CN102292150A - 用于由金属盐生产金属氧化物的方法和设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及由金属盐特别是由氢氧化铝生产金属氧化物，其中，在干燥装置中干燥金属盐、在至少一个预热级中预热金属盐并且在流化床反应器中将金属盐煅烧成金属氧化物，并且其中，然后冷却所获得的金属氧化物。为了减少煅烧设备所需的能量，在干燥金属盐之前在至少一个过滤器中净化金属盐，并且把在干燥装置中形成的蒸汽再循环到过滤器中。
Description
技术领域
本发明涉及由金属氢氧化物或者其他金属盐特别是由氢氧化铝生产金属氧化物，其中，在干燥装置中干燥金属盐、在至少一个预热级预热金属盐并且在流化床反应器中把金属盐煅烧成金属氧化物，并且其中，然后冷却所得到的金属氧化物。
背景技术
金属氢氧化物是用于生产金属氧化物的原材料，它代表了一种重要的无机化学的基本物质。在自然界的存在中，金属氢氧化物主要以混合形式存在，从而原材料必须被净化。
在生产氢氧化铝的情况中，这是通过所谓的拜耳(Bayer)法来实现的，其中，把开采出的矿石(主要为铝土矿)粉碎并且用氢氧化钠溶液浸渍。因此，可以通过过滤来将不溶性残渣(例如，主要包含氧化铁的红泥)与溶解的氢氧化铝分离。通过结晶和进一步过滤，从该溶液中获得纯的氢氧化铝(Al(OH)3)。
例如，从EP0861208B1或者DE102007014435A1中已知由氢氧化铝生产氧化铝(Al2O3)的方法。潮湿的氢氧化铝最初在第一悬浮式换热器中干燥并且预热到大约160℃的温度。在旋风分离器中分离后，将固体供给至第二悬浮式预热器，在第二悬浮式预热器中利用来自循环流化床的循环旋风器的废气进一步干燥所述固体，并且然后装填到循环流化床的流化床反应器中。在流化床反应器中，在大约1000℃的温度将氢氧化铝煅烧成氧化铝。在第一悬浮式预热器之后(EP0861208B1)或者第二悬浮式预热器之后(DE102007014435A1)分流出一部分预热的氢氧化铝料流，并且将其与从循环流化床的循环旋风器中取出的热氧化铝混合。热的产品混合物随后在多级悬浮式冷却器中与空气直接接触而被冷却，并且然后被供给至流化床冷却器以进行最后的冷却。
由EP0245751B1已知一种用于对细粒固体执行吸热过程的方法，采用该方法，将以更好的方式利用在整个过程内所产生的热量。在氢氧化铝的煅烧期间，将一部分起始材料流供给至间接加热的预热器以进行干燥，并且随后与直接供应的原料一起被引到静电沉降器中。然后，经由两个串联连接的预热系统把固体从静电沉降器供给至循环流化床，在循环流化床中，用流化气体(一次空气)流化固体，并且在大约1000℃的温度煅烧固体。从循环流化床取出的固体料流在形成第一冷却级的间接式流化床冷却器中冷却，并且然后被供给至第二和第三冷却级，也均为流化床冷却器形式，以便进一步冷却固体产物。在第一流化床冷却器中加热的一次空气以520℃的温度作为流化空气被引到流化床反应器中，而流化床冷却器的流化空气以670℃的温度作为二次空气被输入到流化床反应器中。第二流化床冷却器的传热介质以200℃的温度作为加热介质被供给至用于起始材料的间接预热器，并且然后在冷却至160℃后被再循环至第二流化床冷却器的入口。在静电沉降器中净化之后，作为所供给的水合物的干燥装置的预热器的废气被排放至环境中。
氢氧化铝的煅烧需要非常多的能量。常规方法生产氧化铝需要大约3000kJ/kg的能量消耗。
发明内容
本发明目的是减少煅烧设备的能量需求，并且特别是当干燥水合物时减少颗粒碎裂。
根据本发明，该目的基本上通过权利要求1的特征来解决，其中，在干燥之前，在过滤器中净化金属盐，并且使在干燥装置中形成的蒸汽再循环到过滤器中。
通过将蒸汽再循环到过滤器中，在过滤器中升高了温度，以便实现对金属盐(水合物)更强的干燥。这样，可以增加进入干燥装置的水合物的质量流量，以便可以减少设备所需的比能。
根据本发明的一优选方面，在干燥装置中流化待干燥的金属盐，以便增强热传递，并且从而能够使换热表面尽可能地小。
根据本发明，通过供给流化气体(例如，空气)来进行流化。
然而，为了减少干燥装置的废气中的空气含量，根据本发明的改进，还可以减少流化气体的供应，或甚至完全切断流化气体的供应。水合物通过表面水的蒸发而独立流化。
根据本发明，优选将液体传热介质(例如，传热油或者优选为水)供给至干燥装置，通过该液体传热介质而间接地加热金属盐，并且在间接冷却级(例如，设置在流化床反应器之后的流化床冷却器或者旋转冷却器)中加热该液体传热介质。
