Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор литературных данных по технологии и аппаратурному оформлению процесса кальцинации гидроксида алюминия 10
1.1. Физико-химические процессы, происходящие при термообработке гидроксида алюминия 10
1.1.1. Дегидратация гидроксида алюминия 11
1.1.2. Полиморфные превращения оксида алюминия 15
1.2. Современные требования к качеству глинозема 17
1.3. Аппаратурное оформление процесса кальцинации 24
1.4. Выводы по разделу 31
2. Методика проведения испытаний 32
2.1. Методика проведения опытно-промышленных испытаний центробежного пылеуловителя 32
2.2. Методика проведения промышленных испытаний центробежного пылеуловителя 33
2.3. Методика проведения опытно-промышленных испытаний интенсификации процесса кальцинации путем дробного сжигания топлива 35
2.4. Выводы по разделу 37
3. Совершенствование аппаратурной схемы запечной газооочистики вращающихся печей кальцинации 38
3.1. Принцип действия центробежного пылеуловителя 39
3.2. Опытно-промышленные испытания центробежного пылеуловителя 47
3.2.1. Аппаратурно-технологическая схема системы аспирации с центробежным пылеуловителем 47
3.2.2. Результаты опытно-промышленных исследований 48
3.3. Промышленные испытания центробежного пылеуловителя 51
3.3.1. Аппаратурно-технологическая схема запечной газоочистки печи кальцинации с центробежным пылеуловителем 51
3.3.2. Проведение промышленных испытаний центробежного пылеуловителя.53
3.4. Выводы по разделу 55
4. Интенсификация процесса кальцинации гидроксида алюминия путем дробного сжигания топлива 57
4.1. Аппаратурно-технологическая схема организации дробного сжигания топлива 58
4.2. Результаты проведения опытно-промышленных испытаний 60
4.3. Выводы по разделу 65
Общие выводы 67
Список использованных источников 70
Приложения 80
Приложение №1 81
Приложение №2 82
Приложение №3 85
Приложение №4 87
Приложение №5 89
Приложение №6 92
- Современные требования к качеству глинозема
- Принцип действия центробежного пылеуловителя
- Аппаратурно-технологическая схема запечной газоочистки печи кальцинации с центробежным пылеуловителем
- Результаты проведения опытно-промышленных испытаний
Современные требования к качеству глинозема
В течение длительного времени требования к физико-химическим свойствам металлургического глинозема определялись в первую очередь исходным сырьем и наличием энергоресурсов.
Так, глиноземные заводы Северной Америки при наличии дешевой электроэнергии и трехгидратного боксита производили глинозем песчаного (sandy) типа. Предприятия Европы и Японии в условиях использования моногидратного боксита и дорогой электроэнергии производили глинозем мучнистого (floury) типа. Физические свойства различных глиноземов представлены в табл. 1.1.
Согласно ГОСТ-30558-98 [86], регламентирующего качество металлургического глинозема в России и странах СНГ, ограничивается содержание таких примесей как Si02, Fe203, ZnO, Р203,суммы Na20 +-К20 в пересчете на Na20 и суммы Ti02, V205, Сг203, МпО. Содержание a- A1203 и п.п.п. устанавливают по согласованию с потребителем.
Возрастающие требования по повышению производительности, улучшению условий труда, снижению капитальных затрат на тонну получаемого алюминия и расхода электроэнергии, ужесточение норм экологии привели к развитию новых технологий электролиза алюминия и новых типов электролизеров, требующих определенных типов глиноземов с заданными свойствами [87].
Физико- химические характеристики глинозема должны обеспечивать бесперебойное и регулируемое питание без образования «вулканов» и пыления, хорошую растворимость в электролите с хорошим покрытием анода и устойчивой коркой, получение металла требуемой химической чистоты. Так же глинозем должен обладать высокой адсорбционной способностью [88].
