Схема получения глинозема на участке кальцинирования

Введение

 

 

Производство  алюминия развивается исключительно  быстрыми темпами, что объясняется, прежде всего, его ценными свойствами (малая плотность, высокая электропроводность, пластичность и устойчивость к коррозии), разнообразием областей применения и большой распространенностью алюминиевых руд в природе.

Производство  алюминия занимает первое место в  мире среди цветных металлов, - его  годовой выпуск превысил 20 млн. т, и  по объему производства он уступает только стали.

Производство  окиси алюминия представляет собой сочетание тонких процессов химических технологий, протекающих в сложных комплексах  аппаратов  непрерывного действия  с получением сотен тысяч тонн глинозема в год, при комплексной переработке низкосортных руд к этому следует добавить  еще и выпуск сотен тысяч тонн побочных продуктов (цемента, соды, поташа, минеральных удобрений). К химической чистоте  большинства продуктов глиноземных заводов предъявляются весьма высокие требования. Так, в глиноземе, пригодном для производства алюминия, может содержаться не более 0,03% SiО₂, 0,04% Fe₂О₃, 0,5% окислов щелочных металлов, в то время как в рудах содержание  этих окислов достигает соответственно 40,16 и 20%.

 Известно, что  глинозем является промежуточным  продуктом в производстве алюминия, поэтому вместе с увеличением выпуска алюминия происходит рост производства глинозема. На Павлодарском алюминиевом заводе производство глинозема осуществляется по последовательной, комбинированной схеме Байер-спекание. Данный способ обусловлен химическим составом бокситов (высокое содержание кремния и железа), поступающих на переработку.

 Участок  кальцинации – это подразделение  ГМЦ, в котором происходит завершающая  стадия производства основного  вида продукции завода – металлургического  глинозема. Процесс кальцинации гидроокиси алюминия Al(OH)₃ является заключительным при любой схеме производства глинозема и определяющим некоторые из его основных свойств и характеристик. Участок кальцинации также занимается складированием и отгрузкой глинозема потребителям. Входом на участок является поступление продукционного гидрата с участка №3 ГМЦ, выходом с участка является товарный глинозём, который направляется потребителю.

 

 

 

 

1 Теоретические основы  процесса

 

 

Гидроокись  алюминия – Al(ОН)₃ полученный в результате разложения гидратной пульпы на переделе декомпозиции, отмытый и отфильтрованный, является сырьем для получения глинозема на переделе кальцинации. Кальцинация глинозема – это передел, в котором происходит завершающая стадия производства основного вида продукции завода – металлургического глинозема.

Входом на передел  кальцинации является продукционный  гидрат с передела декомпозции, выходом  – товарный глинозем.

Процесс кальцинации  гидроксида алюминия является заключительным при любой схеме производства глинозема и определяющим некоторые из основных свойств и характеристик получаемого товарного глинозема.

В процессе кальцинации  гидроксида алюминия происходит его  сушка, дегидратация и структурные  превращения обезвоженного оксида алюминия по следующей схеме:

 

Al₂O₃*3H₂O Al₂O₃*H₂O - Al₂O₃ - Al₂O₃

^{гидраргилит                                          бемит                                                                                                    корунд}

 

 Технологическое оборудование участка представлено системой конвейеров подачи гидрата (узел загрузки), пятью технологически автономными печными нитками и складом товарного глинозема. Каждая печная нитка представляет собой комплекс оборудования, предназначенного для прокалки, охлаждения и транспортировки глинозема, а также газоочистного оборудования. По аппаратурному составу и технологии прокалки печные нитки принципиально не отличаются.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 Аппаратурно-технологическая схема участка кальцинации

 

 

Гидрат, поданный на участок по системе конвейеров, попадает в бункер гидрата печной нитки. Далее ленточным дозатором  СБ − 111, управляемым прокальщиком с огневой, гидрат подается в шнековый питатель, который, в свою очередь, загружает его в газоход навстречу отходящим печным газам. Таким образом, термообработка гидрата начинается еще до того, как он попадает в печь – значительная часть физической влаги удаляется из него в газоходах и в системе газоочистки в результате нагрева отходящими из печи газами. Унесенные газами при загрузке частицы гидрата, а также частицы материала, вынесенные из печи, улавливаются в системе газоочистки и возвращаются в печь. Система газоочистки состоит из двух ступеней – механическая (две стадии батарейных циклонов) и электрическая (вертикальные электрофильтры).