根据本发明的改进，在间接冷却级和干燥装置之间循环传热介质，以便不必供给附加的传热介质。在该冷却级中，获得足够的能量，以便加热传热介质并且实现有效的干燥。同时，根据氢氧化铝的数量和水分来控制冷却级和干燥装置之间的能量传递，以便在设备控制方面获得更高的灵活性并且减少能量消耗。
根据本发明，向干燥装置供给温度为130至220℃、优选150至200℃并且特别是170至190℃的传热介质。通过在低温度水平下慢慢地干燥水合物，减少了水合物颗粒的负载，并且从而减小了破裂的可能性。
根据本发明的特别优选的改进，引导一部分水合物料流绕过干燥装置。因此，可对水合物的不同水分含量做出反应。同时，可以控制废气的温度。根据本发明，可以将废气的温度降低到110至170℃，优选为120至140℃，以便减少当穿过过滤器后经烟道排放的废气所引起的能量损失。
本发明还涉及一种用于由金属盐生产金属氧化物的设备，其适于执行如上所述的方法。所述设备包括用于干燥金属盐的干燥装置、至少一个用于预热金属盐的预热器、用于将金属盐煅烧成金属氧化物的反应器和至少一个用于冷却所获得的金属氧化物的冷却装置。根据本发明，在干燥装置前设置至少一个用于过滤金属盐的过滤器，其中，干燥装置的废气管道与过滤器相连。
优选是，过滤器包括蒸汽罩，干燥装置的废气管道通向该蒸汽罩。从干燥装置供给的废气(基本上为蒸汽)可以升高过滤器中的温度，并且从而实现对水合物的更强干燥。
根据本发明，传热介质经由循环管道流过干燥装置，其中，所述循环管道优选与流化床反应器之后的间接冷却级的第一级相连。这样，可以有效地利用过程中回收的热量来干燥水合物，并且进一步减少设备的能量需求。
根据本发明的改进可以根据需要对设备进行简单的维护和改装，其中，循环管道合并成多个换热器束，所述换热器束可以分别地从干燥装置的外壳中移除。
根据本发明的一个方面，绕过水合物的干燥装置设置有与第一预热级相连的旁通管道，以便能够直接向第一预热级供给一部分水合物料流。
根据本发明，利用控制阀来进行在水合物干燥装置和旁通管道之间分开水合物料流，所述控制阀优选根据废气的温度来致动。
从下面对实施例和附图的说明还可获得本发明的其它改进、优点和可能的应用。所描述和/或图示的所有特征自身或是组合构成了本发明的主题，而与这些特征是否包括在权利要求中或是这些特征的向回引用无关。
附图说明
附图中：
图1示意地显示了用于执行本发明方法的设备，
图2示意地显示了用于金属盐的干燥装置，以及
图3示意地显示了用于金属盐的干燥装置的透视图。
具体实施方式
根据附图中示出的本发明的方法的流程图，将离析物(特别是氢氧化铝矿泥)装填到多级过滤装置(水合物过滤器)50中，其中，用经由管道51供给的并且按逆流方式引导至水合物矿泥的洗涤水或者洗液来冲洗氢氧化铝(Al(OH)3)，以便达到所要求的产品纯度。洗液经由管道56从水合物过滤器50的腔室50a中排出。在水合物过滤器50的最后一级50c的蒸汽罩52中，蒸汽经由管道53输入，以便升高温度并且从而保证进一步干燥水合物。因此，可以将经由螺旋排出器54排出的水合物的水分从通常的7％降低至3～6％。
然后，来自过滤器的潮湿氢氧化铝经由管道55被供给至装填站1，并且经由管道2被输入到干燥装置(水合物干燥器)60中，在该干燥装置中，通过与液体传热介质(特别是水)的间接换热将水合物加热到大约100～110℃的温度，并且几乎完全被干燥。
随后，经由管道3把干燥过的水合物供给至第一预热级的悬浮式换热器4，并且被预热至100～200℃的温度。根据所供给的水合物的水分来进行水合物干燥器60中的温度控制，以便可在不降低设备的能量效率的情况下对初始物质中的波动迅速地作出反应。
一部分水合物料流可以经由旁通管道5绕过水合物干燥器60直接供给到悬浮式换热器4。借助控制阀6来调节该部分料流的量，该控制阀6可以设置在管道2或者旁通管道5中。根据废气温度来进行旁通流的控制，以便使能量损失尽可能低。如果更大量的水合物被引导经过水合物干燥器60，则悬浮式换热器4的废气温度上升，因为更多的水分(水)在水合物干燥器60中被去除并且不是在随后的悬浮式换热器4中蒸发。当向水合物干燥器60供给少量的水合物时，更大量的潮湿水合物被供给至悬浮式换热器4并且废气温度相应地降低。
