氣態(tài)懸浮焙燒爐節(jié)能環(huán)保技術(shù)研究與應(yīng)用

劉保偉，張旭明，黃棟城，胡國(guó)文，金銘忠

（1.靖西天桂鋁業(yè)有限公司，廣西 靖西 533819；2.百色學(xué)院，廣西 百色 533000）

眾所周知，在氧化鋁的生產(chǎn)過(guò)程中，將氫氧化鋁轉(zhuǎn)變?yōu)檠趸X的工藝過(guò)程稱為焙燒工序。氫氧化鋁焙燒的任務(wù)就是在高溫下將氫氧化鋁的附著水及結(jié)晶水除去，并使其晶型發(fā)生部分轉(zhuǎn)變，以獲得適合電解所要求的氧化鋁。氫氧化鋁的焙燒是一個(gè)強(qiáng)烈的吸熱耗能過(guò)程，要保證焙燒過(guò)程的持續(xù)進(jìn)行，必須源源不斷地供給燃料。

目前常用的氫氧化鋁流態(tài)化焙燒裝置，主要有流態(tài)化閃速焙燒爐、循環(huán)流化床焙燒爐和氣態(tài)懸浮焙燒爐（簡(jiǎn)稱懸浮爐）［1-2］。氣態(tài)懸浮焙燒爐相對(duì)于閃速焙燒爐和流化床焙燒爐，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，阻力小，產(chǎn)品質(zhì)量均勻，容易開停，系統(tǒng)在微負(fù)壓下運(yùn)行有利于操作巡查和檢修，使用更為廣泛，本文主要研究氣態(tài)懸浮焙燒爐的節(jié)能和環(huán)保技術(shù)。

流態(tài)化焙燒爐熱效率較高，能耗低于3.20 GJ/t-AO，比傳統(tǒng)的回轉(zhuǎn)窯焙燒工藝節(jié)約30%以上［1-2］。第一代氣態(tài)懸浮焙燒爐收塵系統(tǒng)收塵后的細(xì)粉（俗稱收塵灰、窯灰、返灰）返回CO2（第二級(jí)冷卻器）中與主爐出來(lái)的氧化鋁混合，焙燒溫度為 1 050～1 200 ℃［3］，因焙燒溫度較高，在燃燒過(guò)程中生成氮氧化物（NOx）污染物量較大；收塵系統(tǒng)采用靜電除塵器，排放煙氣中的顆粒物為40～50 mg/Nm3，超出特別排放值標(biāo)準(zhǔn)；關(guān)于氣態(tài)懸浮焙燒爐節(jié)能研究，前期已有數(shù)篇報(bào)道，主要是研究系統(tǒng)漏風(fēng)、爐體散熱大和空氣過(guò)剩系數(shù)方面［4-6］，但尚未發(fā)現(xiàn)有通過(guò)延長(zhǎng)煅燒氧化鋁停留時(shí)間、控制返灰量，實(shí)現(xiàn)降低焙燒溫度和降低熱耗的報(bào)道；關(guān)于氣態(tài)懸浮焙燒爐降低煙氣污染物排放，尚未發(fā)現(xiàn)有這方面的研究報(bào)道。因此，通過(guò)研究應(yīng)用節(jié)能減排技術(shù)，進(jìn)一步降低能耗、減少氮氧化合物和粉塵的排放、降低運(yùn)行成本，具有積極的意義。

1 焙燒過(guò)程產(chǎn)品質(zhì)量控制和環(huán)保排放指標(biāo)的要求

按照特別排放值的標(biāo)準(zhǔn)，第一代氣態(tài)懸浮焙燒爐的排放達(dá)不到要求。

2 氣態(tài)懸浮焙燒爐工藝流程

氣態(tài)懸浮焙燒爐工藝原理如圖1所示。

圖1 氣態(tài)懸浮焙燒爐工藝原理流程圖

由圖1可知，焙燒爐主要由若干個(gè)旋風(fēng)分離器組成，新空氣從CO4進(jìn)入，經(jīng)過(guò)冷卻高溫氧化鋁產(chǎn)生熱空氣再經(jīng)主爐完成焙燒后產(chǎn)生煙氣，因?yàn)樾L(fēng)分離器的分離效率達(dá)不到100%，空氣和煙氣中夾帶有細(xì)粉，在預(yù)熱器PO1與固體分離后夾帶有細(xì)粉的煙氣經(jīng)收塵器捕集后成為收塵灰（俗稱收塵灰、返灰、窯灰），即收塵灰中既有焙燒完成的氧化鋁，也有未經(jīng)焙燒氫氧化鋁及輕燒的未完成焙燒的物料。

