CN101148262B

CN101148262B - 一种直接利用煤粉煅烧氧化铝熟料的装置及其方法

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Publication number: CN101148262B
Application number: CN2007100186439A
Authority: CN
Inventors: 谭厚章; 赵鹏; 徐通模
Original assignee: Xian Jiaotong University
Current assignee: Xian Jiaotong University
Priority date: 2007-09-11
Filing date: 2007-09-11
Publication date: 2010-08-11
Anticipated expiration: 2027-09-11
Also published as: CN101148262A

Abstract

本发明公开了一种利用煤粉煅烧氧化铝熟料的装置，包括炉膛，炉膛内分布有测温热电偶和热电偶，测温热电偶连接第一温控仪，用于测量炉膛内上部温度；热电偶连接第二温控仪，用于控制炉膛升温；炉膛的入口有给煤机，给煤机连接有煤粉混合器，煤粉混合器有燃烧器喷嘴，炉膛的出口有相连的旋风分离器和引风机；煤粉混合器通过流量计和空气流量调节阀连接储气罐，储气罐与空气压缩机相连。装置利用煤粉煅烧氧化铝熟料是在高铝煤粉中加入适量的钙剂物质，煤粉燃烧热能可以直接回收，烧后的粉煤灰中直接含有大量的氧化铝孰料。本发明可降低高铝煤粉煤灰中提取氧化铝的能耗，实现炉内煤粉燃烧放热过程同时煅烧氧化铝熟料。

Description

一种直接利用煤粉煅烧氧化铝熟料的装置及其方法

技术领域

本发明属于煤粉高效燃烧和低品位资源高效低能耗利用范围技术范围，特别涉及煤粉制备、煤粉高效燃烧、气力输送、粉煤灰高温分离、氧化铝熟料煅烧的装置及其方法，特别是一种直接利用煤粉煅烧氧化铝熟料的装置及其方法。

背景技术

随着火电厂的超常规快速发展，每年电站锅炉燃烧煤量达12-14亿吨，每年排出的粉煤灰量达2-4亿吨，尤其特殊的是在宁夏、内蒙、山西、陕西等主要产煤区每年生产大量的高铝煤，其中氧化铝含量高于30％的粉煤灰量至少几千万吨，辽阔的鄂尔多斯盆地附近地域所产煤碳在电厂燃烧完后，其粉煤灰中氧化铝含量高达50％，从粉煤灰中提取氧化铝成了电力、有色、建材等行业相关企业关注的热点，这是一块巨大的铝资源，如何能高效回收高铝粉煤灰中铝资源，将对中国的铝资源长期可持续发展具有重要意义。

但目前国内外在粉煤灰中提取氧化铝的方法都停留在炉外粉煤灰的重新再利用，即采用碱法、酸法和热法三大类。这三种方法共同的特点是超高能耗和易造成二次环境污染，酸法在工业上存在腐蚀设备，酸不易回收等致命缺点，最常用的碱法中须重新将粉煤灰烧结，温度超过1200℃，能耗非常高，碱法中，由于粉煤灰中富含氧化硅，拜尔法生产工艺不能适应，所以普遍采用碱石灰烧结法和石灰烧结法工艺。在碱石灰烧结工艺中，由于碳酸钠循环使用的需要，只能采用设备庞大的湿法烧结工艺。在烧结过程中，原料中水分蒸发后原料中各成分之间才发生固相反应，从而形成熟料。由于固相反应温度高，烧结温度超过1300℃，所以碱石灰烧结法能耗高，成本也高，产生的赤泥量大，赤泥的利用率低，造成环境负担。回收成本太大，这是造成高铝粉煤灰基本全部污染排放，无法回收的主要原因，给国家造成了巨大浪费。以上所有粉煤灰中提取氧化铝技术都是炉外技术。