Для бесперебойного и регулируемого питания глинозем должен иметь низкую прокалку (содержание аА1203 -5%) [89, 90], неорганизованную кристаллическую структуру из у и 5 фаз [91], узкий диапазон гранулометрического состава (45 - ЮОмкм) с содержанием фракций 45 мкм 10-15 % [92] и низкий коэффициент истирания [93, 94]. Бесперебойное и регулируемое питание обеспечивается глиноземом с хорошей текучестью [95, 96], низким коэффициентом истирания и содержанием фр. -45 мкм менее 20%. Отсутствие образования «вулканов» и пыления во время питания достигается за счет низкого содержания в глиноземе гидроксида алюминия (менее 0,5 %), удельной поверхности не более 80 м /г, отсутствия недокаленной мелочи и низкого содержания влаги в глиноземе. Величина показателя удельной поверхности так же характеризует адсорбционную способность глинозема.
Такие показатели как угол естественного откоса, крупность частиц, а также содержание осА12Оз отвечают за качество покрытия анода и устойчивость корки. И наконец, низкое содержание примесей обуславливает получение металла требуемой химической чистоты. [97]
Выполнение этих условий позволяет, с одной стороны, интенсифицировать технологический процесс электролиза благодаря лучшей растворимости такого глинозема в электролите, а с другой - повысить экологическую безопасность за счет снижения пыления, а также увеличения адсорбционной способности такого глинозема при использовании его в газоочистных установках.
Свойства глинозема, по мнению специалистов фирмы Pechiney, обеспечивающие эффективную работу электролизеров с обоженными анодами и точечным питанием, работающих с сухой газоочисткой, приведены в табл.2.[87, 98].
Зарубежными специалистами были выполнены различные исследования по определению оптимальных характеристик глинозема, подходящих для современных электролизеров, а также разработаны технические условия, в которых указываются предельно-допустимые и рекомендуемые значения основных характеристик Требования фирмы Aluminium Pechiney к глинозему представлены в табл. 1.3 [97], фирмы Reynolds Metals Company - в табл. 1.4. [88].
Отечественный глинозем не удовлетворяет требованиям по содержанию а А1203, текучести и пылеуносу и относится к глинозему "мучнистого" типа.
Получение "песчаного" глинозема на отечественных заводах возможно за счет коренной реконструкции глиноземного производства, требующей значительных капитальных вложений.
Физико - химические характеристики глинозема во многом определяются видом используемого сырья и особенностями технологии гидрометаллургических переделов получения глинозема [99, 100]. Тем не менее, передел кальцинации, является завершающим в технологической цепочке получения глинозема и так же оказывает существенное влияние на физико-химические свойства получаемого глинозема.
Выбором аппаратурного оформления, технологических режимов и схем движения материальных потоков процесса кальцинации можно оказывать влияние на такие важнейшие характеристики качества глинозема как содержание а-А1203 и п.п.п., а так же на его гранулометрические характеристики. Именно эти характеристики обуславливают важнейшие, с точки зрения электролиза, свойства глинозема, такие как, время растворения в электролите, угол естественного откоса и время истечения.
В рамках данной работы предлагается решение по улучшению одной из характеристик металлургического глинозема содержанию а- фазы в металлургическом глиноземе.
Глинозем вращающихся печей кальцинации характеризуется повышенным, по сравнению с глиноземом стационарных печей, содержанием сс-А1203 табл. 1.5. [101].
Принцип действия центробежного пылеуловителя
Газоочистные аппараты, основанные на использовании центробежной силы, получили широкое распространение в металлургии [137] , в частности при очистке отходящих газов вращающихся печей кальцинации. К этой группе газоочистных аппаратов относятся различные виды циклонов, отличающиеся по способу подвода газа в аппарат (спиральный, тангенциальный, винтообразный, осевой), формой корпуса (цилиндрическая, коническая) и компоновкой (одиночной, групповой, батарейной).
Процесс пылеотделения в циклоне ,как и в центробежном пылеуловителе, основан на том принципе, что при вращении газового потока пылевые частицы получают радиальное ускорение ,под действием которого движутся к наружной части газового потока и выводятся из него [138.]