3 影響氣態(tài)懸浮焙燒爐能耗指標(biāo)的主要因素

影響氣態(tài)懸浮焙燒爐能耗指標(biāo)的主要因素有氫氧化鋁附水量、焙燒溫度、停留時(shí)間、氫氧化鋁粒度、各旋風(fēng)分離器的分離效率、氧化鋁出料溫度和煙氣溫度等。

3.1 氫氧化鋁附著水的影響

給焙燒爐進(jìn)料的氫氧化鋁附著水含量對(duì)焙燒氧化鋁的產(chǎn)量和能耗影響比較大，氫氧化鋁附水含水率每降低1%，焙燒熱耗降低2 583.3 MJ/h，則噸氧化鋁熱耗降低25.833 MJ。氫氧化鋁附著水含水率與焙燒噸氧化鋁節(jié)約熱耗（能耗）的關(guān)系如圖2所示。

圖2 入爐氫氧化鋁附著水含水率與焙燒噸氧化鋁節(jié)約熱耗的關(guān)系

3.2 焙燒溫度的影響

從氫氧化鋁焙燒過(guò)程溫度與一系列物理化學(xué)變化的情況來(lái)看，焙燒溫度1 000 ℃以內(nèi)即可產(chǎn)出合格成品氧化鋁，而第一代氣態(tài)懸浮焙燒爐實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)焙燒溫度卻高于 1 050 ℃。

焙燒溫度的高低會(huì)導(dǎo)致焙燒熱耗的變化，如圖3所示。

由圖3可見(jiàn)，隨著主爐焙燒溫度的提高，氧化鋁的焙燒熱耗增加。影響焙燒溫度的因素較多，主要有操作控制、產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)、氫氧化鋁粒度分布、停留時(shí)間、灼減和-氧化鋁含量等。

3.2.1 操作控制對(duì)焙燒溫度的影響

生產(chǎn)過(guò)程中，主要是控制灼減和主爐焙燒溫度。焙燒溫度與灼減的關(guān)系見(jiàn)表1。

表1 焙燒溫度與氧化鋁灼減的關(guān)系

由表1可見(jiàn)，為了降低熱耗，節(jié)約能源，焙燒溫度的控制與氧化鋁的灼減不應(yīng)過(guò)低，保證≤1.0%即可。

3.2.2 粒度變化對(duì)焙燒溫度的影響

研究發(fā)現(xiàn)，氧化鋁粒度對(duì)焙燒溫度影響較大。以氧化鋁產(chǎn)品粒度-45 μ m為10%～15%屬于正常為例，如果粒度細(xì)化，粒度-45 μ m達(dá)20%～30%時(shí)，焙燒溫度必須比正常溫度高出50～80 ℃才能確保產(chǎn)品氧化鋁灼減合格；如果粒度粗化，粒度-45 μ m＜7%時(shí)，焙燒溫度比正常低20～50 ℃，氧化鋁產(chǎn)品灼減也合格。據(jù)測(cè)定，正常粒度時(shí)，返灰量為10%，粒度細(xì)化時(shí)，旋風(fēng)分離器分離效率下降，返灰量高達(dá)25%，粒度粗化時(shí)，返灰量為5%左右。另外，如果＞100 μ m的顆粒比例較大，在主爐焙燒過(guò)程中由于只有幾秒鐘的時(shí)間，停留時(shí)間短，焙燒不完全，灼減指標(biāo)難以合格，需要較高的主爐焙燒溫度來(lái)保證。所以，穩(wěn)定生產(chǎn)出合格粒度的分解產(chǎn)物，減少周期性細(xì)化，可以降低焙燒溫度，節(jié)約焙燒能源。

3.2.3 收塵灰對(duì)灼減和焙燒溫度的影響

由上述可知，焙燒爐煙氣中夾帶有細(xì)粉，在預(yù)熱器PO1與固體分離后進(jìn)入收塵系統(tǒng)，經(jīng)收塵器捕集后成為收塵灰，收塵灰中既有焙燒完成的氧化鋁，也有未經(jīng)焙燒氫氧化鋁及輕燒的未完成焙燒的細(xì)顆粒物料，其特性見(jiàn)表2。

表2 焙燒爐收塵灰性質(zhì)

由表2可見(jiàn)，收塵灰粒度細(xì)，灼減高。第一代焙燒爐收塵灰返回到溫度≤600 ℃的CO2中，收塵灰在CO2中不能轉(zhuǎn)化成-Al2O3，若要保證產(chǎn)品灼減指標(biāo)合格，就需要主爐焙燒溫度控制較高，產(chǎn)出較低灼減的氧化鋁與收塵灰混合后才能保證最終氧化鋁產(chǎn)品合格。