如果能将氧化铝熟料的煅烧控制在煤粉炉内进行，利用煤粉炉内温度在1200℃～1600℃，煤粉在燃烧时的工况与碱法中粉煤灰烧结温度工况十分相似，在高铝煤锅炉燃烧产生热能进行发电的同时，加入相应量的钙基矿化物辅料，实现煤粉炉内氧化铝熟料的煅烧，使得电厂电除尘器收集的粉煤灰中含有大量的氧化铝熟料，然后利用低浓度碳酸钠溶液对煅烧熟料进行浸取处理，利用石灰加入法进行脱硅处理，利用碳化法获得氢氧化铝，并对碳酸钠进行回收再利用，氢氧化铝煅烧为氧化铝。氧化铝溶出后的硅钙渣可用作建筑材料。这样就省去了现在的重新煅烧过程，将会大大减少粉煤灰中提取氧化铝的能耗，从而实现对当今大量浪费的高铝粉煤灰的回收，为国家宝贵资源的再利用开辟一条新路。

从材料化学热力学的角度出发，要实现煤粉炉内氧化铝熟料煅烧是完全可行的。因为煤粉炉燃烧温度最高可到1600℃，可以满足很多无机材料合成时对温度的要求，然而在材料合成的动力学方面，煤粉燃烧后产生的灰质物在炉内处于悬浮态，且停留时间仅3～6秒，能否满足材料合成的需要，是否需要特殊的催化作用，这不仅牵涉到材料学科，也牵涉到热能动力工程、流体力学、燃烧学、传热学等其他学科密切相关的交叉学科问题。本发明的装置正是在研究了煤粉炉内煅烧氧化铝熟料的化学反应动力学机理后设计开发的。

煤粉锅炉是广泛使用的生产热力的设备，它产生的高温高压蒸汽可用于发电或用作其它动力。其中的关键设备是煤粉锅炉。煤粉经喷嘴喷入炉膛内，呈高度分散的悬浮状态，在炉膛燃烧区与1300℃～1600℃的高温气流相遇后，急剧升温并燃烧放热；煤粉燃烧放热将化学能转变为热能，通过辐射和对流传热使锅炉给水变成高温高压蒸汽，直接用于推动汽轮机，带动发电机发电。煤粉燃烧后形成的粉煤灰随烟气流离开炉膛，进入烟道，在其中与供汽、锅炉供水、供风等设施进行间接热交换，均匀而迅速地冷却，然后进入电除尘器，粉煤灰即被收集下来。这种煤粉锅炉的运行带来两个较严重的问题，一是副产的大量的粉煤灰将对土地和水源等产生较严重的污染问题。二是烟气中的二氧化硫和少量的粉煤灰也给大气带来环境污染问题。氧化铝熟料悬浮态煅烧技术属于国际空白，经文献检索，尚未发现有和本发明相同或相似的文献和专利，检索到的一些与本发明相关的文献，主要是研究Al₂O₃、SiO₂、CaO这三种成分在形成粉煤灰特性上的差别，还有就是一些在炉外对高铝粉煤灰煅烧在提取的研究。到目前为止，还没有发现有关在煤粉炉内进行燃烧的同时进行氧化铝煅烧研究的任何报道。

以下是申请人检索到的与本发明相关的参考文献：

1982年T.M.Gilliam等提出了在飞灰中回收包括铝在内的有用金属(T.M.Gilliam，R.M.Canon，B.Z.Egan，A.D.Kelmers，F.G.Seeley，J.S.Watson.Economic metal recovery from fly ash[J].Resources andConservation，1982，9：155-168)，但未提出煤粉炉内煅烧技术；

1985年，G.Hakvoort等采用热重分析了硫在煤燃烧过程中的吸收和再转化(G.Hakvoort.Regenerable sulfur sorbents in coal combustion.Thermodynamics and testing by TG[J].Thermochimica Acta，1995，269～270(20)：697-704)，说明了采用热重方法可以对炉内煅烧反应热力学进行较好的研究。

1998年Evgueni Jak等提出了由Al₂O₃-SiO₂-CaO-FeO-Fe₂O₃组成的粉煤灰达到融熔态的热力学模型()Evgueni Jak，Sergei Degterov，Peter C.Hayes，Arthur D.Pelton.Thermodynamic modell ing of the systemAl₂O₃---SiO₂---CaO---FeO---Fe2O3 to predict the flux requirements forcoal ah slags[J].Fuel，1998，77(1-2)：77-84)，从中看出Al₂O₃、SiO₂、CaO这三种成分是影响粉煤灰特性的主要因素，在煤粉炉内煅烧过程中存在悬浮态固-固相反应，而这三种成分又是氧化铝熟料煅烧反应中的最主要成分，在适当的条件下理论上可以生成氧化铝熟料。