输入到悬浮式换热器4中的固体被来自第二预热级的废气流携带并被其加热，并且经由管道7以气动方式输入到构成预分离器的静电气体净化器(ESP)8的入口区中。在静电沉降器8中，气体被净化并且以110到170℃(优选120到140℃)的温度排出到未示出的烟道中。由于上游的水合物干燥器60减少了废气中潮湿水合物的含水量，因此尽管该温度低也没有水在设备部件上冷凝的风险。由于没有冷凝，所以避免了设备中的腐蚀。
经由管道9，来自静电气体净化器8的固体被输送到第二预热级的第二悬浮式换热器10中，其中，固体被来自第三预热级的气流携带、加热至150到300℃的温度并且经由管道11供给至旋风分离器12。旋风分离器12的废气流经由管道13被供给至悬浮式换热器4，以便水合物被加热并输送至静电沉降器8。经由管道14，来自旋风分离器12的固体被供给到第三悬浮式换热器15(第三预热级)中、被来自循环流化床的循环旋风器16的气流携带、并在200到450℃的温度(特别是在250到370℃)进一步脱水，并且至少部分地脱水(预煅烧)为铝的一水化物(AlOOH)。
经由管道17，气体-固体流被供给至旋风分离器18，在该旋风分离器中进行气体-固体流的分离，其中，通过管道19向下排出固体，并且废气被输入到第二预热级的第二悬浮式换热器10中。
在第二预热级且特别是第三预热级中，进行金属盐的预煅烧。预煅烧在本发明中应理解为部分地脱水或者除去化合物，例如HCl和NOx。另一方面，煅烧是指完全地脱水或者除去化合物，例如SO2。金属盐在本发明中优选为金属氢氧化物或者金属碳酸盐，特别是氢氧化铝。然而，发明不限于这些金属盐，而是可适用于所有的化合物，特别是金属化合物，它们在热处理之前进行液体分离，例如还有硅酸盐。
在与第三悬浮式换热器14邻接的旋风分离器18之后，借助于例如在DE102007014435A1中所描述的装置来分开固体流。经由管道19，向流化床反应器20供给包含大约为固体流80到90％的主流，其中，在850到1100℃的温度特别是在大约950℃煅烧铝的一水化物，并且脱水成氧化铝(Al2O3)。借助于燃料管道21供应煅烧所需的燃料，该燃料管道设置在稍高于流化床反应器20的炉篦的高度处。燃烧所需的含氧气体流经由供应管道22供应作为流化气体(一次空气)，并且经由供应管道23供应作为二次空气。由于气体的供应，在炉篦和二次气体供应管道23之间的下部反应器区域获得了比较高的悬浮物密度，并且在二次气体供应管道23上方获得了比较低的悬浮物密度。在通常的压缩之后，将一次空气以大约90℃的温度输入到流化床反应器20中，而不进一步加热。二次空气的温度为大约550℃。
经由连接管道24，气体-固体悬浮物进入循环流化床的循环旋风器16中，在该循环旋风器中进行固体和气体的进一步分离。将经由管道25从循环旋风器16出来的温度大约950℃的固体输入到混合罐26中。经由旁通管道27，还把在旋风分离器18下面分离出的铝的一水化物的部分料流(具有大约320到370℃的温度)引导到混合罐26中。在混合罐26中，调整大约700℃的混合温度，以与经由管道25供应的热氧化铝料流和经由旁通管道27供应的铝的一水化物料流之间的混合比相应。在混合罐26(该混合罐包括流化床)中充分混合这两种产品流，以便也将经由旁通管道27供应的铝的一水化物完全煅烧为氧化铝。长达30分钟或者达60分钟的驻留时间导致在混合罐中产生了极好的煅烧。然而，少于2分钟、特别是大约1分钟或者甚至少于30秒的驻留时间也是足够的。
所获得的产品被从混合罐26引入到由上升管道28和旋风分离器29所形成的第一悬浮式冷却器中。经由管道23，旋风分离器29的废气被作为二次空气输入到流化床反应器20中，固体被输入到由上升管道30和旋风分离器31所形成的第二悬浮式冷却器中，并且最后被输入到由上升管道32和旋风分离器33所形成的第三悬浮式冷却器中。气体经由管道35和34相对于固体按逆流方式流过各个悬浮式冷却器。
在离开最后的悬浮式冷却器之后，所生产出的氧化铝在设有三到四个冷却室的流化床冷却器36中经受最后冷却。氧化铝以大约300℃的温度进入其第一冷却室36a中，并且将液体传热介质(特别是水)加热至140到195℃的温度，优选150到190℃，并且特别是160到180℃。加热过的传热介质经由循环管道37供给至水合物干燥器60，以便通过间接换热来干燥金属盐(水合物)。传热回路中的压力优选被调节，以便避免传热介质在水合物干燥器60中的冷凝，并且该压力为大约1到50巴，且特别是在2和40巴之间。