4 氣態(tài)懸浮焙燒爐節(jié)能減排的技術(shù)措施

通過(guò)上述研究發(fā)現(xiàn)，采用控制氫氧化鋁產(chǎn)品粒度、減少收塵灰返灰量、應(yīng)用布袋除塵器和停留槽技術(shù)，以及將收塵灰加入溫度較高的冷卻器中加大部分氫氧化鋁轉(zhuǎn)變?yōu)檠趸X的量等技術(shù)，可以進(jìn)一步降低焙燒溫度（氣態(tài)懸浮焙燒主爐氧化鋁的焙燒停留時(shí)間只有幾秒鐘，焙燒相變反應(yīng)時(shí)間不夠）、節(jié)約能耗和減少煙氣排放污染物。

4.1 氫氧化鋁粒度控制

通過(guò)調(diào)節(jié)氫氧化鋁分解過(guò)程的技術(shù)參數(shù)，穩(wěn)定產(chǎn)出砂狀粒度產(chǎn)品，使進(jìn)入氣態(tài)懸浮焙燒爐的氫氧化鋁粒度-20 μ m控制在≤0.5%～2%、-45 μ m粒 度 控 制 在5%～10%，有利于減少收塵灰的返灰量（如果長(zhǎng)期粒度偏細(xì)，也可以通過(guò)改變旋風(fēng)預(yù)熱器PO1內(nèi)插入筒的的長(zhǎng)度，提高分離效率，獲得理想的收塵灰返灰量）。

4.2 降低氫氧化鋁附著水含水率

通過(guò)實(shí)施砂狀氧化鋁生產(chǎn)工藝，氫氧化鋁顆粒較粗，加上產(chǎn)品氫氧化鋁洗滌配置高效的平盤過(guò)濾機(jī)，氫氧化鋁附著水含水率可降到7%，進(jìn)而通過(guò)在產(chǎn)品過(guò)濾工序添加脫水劑，氫氧化鋁附著水含水率降到4%以下。以含水率基數(shù)為7%計(jì)，降低了3%，熱耗降低了77.499 MJ/t-Al2O3。

4.3 應(yīng)用停留槽技術(shù)

在焙燒旋風(fēng)分離器（PO3）的底部設(shè)置應(yīng)用一個(gè)停留槽（PO5），經(jīng)焙燒出來(lái)的氧化鋁在停留槽中在停留1～10 min之后再進(jìn)入第一級(jí)旋風(fēng)冷卻器（CO1），延長(zhǎng)焙燒后氧化鋁的停留時(shí)間，進(jìn)一步降低氧化鋁的灼減、降低焙燒溫度和氮氧化合物的生成量。

4.4 收塵灰返灰加入點(diǎn)的優(yōu)化

第一代氣態(tài)懸浮焙燒爐裝置電收塵灰返灰加入點(diǎn)是進(jìn)入到第二級(jí)旋風(fēng)冷卻器（CO2）中，因?yàn)镃O2中的溫度較低（一般為600 ℃以內(nèi)），收塵灰中灼減量在CO2中進(jìn)一步降低的量很少，更多的只是起到兩種物料的混合作用，為了通過(guò)降低主爐焙燒溫度來(lái)確保產(chǎn)品灼減合格，研究將收塵灰返回點(diǎn)改為加入溫度達(dá)650 ℃以上的CO1中。

4.5 焙燒煙氣減排技術(shù)措施

4.5.1 焙燒煙氣脫硫

采用工業(yè)煤氣作為燃料的氣態(tài)懸浮焙燒爐，煤氣脫硫在煤制氣工序進(jìn)行，確保煤氣中H2S含量小于123 mg/Nm3，以保證焙燒爐煙氣SO2排放在限值100 mg/Nm3的范圍內(nèi)。

4.5.2 焙燒煙氣脫硝

氣態(tài)懸浮焙燒爐主爐中燃燒火焰溫度達(dá)1 700 ℃，第一代爐主爐焙燒溫度在1 050 ℃以上，排放煙氣中NOx一般為300～450 mg/m3，本研究焙燒爐主爐焙燒溫度低于1 000 ℃，排放煙氣中 NOx略高于 100 mg/m3排放限值要求。

對(duì)已經(jīng)生成的NOx，采用脫硝技術(shù)減排。焙燒爐出口和熱分離器中具有合適的溫度區(qū)間（800～1 050 ℃）及足夠的反應(yīng)時(shí)間和良好的混合效果，該區(qū)域噴入脫硝劑完全滿足SNCR脫硝條件需求。根據(jù)該工況脫硝能力分析，焙燒爐SNCR具有60%及以上的脫硝效率。焙燒爐煙氣中顆粒物主要成分為氫氧化鋁和氧化鋁，與所使用的還原劑（氨水）均不會(huì)直接發(fā)生反應(yīng)，不會(huì)對(duì)產(chǎn)品產(chǎn)生影響。根據(jù)研究分析，SNCR脫硝技術(shù)適用于氣態(tài)懸浮焙燒爐，投資成本較低。