 

 

1 –  барабанный холодильник (БХ); 2 –  топочная камера; 3 – трубчатая  вращающаяся печь (ТВП); 4 – шнековый смеситель; 5 – загрузочный бункер; 6 – пластинчатый питатель; 7 – мультициклоны; 8 – электрофильтр; 9 – дымосос; 10 – насосы; 11 – загрузочная головка; 12 – течка для подачи гидроксида в печь

 

Рисунок 1 − Схема процесса кальцинации

 

Попав в печь через газоход или по пылепроводам из системы газоочистки, материал движется в сторону разгрузочной (горячей) головки печи за счет вращения трубчатой печи и ее уклона 2% в сторону разгрузки. Выходящий из печи глинозем имеет температуру ≈800÷900⁰С и, для дальнейшей транспортировки, охлаждается в холодильниках до температуры не выше 200⁰С.

Глинозем из печей охлаждается во вращающихся  трубчатых холодильниках. Движение глинозема в них осуществляется по тому же принципу, что и в печах  – за счет вращения корпуса холодильника и его уклона 2% в сторону разгрузки. Охлаждение происходит за счет орошения корпуса холодильника оборотной водой и за счет прососа через него атмосферного воздуха. Глинозем из печи охлаждается в холодильнике кипящего слоя. В нем охлаждение и движение материала осуществляется атмосферным воздухом - воздух нагнетается в холодильник через слой глинозема, приводя его в псевдосжиженное (или "кипящее") состояние. Просос воздуха и его нагнетание осуществляется дутьевыми вентиляторами. Нагретый глиноземом воздух подается ими в печи на сжигание мазута. Вентилятор – марки ВМ – 17.

Охлажденный в холодильниках глинозем откачивается камерными насосами (с помощью сжатого воздуха) по трубопроводам на склад глинозема. Десять трубопроводов (по числу камерных насосов – на каждую печь по два) уложены на эстакаде пневмотранспорта.

Склад глинозема представляет собой десять силосных башен, под которые подаются железнодорожные вагоны типа "хоппер – цементовоз". Погрузка глинозема в вагоны осуществляется вручную через разгрузочные рукава в днищах силосов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 Описание режимных параметров технологического процесса по операциям

 

 

Процесс кальцинации (обезвоживания) гидрата выражается химической формулой

 

 

Для протекания этой реакции (разрыва химических связей между молекулами воды и оксида алюминия) необходимо затратить определенную, достаточно большую энергию. Практически это выражается в нагреве гидрата до высокой температуры и выдержке его при данной температуре определенное время.

В промышленных масштабах, прокалка глинозема осуществляется в металлургических печах, источником энергии в которых является жидкое или газообразное топливо. Материал в процессе прокалки контактирует с раскаленными газами и поверхностями печи, нагреваясь от них. Таким образом, сжигание топлива происходит в одном пространстве с материалом, вследствие чего, к топливу также предъявляются определенные требования. Оно (топливо) не должно загрязнять глинозем, должно позволять организацию стабильного и устойчивого горения, иметь высокую калорийность. Топливом для печей участка кальцинации в основном является малосернистый мазут марки М100 (реже М40).

Прокалка глинозема  осуществляется во вращающихся трубчатых  печах, футерованных огнеупорным шамотным кирпичом. Процесс превращения гидрата  в глинозем состоит из четырех  основных этапов, которые характеризуются  определенными изменениями химического состава и физического состояния материала. Печное пространство, в свою очередь, делится на четыре зоны, каждая из которых соответствует определенному этапу превращения материала. Четких границ между зонами по ряду причин (сложное движение материала, относительная нестабильность теплового режима, параметров и состава топлива и гидрата) не существует, но это деление позволяет легче понять процесс кальцинации. На рисунке А.1 показано нахождение материала в печи.

Первая зона – зона сушки. Здесь удаляется внешняя (физическая) влага гидрата, а материал нагревается до температуры порядка 200÷250 ⁰С. Отходящие газы имеют температуру порядка 200÷250 ⁰С, а температура газов поступающих в зону до 600 ⁰С.

Вторая зона - зона кальцинации. В этой зоне из материала удаляется вся кристаллизационная (химическая) влага, а материал нагревается до температуры 900÷950 ⁰С, при этом образуется глинозём гамма-модификации (g-Al₂O₃) – обезвоженная, но гигроскопичная модификация глинозема. Температура отходящих газов порядка 600÷700 ⁰С.