同年，Liza Elliott等研究了CaO在炉内燃烧反应过程中的变化规律(Liza Elliott，Shen Mao Wang，Terry Wall，Fred Novak，John Lucas，Harry Hurst，John Patterson，Jim Happ.Dissolution of lime intosynthetic coal ash slags[J].Fuel Processing Technology，1998，56，(1-2)：45-53)。

2000年，S.Gomes and M.Francoi等采用XRD，TEM，NMR进行了硅铝粉煤灰中多铝红柱石(墨来石)的表征(S.Gomes and M.Francois.Characterization of mullite in silicoaluminous fly ash by XRD，TEM，and 29Si MAS NMR[J].Cement·and Concrete Research，2000，30(2)：175-181)；

2001年，Rayalu等研究了烟煤与褐煤燃烧后利用粉煤灰合成沸石的研究(S.S.Rayalu，J.S.Udhoji，K.N.Munshi，M.Z.Hasan.Highlycrystalline zeolite-a from flyash of bituminous and lignite coalcombustion[J].Journal of Hazardous Materials，2001，88(1)：107-121)，试验得出SiO₂/Al₂O₃比为3.47时，最有利于多孔沸石合成，从侧面说明了利用粉煤灰合成不同的材料应有可行性；该文献描述了印度的粉煤灰利用状况(R.H.Matjie，J.R.Bunt，J.H.P.van Heerden.Extraction of aluminafrom coal fly ash generated from a selected low rank bituminous SouthAfrican coal[J].Minerals engineering.2004，18：299～310)，印度与中国相似，75％的电力来源于火力发电，印度目前粉煤灰利用率也达到27％(世界平均水平达33％)，远高于中国，文中也提到对粉煤灰中氧化铝的提取，但并没有很好的办法。

R.H.Matjie等(P.Asokan，Mohini Saxena，Shyam R.Asolekar.Coalcombustion residues-environmental implications andrecyclingpotentials[J].Resources Conservation and Recycling.2005，43：239～262)对高铝煤(煤灰中含有30％铝、1.5％钛、2.5％氧化铝、9.5％氧化钙、60％二氧化硅)进行了提取研究，将飞灰与氧化钙混合并在1000℃～1200℃下煅烧，生成酸或碱能溶的铝酸钙，再用硫酸洗后产生含铁、铝和钛的溶液，在80℃、浓度为6.12mol/m³酸中浸泡4小时，最终铝的回收效率达85％，提取的含铝物质中含有99.4％的高纯氧化铝，此文进一步说明了在高铝煤中提取氧化铝是可行的，且有重大应用价值的，但此文中的方法还是重新煅烧法，能耗很高。

发明内容

针对上述背景技术中高铝粉煤灰中提取氧化铝熟料工艺高能耗的缺陷或不足，本发明的目的在于，提供一种直接利用煤粉煅烧氧化铝熟料的装置及其直接利用该装置煅烧氧化铝熟料的方法。

为了实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案：

一种利用煤粉煅烧氧化铝熟料的装置，该装置包括炉膛，其特征在于，在炉膛内分布有测温热电偶和热电偶，测温热电偶连接有用于测量炉膛内上部温度的第一温控仪；热电偶连接有用于控制炉膛升温的第二温控仪；炉膛的入口有给煤机，给煤机连接有煤粉混合器，煤粉混合器有燃烧器喷嘴，炉膛的出口有相连的旋风分离器和引风机；

所述的煤粉混合器通过流量计和空气流量调节阀连接有储气罐，储气罐与空气压缩机相连。

上述装置煅烧氧化铝熟料的方法，其特征在于，包括下列步骤：

其特征在于，包括下列步骤：

步骤一：取高铝原煤50％～80％，氧化钙20％～50％，混合，用球磨或高能球磨磨成粒径小于100微米的煤灰粉末；

步骤二：将煤灰粉末送入煤粉混合器；空气压缩机将煤粉混合器的煤灰粉末送入炉膛，煤粉经过燃烧器喷嘴点火燃烧，炉膛的出口相连接的旋风分离器和引风机将二次风采用旋转切向进入炉膛，一次风直流送入炉膛；