4.5.3 焙燒煙氣除塵

第一代氣態(tài)懸浮焙燒爐煙氣除塵采用靜電除塵器，焙燒排放煙氣顆粒物為40～50 mg/m3，研究采用布袋除塵器，排放煙氣顆粒物濃度優(yōu)于10 mg/m3排放限值的要求。

5 應(yīng)用研究效果

5.1 焙燒溫度和熱耗降低明顯

對(duì)上述研究技術(shù)實(shí)施工業(yè)化應(yīng)用后，統(tǒng)計(jì)了10日的焙燒爐生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)（見(jiàn)表3）。

表3 焙燒爐生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

由表3可見(jiàn)，通過(guò)研究并實(shí)施低溫焙燒技術(shù)后，獲得了顯著的節(jié)能效果，即焙燒溫度降低了100 ℃以上，在950 ℃左右的焙燒溫度即可，熱耗指標(biāo)降低了0.28 GJ/t-AO。

5.2 焙燒煙氣氮氧化合物產(chǎn)生量低

研究表明，焙燒過(guò)程中溫度對(duì)焙燒煙氣NOx原始排放濃度有一定影響，對(duì)SNCR脫硝有較大影響，焙燒過(guò)程溫度高將造成氨水消耗增加，統(tǒng)計(jì)了3個(gè)月焙燒爐焙燒溫度與氨水消耗，并按表4焙燒煙氣NOx原始排放濃度162.6 mg/Nm3作原始排放濃度計(jì)算脫硝效率。

表4 焙燒爐焙燒溫度與氨水消耗統(tǒng)計(jì)

由表4數(shù)據(jù)可見(jiàn)，焙燒爐主爐溫度高，氨水消耗增加，當(dāng)主爐溫度接近或超過(guò)1 000 ℃時(shí)，生產(chǎn)每噸氧化鋁脫硝所需氨水增大，且脫硝效率明顯降低。

主爐焙燒溫度在950 ℃的焙燒溫度下，焙燒煙氣NOx原始生成濃度較低，僅為162.6 mg/Nm3，煙氣進(jìn)行脫硝后達(dá)標(biāo)排放（NOx≤100 mg/Nm3）所消耗的氨水量較少。

5.3 焙燒煙氣粉塵顆粒物低

采用布袋除塵器替代靜電除塵器，收塵效果很好，粉塵顆粒物由40～50 mg/Nm3降到10 mg/Nm3以下。按年產(chǎn)80萬(wàn)t氧化鋁的生產(chǎn)線計(jì)，每年可減少粉塵排放，即減少氧化鋁損失 64.386 t。

5.4 效益

氣態(tài)懸浮焙燒爐應(yīng)用節(jié)能減排技術(shù)后，焙燒煙氣排放達(dá)到環(huán)保要求，應(yīng)用低溫焙燒和脫硝技術(shù)，使氮氧化合物低于100 mg/Nm3（年產(chǎn)80萬(wàn)t氧化鋁生產(chǎn)線減排氮氧化合物240 t），粉塵顆粒物由40～50 mg/Nm3降到10 mg/Nm3以下，每年減少氧化鋁損失42 t；氧化鋁焙燒熱耗為2.92 GJ/t-AO，比傳統(tǒng)焙燒爐的熱耗指標(biāo)（3.20 GJ/t-AO）降低了 0.28 GJ/t-AO。以年產(chǎn) 80 萬(wàn) t氧化鋁的生產(chǎn)線計(jì)算，則每年節(jié)約7 644.5 t標(biāo)煤，按照標(biāo)煤價(jià)格900元/t計(jì)算，則每年節(jié)約688萬(wàn)元，以上兩項(xiàng)合計(jì)年經(jīng)濟(jì)效益達(dá)700萬(wàn)元。按照火力發(fā)電燃燒1 t標(biāo)煤向大氣中排放 2.5 t CO2、7.5 kg SO2、3.7 kg NOx計(jì)算，氣態(tài)懸浮焙燒爐應(yīng)用節(jié)能減排技術(shù)每年可以減排CO219 111.2 t、SO257.3 t、NOx（含低溫焙燒和節(jié)約煤兩項(xiàng)）268.3 t，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益顯著。

6 結(jié)語(yǔ)

本文進(jìn)行了氣態(tài)懸浮焙燒爐節(jié)能環(huán)保技術(shù)應(yīng)用研究，分析了氧化鋁氣態(tài)懸浮焙燒爐影響焙燒溫度和氧化鋁產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)灼減的因素，研究了實(shí)施節(jié)能減排的途徑，實(shí)現(xiàn)了焙燒爐主爐溫度低于1 000 ℃，成功地應(yīng)用了低溫焙燒等節(jié)能減排技術(shù)，降本增效、節(jié)能減排效果顯著。