400℃保持40min；

(3)α–氧化铝(b)降温至900℃从窑头罩(3-2)排出；

(4)从悬浮冷却器ⅲ(7)排出的α–氧化铝(b)进入管式换热器以水为冷却介质降温至80℃以下，再排出空冷至常温；

(5)α–氧化铝产品(c)按质量百分比含α–al2o390％，密度3.93g/cm³，灼减0.2％。