步骤三：控制空气压缩机的压缩空气量和送粉量着火温度，使得煤粉粉末在炉膛的停留时间为1秒～5秒，实现高效燃烧；炉膛温度控制在1250℃～1300℃，煤粉粉末燃烧完后由引风机将飞灰抽出，经过粉煤灰收集装置收取，再对其中氧化熟料的浸出，即可得到煤灰粉末直接煅烧的氧化铝熟料。

本发明的利用煤粉煅烧氧化铝熟料的装置，不但实现了热能的回收利用，还同时利用煤粉炉内高温特点进行氧化铝熟料的煅烧，实现了低品位资源的低能耗高效收集。实验过程中均实现了粉煤灰中氧化铝熟料质量比例大于30％的良好效果。该装置可实现煤粉进给量可调、燃烧器旋流强度可调、煅烧反应时间可调、炉膛温度可调的优良性能。为不同配比的煤粉混合物高效煅烧氧化铝孰料提供可能。

本发明的利用煤粉煅烧氧化铝熟料的装置及装置煅烧氧化铝熟料的方法具有以下技术特点：可实现高铝煤粉混合物均匀给粉，压缩空气调节系统能有效保证煤粉气流在炉膛的停留时间，二级分离器高温分离效率高。采用这种装置大大提高了煅烧氧化铝熟料反应速度，高铝煤粉混合物在炉内停留时间不大于1秒的反应时间下，氧化铝孰料转化率大于30％；且本身煤粉化学热能回收率达于90％。可大大降低高铝煤粉煤灰中提取氧化铝的能耗，可实现炉内煤粉燃烧放热过程同时煅烧氧化铝熟料的新工艺。是一种拥有广阔应用前景的节能装置和技术。

附图说明

图1是本发明的煤粉煅烧氧化铝熟料的装置结构简图；其中的标号分别表示：1、给煤机，2、煤粉混合器，3、燃烧器喷头，4、测温热电偶，5、第一温控仪(测量炉膛内上部温度)，6、热电偶，7、炉膛，8、旋风分离器，9、引风机，10、第二温控仪(控制炉子升温)，11、空气压缩机，12、储气罐，13、空气流量调节阀，14、流量计。

以下结合附图和发明人给出的实施例对本发明作进一步的详细说明。

具体实施方式

参见图1，本发明的利用煤粉煅烧氧化铝熟料的装置，包括炉膛7，炉膛7内分布有测温热电偶4和热电偶6，测温热电偶4连接第一温控仪5，用于测量炉膛内上部温度；热电偶6连接第二温控仪10，用于控制炉膛升温；炉膛7的入口有给煤机1，给煤机1连接有煤粉混合器2，煤粉混合器2有燃烧器喷嘴3，炉膛7的出口有相连的旋风分离器8和引风机9；

煤粉混合器2通过流量计14和空气流量调节阀13连接有储气罐12，储气罐12与空气压缩机11相连。

上述装置煅烧氧化铝熟料的方法，选择合适的高铝原煤与较高纯度的氧化钙，磨制成合适的粉末，再通过压缩空气送入炉膛，煤粉混合物通过旋流燃烧器点火燃烧，煤粉燃烧热能通过合适的途径吸收，氧化钙与粉煤灰中硅铝酸钙进行悬浮态固固相反应生成铝酸钙，实现氧化铝熟料的煅烧。

具体的步骤是：

步骤一：取高铝煤50％～80％，氧化钙20％～50％，混合，用球磨或高能球磨磨成粒径小于100微米的煤灰粉末；

使用硅碳棒加热炉或其他加热方式对煤粉点火，煤粉混合物在炉膛内燃烧时放出热能，同时进行高温下氧化钙与粉煤灰中硅铝酸钙进行悬浮态固固相反应生成铝酸钙，实现氧化铝熟料的煅烧。