В циклоне формируется сложный турбулентный поток газа, изучение параметров которого связно с большими трудностями. В начале тридцатых годов [139] была предложена схема движения газового потока, подтвержденная последующими исследованиями и принятая в настоящее время.
Согласно принятой теории, газовый поток со взвешенными в нем твердыми частицами с большой скоростью вводится по касательной к стенке цилиндрической части циклона, где делает несколько спиральных витков в сторону пылеотводящего отверстия, а затем по внутренней спирали движется к выхлопной трубе. При входе в циклон взвешенные в потоке частицы по инерции движутся по своим первоначальным траекториям, а затем под действием газового потока их траектории искривляются. Вдальнеишем тангенциальные скорости частиц приближаются к скорости основного потока, наступает период квазистационарного движения.
Сепарация частиц осуществляется за счет центробежных сил, вызывающих появление радиальной составляющей скорости относительно среды. Кроме основного движения в циклонах имеет место вторичное циркуляционное движение [140].
Многочисленными авторами разработана теория движения и сепарации твердых частиц в различных газоочистных аппаратах [141, 142, 143].
Однако, в связи со сложным характером движения газов и полидисперсным составом пыли в основу практических расчетов центробежного газоочистного оборудования положены разработанные различными авторами [144-146] эмпирические зависимости.
Кроме циклонов, широкое распространение получили и другие аппараты для очистки запыленных газов и сепарации мелкозернистых материалов за счет действия центробежных сил. Например, устройства [147, 148] для отделения твердых частиц из газовой среды за счет действия центробежных сил.
Сотрудниками ОАО ВАМИ разработан центробежный пылеуловитель, предназначенный для отделения порошкообразного материала от газового потока [149]. Устройство выполнено в виде изогнутой части газохода с патрубком для вывода отделенных твердых частиц на наружной поверхности изогнутой части газохода и выступами перед этим патрубком на внутренней поверхности изогнутой части газохода.
Это устройство опробовано при отработке технологии укрупнения глинозема [150]. В ходе проведения работы выполнены опыты по определению сравнительных характеристик лабораторных центробежного пылеуловителя и циклона НИИОгаз (табл. З.1.). Из данных представленных в табл. 3.1. видно, что при примерно сопоставимых скоростях на сечение сопротивление циклона в 2,5-4 раза больше.
Кроме того, центробежный пылеуловитель предлагалось использовать для классификации гидроксида алюминия [151] и в установке для получения термоактивированного глинозема [152]. Несмотря на высокий коэффициент пылеулавливания и низкое сопротивление для такого конструктивного оформления центробежного пылеуловителя характерен ряд недостатков. Прежде всего, это громоздкость сооружения при использовании на агрегатах большой единичной мощности из-за больших значений радиуса кривизны изогнутой части газохода.
Кроме того, устройство имеет ограничение радиуса кривизны изогнутой части газохода - не более четырех условных диаметров газохода, т.к. далее увеличиваются габариты устройства и капитальные затраты на его сооружение. Сложность эксплуатации за счет затрудненного доступа для внутреннего осмотра и ремонта. Кроме того, значительные габариты вызывают увеличение ветровой нагрузки и связанное с этим дополнительное укрепление существующих площадок, что значительно удорожает стоимость реконструкции.
Сотрудниками ОАО ВАМИ разработан центробежный пылеуловитель оригинальной конструкции [153, 154] в виде изогнутого в один виток газохода (рис. 3.2.).
Работает центробежный пылеуловитель следующим образом: Во входной патрубок 1 устройства направляют газовый поток со взвешенными в нем твердыми частицами. Трамплинообразными уступами 2 газовый поток отбрасывается к наружной стенке изогнутого по радиусу корпуса газохода 3. При прохождении газопылевым потоком изогнутого участка под действием центробежных сил происходит разделение твердых частиц и газового потока.