在经过水合物干燥器60之后，传热介质以大约100到190℃、优选120到180℃并且特别是140到170℃的温度经由循环管道37被再循环至流化床冷却器的第一级36a。
在下游室36b至36d中，利用以逆流方式引导的传热介质(优选是水)把氧化铝进一步冷却至大约80℃的温度，并且然后把氧化铝经由管道38排出作为产品。
冷却室36a至36d中的固体借助于二次空气来流化，所述二次空气以80到100℃的温度经由管道39供给。二次空气随后被从流化床冷却器36中收回，并且用作第三悬浮式冷却器的输送空气。可以经由管道40供应补充空气。代替空气，也可经由管道39和/或40供应纯氧或者含氧量为20到100体积％的富氧空气。
在图2和3中，详细地示出了水合物干燥器60。经由循环管道37供应的传热介质被输入到换热管道61中，并且在经由循环管道37被再循环至流化床冷却器36之前经过水合物干燥器60。换热管道61被合并成例如三个换热器束，它们可借助各单独的滑入单元62a到62c而从水合物干燥器60的外壳63取出(参照图3)。这样，显著地简化了水合物干燥器60的维护。
通过供应流化气体(特别是空气)，将经由螺旋输送机64从装填站1引入到水合物干燥器60中的水合物维持为流化状态，以便增加传热并且从而使换热表面的尺寸尽可能小。水合物在低温水平并以比较小的温度梯度或加热速率被慢慢地干燥。由于该精细的处理，减小了水合物颗粒的负载，并且减小了颗粒破碎的可能性。这样，减少了固体中细粉尘的含量，从而使设备的压力损失较低。因为干燥水合物时所获得的蒸汽起到了对固体流化的作用，所以可以减少或者甚至完全中断流化气体的供应。这样，实现了水合物的更精细的处理。优选是，相应于金属盐的水分来控制并调节所供应流化气体的体积流量，以便确保充分的流化。
还可将来自设备的废气全部或者部分地用作流化气体。为此，可以在灰尘分离之后(例如在ESP之后)并且可能在例如利用构成袋式过滤器的灰尘过滤器来进一步净化气体之后，使用全部或者一部分废气流。另外，可以掺入环境空气和/或来自富氧设备的废气(即，减少了含氧量的气体)。
干燥过的水合物经由下流管65从水合物干燥器60流出。在下流管65的底部66处，上升管道67分支出来，其基本上竖直地向上延伸。借助于喷嘴来流化下流管65的底部处的固体。所述喷嘴可以指向上或者指向下，以便能够更可靠地防止阻塞。本领域技术人员可以使用所有已知的措施来适当地流化下流管65的底部处的固体。例如，可设置喷嘴盖或者在端部设有多孔体的喷嘴，这将防止喷嘴的阻塞。还可经由设在下流管底部且在未示出的气体分配器上方的流化布或者其它一些多孔介质来供应输送气体。固体通过上升管道67上行到膨胀容器68中，并且经由管道3从膨胀容器68供给至第一预热级的悬浮式换热器4。代替膨胀容器68，也可以在上升管道67的端部处设置简单的弯管接头。
干燥水合物时所获得的蒸汽经由管道53再循环至水合物过滤器50，并且在水合物过滤器50中被如上所述地用于减少水合物的水分。因为通过流化床冷却器36释放到传热介质中的热量仅取决于所生产的氧化铝的数量，所以可以通过较低的水合物水分来增加流入到水合物干燥器60中的水合物质量流。结果，可以进一步减少设备所需的比能。
来自干燥器60的气体流可以完全地但优选仅仅部分地与设备的废气混合，例如在ESP 8之后，也可能在例如利用灰尘过滤器进一步净化气体之后。与环境空气和/或来自富氧设备的废气(即，降低了含氧量的气体)的混合同样是可能的。因此，可以根据要求来控制和调节供给至蒸汽罩52的气体的温度、体积流量和/或含水量。
借助于本发明，可以精确地调节过程各级中的温度，从而可以优化过程并且可以减少能量消耗。可对质量的波动特别是起始产品水分的波动迅速地作出反应。与现有技术相比，可以显著降低烟道中的废气温度，并且从而明显地减少能量损耗。对于稳定的产品质量来说，模拟计算显示出每公斤产品所需的能量减少达10％。另外，实现了固体的精细处理，以便可以减少颗粒的破碎。
附图标记表：
1装填站
2管道
3水合物干燥器
4悬浮式换热器
5旁通管道
6控制阀
7管道
8静电沉降器
9管道
10悬浮式换热器
11管道
12旋风分离器
13管道
14管道
15悬浮式换热器
16循环旋风器
17管道
18旋风分离器
19管道
20流化床反应器
21燃料管道
22供应管道
23供应管道
24连接管道
25管道
26混合罐
27旁通管道
28上升管道
29旋风分离器
30上升管道