球磨或高能球磨的速度为150转/分钟，持续球磨1小时。

压缩空气的压力为0.1Mpa～1Mpa。

为了煤粉燃尽和氧化铝熟料高比例形成，二次风通过分级送入，在整个炉膛沿高度方向尽量保持温度均匀。

粉煤灰收集装置为旋风分离与布袋分离合为一体的收集装置。

采用本发明装置及其煅烧氧化铝熟料方法，煅烧后的高铝粉煤灰，经X射线衍射(XRD)测试，确定具有以下特点：

1、压缩空气调节系统能有效保证煤粉气流在炉膛的停留时间，停留时间可控在1-5秒；

2、二级分离器高温分离效率高，粉煤灰收取效率大于99％。

3、这种装置大大提高了煅烧氧化铝熟料反应速度，高铝煤粉混合物在炉内停留时间不大于1秒反应时间下，氧化铝孰料转化率25-30％；这些铝酸钙熟料可通过浸出直接提取氧化铝。可大大降低高铝煤粉煤灰中提取氧化铝的能耗。

4，本发明装置工艺简单，方便，工艺参数便于控制，可应用到不同高铝煤的煅烧，容易实现由小规模生产向大工业生产的过渡。

以下是发明人给出的实施例，这些实施例是较优的例子，用于描述本发明，本发明不限于这些实施例。

实施例1：

1、选用内蒙准格尔地区高铝原煤，正常燃烧完粉煤灰中氧化铝含量为50％，灰分为10％。选用西安本地产石灰石，氧化钙纯度＞90％。高铝煤与石灰石配比：8∶2。

2、使用普通球磨的方式破碎，球磨速度为150转/分钟，持续球磨1小时，制备出平均粒径小于100微米粉末。

3、螺旋给粉机均匀给粉量300g/分钟，压缩空气量0.3m³/分钟。

4、炉膛设计高度3米，使得煤灰粉末炉内停留时间为1秒，炉膛温度控制在1250℃～1300℃。

5、粉煤灰收集装置为旋风分离与布袋分离和为一体收集装置，该装置收集粉煤灰煅烧较完全，经X射线衍射(XRD)测试，所得氧化铝熟料铝酸钙质量比达25％～30％。由于高铝煤与石灰石配比：8∶2，即其中加入了20％石灰石，实际氧化铝熟料转化率达到90％以上。

实施例2：

本实施例与实施例1所不同的是，高铝煤与石灰石配比：7∶3，所得氧化铝熟料铝酸钙质量比达20％～24％，实际氧化铝熟料转化率达到90％以上。

实施例3：

本实施例与实施例1所不同的是，高铝煤与石灰石配比：5∶5，所得氧化铝熟料铝酸钙质量比达16％～20％，实际氧化铝熟料转化率达到90％以上。

实施例4：

本实施例与实施例1所不同的是，高铝煤与石灰石配比：6∶4，所得氧化铝熟料铝酸钙质量比达18％～22％，实际氧化铝熟料转化率达到90％以上。

Claims

1.一种利用煤粉煅烧氧化铝熟料的装置，其特征在于，该装置包括炉膛(7)，炉膛(7)内分布有测温热电偶(4)和热电偶(6)，测温热电偶(4)连接有用于测量炉膛内上部温度的第一温控仪(5)，热电偶(6)连接有用于控制炉膛升温的第二温控仪(10)；炉膛(7)的入口有给煤机(1)，给煤机(1)连接有煤粉混合器(2)，煤粉混合器(2)有燃烧器喷嘴(3)，炉膛(7)的出口有相连的旋风分离器(8)和引风机(9)；

所述的煤粉混合器(2)通过流量计(14)和空气流量调节阀(13)连接有储气罐(12)，储气罐(12)与空气压缩机(11)相连。

2.权利要求1所述的利用煤粉煅烧氧化铝熟料的装置煅烧氧化铝熟料的方法，其特征在于，包括下列步骤：

步骤一：取高铝煤50％～80％，氧化钙20％～50％，混合，用球磨磨成粒径小于100微米的煤灰粉末；

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的球磨的速度为150转/分钟，持续球磨1小时。

4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的压缩空气的压力为0.1Mpa～1Mpa。

5.如权利要求2所述的方法，其特征在于：采用的粉煤灰收集装置为旋风分离与布袋分离合为一体的收集装置。