Обеспыленный газовый поток через щелевидное отверстие 5 поступает в трубу 4 и через патрубки 9 и 10 направляется для последующей очистки. Козырек 6 способствует уменьшению проскоку частиц пыли с отходящими газами.
Частицы пыли через бункер 7 с запорным устройством 8 поступают на дальнейшую обработку или в емкость товарного продукта.
Радиус кривизны изогнутой части наружного корпуса газохода не зависит от условного диаметра газохода, а определяется лишь диаметром трубы для вывода обеспыленного потока и зазором между двумя изогнутыми в один виток поверхностями: внутренняя поверхность - труба 4 для вывода обеспыленного потока и наружная поверхность - патрубок 1 для ввода газового потока с твердыми частицами и изогнутого корпуса газохода 3.
Другой параметр газохода - его длина. Определяется оптимальной конструкцией, при которой гарантированно завершается с высокой эффективностью процесс разделения твердой и газовой фаз при скоростях газового потока в пределах 2-16 м/с в зависимости от гранулометрического состава твердых частиц и их концентрации в газовом потоке.
На этом пути в один виток при оптимальной скорости газового потока твердые частиц успевают под действием центробежных сил быть прижатыми к внутренней поверхности изогнутого в один виток наружного корпуса газохода 3, что необходимо для вывода их через приемный бункер 7 с запорным элементом 8 на выгрузку.
Внутри изогнутой части газохода расположена труба 4 для вывода обеспыленного газового потока. Труба имеет на всем своем протяжении щелевидное отверстие 5 для ввода обеспыленного газового потока. Отношение площади щелевидного отверстия 5 равно или больше площади поперечного сечения трубы 4 для вывода обеспыленного газового потока. При этом сохраняется постоянная скорость газового потока или, если позволяет конструкция устройства, то скорость уменьшается, что соответственно снижает сопротивление системы и энергозатраты.
Если площадь щелевидного отверстия 5 будет меньше площади поперечного сечения трубы 4 для вывода обеспыленного газового потока, то с увеличением скорости газового потока в отверстии возрастут гидравлическое сопротивление системы и энергозатраты.
Отверстие на трубе 4 для вывода обеспыленного газового потока располагается в ее нижней части так, чтобы увеличить угол поворота газового потока, а следовательно повысить эффективность разделения твердой и газовой фаз.
Для ускорения разделения твердых частиц от газового потока и прижатия частиц к наружной поверхности корпуса газохода могут быть установлены трамплинообразные уступы 2: первый - по ходу движения газового потока на входе в газоход, а второй - вначале изгиба корпуса газохода.
Аппаратурно-технологическая схема запечной газоочистки печи кальцинации с центробежным пылеуловителем
Промышленные испытания центробежного пылеуловителя в качестве первой ступени запечной газоочистки печи кальцинации №5 проводили совместно с АО "Алюминий Казахстана" ., промышленных испытаний центробежного пылеуловителя установленного в качестве первой ступени запечной газоочистки печи кальцинации №5.
Аппаратурно-технологическая схема запечной газоочистки с центробежным пылеуловителем приведена на рис. 3.3. внешний вид центробежного пылеуловителя нарис. 3.4. автор выражает благодарность сотрудникам АО "Алюминий Казахстана" Салыкову B.C., Сойко Ю.А., Мильшину О.Н.. Мелешенко В.И., Дунаевскому В.А. и Маруевой Т.В. за организацию и проведение совместных испытаний
Отходящие газы печи кальцинации 1 по газоходу 2 за счет разряжения, создаваемого дымососом 3, поступают на первую ступень запечной газоочистки. В ка-честве первой ступени запечной газоочистки применен центробежный пылеуловитель 4. Уловленный в центробежном пылеу-ловителе 4 материал из бункера 5 через мигалки 6 поступает в сборник оборотной пыли 7. Частично газоочистки 10, выполненную на батарейных циклонах ЦН-15 0 1200.