Третья зона - зона прокалки. В этой зоне происходит образование, так называемой, высокотемпературной  формы гамма-модификации глинозема, более устойчивой и менее гигроскопичной. Также в зоне прокалки (особенно в конце этой зоны – в районе горения мазутного факела) начинается активное образование альфа-модификации глинозема (a-Al₂O₃) – наиболее устойчивой и негигроскопичной. Доля глинозема, перешедшего в зоне прокалки в альфа-модификацию, зависит от времени нахождения его в этой зоне и от интенсивности теплового воздействия на материал раскаленных продуктов сгорания топлива. Температура глинозема на выходе из зоны прокалки около 1200 ⁰С, температура отходящих газов порядка 1300÷1400 ⁰С.

Четвертая зона – зона охлаждения. В этой зоне глинозем, находясь уже за топливным факелом, охлаждается до температуры ≈620÷900 ⁰С. Материал интенсивно выносится из печи отходящими газами. Пылеунос составляет обычно от 100 до 200% от производительности печи, поэтому газы проходят через систему газоочистки: батарейные циклоны и вертикальные электрофильтры, центробежный пылеуловитель, циклоны и горизонтальный электрофильтр. Уловленная пыль возвращается в печь. Прокаленный глинозем охлаждается в холодильниках воздухом и водой до температуры, пригодной для его дальнейшей транспортировки, складирования и отгрузки потребителям. Нагретый в холодильнике воздух подается в печь на горение топлива. Использование предварительно нагретого воздуха для сжигания мазута, а также тепла отходящих из печи газов для сушки гидрата, позволяет сократить удельный расход топлива и повысить производительность печи.

Требования, предъявляемые  к металлургическому глинозему, включают в себя требования к химическому  составу (нормируется содержание примесей, остаточная химическая влага, доля a-Al₂O₃) и к физическим свойствам (остаточная физическая влага, дисперсный состав, угол естественного откоса, удельная поверхность).

Основным оборудованием  печной нитки является:

1) система ленточных конвейеров;

2) ленточные весовые дозаторы;

3) печь кальцинации;

4) холодильник;

5) вентилятор вторичного дутья;

6) камерные насосы;

7) батарейные циклоны (центробежный пылеуловитель, группа циклонов);

8) дымосос;

9) электрофильтр;

10) силосная башня.

4 Устройство и принцип работы газоочистного оборудования

 

 

Очистка технологических  газов от пыли, отсос из печи кальцинации  продуктов горения и транспортировка  очищенной пыли от газов обратно  в технологический процесс выполняет  узел газоочистки и пыле возврата показанный на  рисунке 2.

 

 

Рисунок 2 −Узел газоочистки и пылевозврата

 

Механическая  очистка отходящих газов каждой печи осуществляется в две стадии:

1 стадия –  в двух ступенях батарейных  циклонов расположенных на отметке  + 39,1 загрузочного здания.

Батарейный  циклон – инерционный пылеулавливающий аппарат, составлен из большого количества параллельно включенных циклонных элементов, объединённых в одном корпусе, имеющих общий подвод газов и общий бункер.

Поток газа, поступающий  в бункер, распределяется по отдельным  циклонам, и попадая в спиральные направляющие, расположенные между стеной цилиндрической части каждого циклонного элемента и его вихревой трубой, получает вращательное движение. За счёт центробежного эффекта, частицы пыли отбрасываются к стенкам элементов. Далее пыль осыпается через пыле отводящие отверстия в сборный бункер, откуда через специальный затвор "мигалку", предотвращающий подсос воздуха в газоход, поступает в пылесборник пылевой течки печи. Технические характеристики батарейных циклонов представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Технические характеристики батарейных циклонов

Наименование  параметров	Показатели
Батарейные  циклоны
Диаметр корпуса  мультициклона, мм	250	150
Количество  камер батареи, шт	2	4
Количество  мультициклонов в камере батарей, шт	192	130
Нагрузка по газу нм3/час	До 120000
Запылённость: на входе г/нм3	до 800	до 200
Запылённость  на выходе г/нм3	до 200	От 25 до 100
КПД, %	85	80
Температура на входе, 0С	200 – 270	200 – 250
Температура на выходе, 0С	190 – 260	190 – 240