31旋风分离器
32上升管道
33旋风分离器
34管道
35管道
36流化床冷却器
37循环管道
38管道
39管道
40管道
50水合物过滤器
51管道
52蒸汽罩
53管道
54螺旋排出器
55管道
56管道
60干燥装置(水合物干燥器)
61换热管道
62a-c滑入单元
63外壳
64螺旋输送机
65下流管
66底部
67上升管道
68膨胀容器
Claims (15)
1.一种用于由金属盐特别是由氢氧化铝生产金属氧化物的方法，其中，在干燥装置中干燥金属盐，在至少一个预热级中预热金属盐，并且在流化床反应器中将金属盐煅烧成金属氧化物，并且然后冷却所获得的金属氧化物，其特征在于，在干燥之前，在至少一个过滤器中净化金属盐，并且把在干燥装置中形成的蒸汽再循环到过滤器中。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述干燥装置中流化待干燥的金属盐。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，通过供应流化气体来在所述干燥装置中流化待干燥的金属盐。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，通过在干燥期间所获得的蒸汽来在所述干燥装置中流化待干燥的金属盐。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，优选向所述干燥装置供给液体传热介质，利用所述液体传热介质间接加热金属盐，并且在设置在所述流化床反应器之后的间接冷却器中加热所述液体传热介质。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，使所述液体传热介质在所述干燥装置和间接冷却器之间循环。
7.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于，向所述干燥装置供给温度为130到220℃的传热介质。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，引导一部分金属盐料流绕过所述干燥装置。
9.一种用于由金属盐特别是由氢氧化铝生产金属氧化物的设备，特别是用于执行根据前述权利要求中任一项所述方法的设备，包括：用于干燥金属盐的干燥装置(60)，至少一个用于预热金属盐的预热器(4)，用于将金属盐煅烧成金属氧化物的反应器(20)，和至少一个用于冷却所获得金属氧化物的冷却装置(28、29、30、31、32、33)，其特征在于，在所述干燥装置(60)之前设置用于过滤金属盐的过滤器(50)，并且，所述干燥装置(60)的废气管道(53)与所述过滤器(50)相连。
10.根据权利要求9所述的设备，其特征在于，所述过滤器(50)包括蒸汽罩(52)，并且，所述干燥装置(60)的废气管道(64)通向所述蒸汽罩(52)。
11.根据权利要求9或10所述的设备，其特征在于，在所述干燥装置(60)中设置用于传热介质的换热管道(61)。
12.根据权利要求11所述的设备，其特征在于，所述换热管道(61)被合并成多个换热器束，所述换热器束能够借助滑入单元(62a-c)从所述干燥装置(60)的外壳(62)中分别地移除。
13.根据权利要求11或12所述的设备，其特征在于，用于金属氧化物的冷却装置包括用于间接地冷却金属氧化物的多级冷却器(36)，并且，所述干燥装置(60)的换热管道(61)经由用于传热介质的循环管道(37)而与间接冷却器(36)的第一级(36a)相连。
14.根据权利要求9到13中任一项所述的设备，其特征在于，旁通管道(5)绕过所述干燥装置(60)，并与第一预热级相连。
15.根据权利要求14所述的设备，其特征在于，在所述干燥装置(60)和旁通管道(5)之间设置用于分开水合物料流的控制阀(6)。
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Legal Events
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Granted publication date: 20140326 Termination date: 20190114 |
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