Пыль второй ступени газоочистки через мигалки 11 так же направляют в сборник оборотной пыли 7. Окончательная очистка отходящих газов происходит в электрофильтре 12. Уловленную в электрофильтре 12 пыль через реечные затворы 13 и питатели 14 направляют на винтовой конвейер 15. Винтовым конвейером 15 пыль электрофильтра 11 через дисковые затворы 16 струйными насосами 17 направляют в сборник оборотной пыли 7 и далее либо в печь кальцинации 1, либо в холодильник кипящего слоя (на схеме не показан).
Предварительные расчеты1 показали, что количество газов перед первой ступенью составит 133 т. м3/ч. Тогда, при скорости 15 м/с и температуре отходящих газов равной 300 С площадь центробежного пылеуловителя составит, м2
Результаты проведения опытно-промышленных испытаний
Опытно-промышленные испытания проводили в период с 07.02.020 по 24.02.02 г.
Перед началом испытаний средний расход газа в печь кальцинации составил 1531 м7ч, при колебаниях от 1505 до 1600 м /ч. Производительность печи составила 10 т/ч при колебаниях от 7,9 т/ч до 11,4 т/ч. Удельный расход колебался от 134,1 м3/т до 193,3 м3/т при среднем значении 155,2 м3/т. В единицах условного топлива средний расход составил 177 кг ут/т.
Средние значения параметров работы печи кальцинации до и во время проведения испытании приведены в табл. 4.1. Полностью массив данных приведен в Приложении 1 и Приложении 2.
Условно период испытаний можно разбить на четыре этапа, характеризуемые различными значениями технологических показателей.
Первый этап продолжался 22 смены с 14.02.02 (см2) по 21.02.02 (см2). При этом расход газа в печь кальцинации колебался от 1238 м /ч до 1300 м /ч и в среднем составил 1276 м /ч. Расход газа в топку колебался от 171 м /ч до 178 м /ч при среднем значении 173 м /ч. Производительность печи по глинозему изменялась от 8,9 т/ч до 11,3 т/ч и в среднем составила 10,3 т/ч. При этом удельный расход топлива колебался от 128,6 м /т до 162,4 м /т при среднем значении 141 м3/т. В единицах условного топлива удельный расход изменялся от 146,6 кг ут/т до 185,1 кг ут/т при среднем значении равном 161,5 кг ут/т. Средняя влажность гидрата 16.0%.
Продолжительность второго этапа составила две смены с 21.02.02 (смЗ) по 22.02.02 (смі). При проведении второго этапа средний расход газа в печь составил 1180 м7ч при колебаниях от 1157 м /ч до 1199 м /ч. Расход газа в топку был снижен до 156 м3/ч и не изменялся в ходе проведения второго этапа испытаний. При этом средний удельный расход топлива составил 156 м3/т при изменениях от 150,3 м3/т до 161,0 м3/т. В единицах условного топлива среднее значение удельного расхода составило 177,4 кг у т/т. Производительность печи кальцинации по глинозему изменялась от 8,3 т/ч до 8,9 т/ч и в среднем за период испытаний составила 8,6 т/ч. Средняя влажность гидрата осталась неименной и составила 16,0%.
Третий этап испытаний продолжался пять смен с 22.02.02 (см2) по 23.02.02 (смЗ). При этом расход газа в печь кальцинации колебался от 1175 м3/ч до 1301 м /ч и в среднем составил 1265 м7ч. Расход газа в топку колебался от 156 м /ч до 174 м /ч при среднем значении 171 м /ч. Производительность печи по глинозему изменялась от 9,6 т/ч до 11,0 т/ч и в среднем составила 10,4 т/ч. При этом удельный расход топлива колебался от 132,0 м3/т до 146,5 м3/т при среднем значении 138,8 м3/т. В единицах условного топлива удельный расход изменялся от 150,5 кг ут/т до 167,0 кг ут/т при среднем значении равном 158,2 кг ут/т. Средняя влажность гидроксида алюминия 14.4%.
Продолжительность четвертого этапа составила три смены с 24.02.02 (смі) по 24.02.02 (смЗ). При проведении четвертого этапа средний расход газа в печь составил 1212 м3/ч при колебаниях от 1130 м3/ч до 1296 м3/ч. Расход газа в топку практически не изменялся и составил 172 м3/ч. При этом средний удельный расход топлива составил 147,7 м3/т при изменениях от 144,4 м3/т до 154,2 м /т. В единицах условного топлива среднее значение удельного расхода составило 168,4 кг у т/т. Производительность печи кальцинации по глинозему изменялась от 8,9 т/ч до 10,0 т/ч и в среднем за период испытаний составила 9,4 т/ч.
Необходимо отметить, что при небольших объемах данных (п=19), характеризующих работу печи кальцинации до проведения испытаний, на среднее значение показателей большое влияние оказывают крайние точки выборки (минимальные и максимальные значения). В нашем случае более объективную картину дает рассмотрение гистограмм распределения основных технологических параметров до и во время проведения испытаний.
Кроме того, полученные данные были проверены на однородность, согласно методике, изложенной в 2.3., для исключения аномальных результатов. Результаты представлены в Приложении 2.
В связи с тем, что объемы выборок значительно отличаются частота выпадения того или иного значения параметра представлена в процентах от общего количества выборки.
Из гистограммы распределения удельных расходов топлива до и во время проведения испытаний (рис.4) видно, что характер распределения значений различный. Если в период, предшествующий испы-таниям, на интервал 170-180 кг у т/т приходится более 80% данных. На интервал 150-160 кг у т/т приходится примерно 16% данных. При работе с топочным устройством максимум распределения (35%) приходится на интервал 150-160 кг у т/т. Если до проведения испытаний на интервал 170-180 кг у т/т приходилось более 41%, то во время испытаний эта величина составила 25%. Кроме того, во время проведения испытаний около 10% находятся в интервале 140-150 кг у т/т. До проведения испытаний значения в интервале 140-150 кг у т/т отсутствуют.
Как видно из данных, представленных на рис. 5, несмотря на не столь существенную разницу в средних значениях показателя влажности исходного гидроксида алюминия до проведения испытаний (14,4%) и во время проведения испытаний (15,4%) на самом деле отличие более значительно. Если до испытаний на интервал 15-16% приходится всего 29% значений, то во время проведения испытаний уже 75 % значений.
Приведенные данные по содержанию влаги в гидроксиде алюминия наиболее наглядно показывают, что для достоверной оценки результатов средних значений недостаточно.
При работе печи кальцинации с выносной топкой расход газа в печь м /ч. Расход газа в топку колебался от 151 м /ч до 242 м /ч при среднем значении 171 м /ч. Производительность печи по глинозему изменялась от 8,3 т/ч до 11,3 т/ч и в среднем составила 10,3 т/ч. При этом удельный расход колебался от 129 м3/т до 175 м3/т (рис.4.5.) при среднем значении 145 м3/т. В единицах условного топлива удельный расход изменялся от 147 кг ут/т до 199 кг ут/т при среднем значении, равном 162 кг ут/т.
При работе с топочным устройством снизилось содержание сс-АЬОз (рис.4.6.).
Если до проведения испытаний среднее содержание а - фазы составило 27% при максимуме 34%, то во время работы с топочным устройством среднее значение содержания а-А1203 составило 20-21%. Максимальное содержание а -фазы равнялось 24%.
Таким образом, при работе с топочным устройством снижено содержания а-А1203 на 13-14%. Во время проведения испытаний значительных изменений в содержании Si02, Fe203, R20 и СаО не наблюдалось.
Оценочный корпоративный эффект от внедрения дробного сжигания топлива составит на ОАО "Ачинский глиноземный комбинат" составит 922,6 тыс.дол3
Похожие диссертации на Усовершенствование технологии кальцинации гироксида алюминия для улучшения физико-химических свойств глинозема и снижения удельного расхода топлива
