CN103214014A

CN103214014A - 一种生产氧化铝的反应装置及其方法

Info

Publication number: CN103214014A
Application number: CN2013101436780A
Authority: CN
Inventors: 赵凤云; 刘硕; 刘玉敏; 胡永其; 张文娇; 崔蕊; 刘亚青
Original assignee: Hebei University of Science and Technology
Current assignee: Hebei University of Science and Technology
Priority date: 2013-04-22
Filing date: 2013-04-22
Publication date: 2013-07-24
Anticipated expiration: 2033-04-22
Also published as: CN103214014B

Abstract

本发明涉及一种生产氧化铝的反应装置及方法，特别是采用粉煤灰为原料生产氧化铝的反应装置及方法，该反应装置包括硫酸铵预混计量罐、粉煤灰储存计量仓、组合式螺旋反应器、接料罐和集气管，所述硫酸铵预混计量罐和粉煤灰储存计量仓在组合式螺旋反应器的上方，并通过两者底部的连接管与组合式螺旋反应器中的最上面的进口相接；接料罐在组合式螺旋反应器的下方，并通过其顶部的连接管与组合式螺旋反应器的最下面的出口相连接。本发明解决了规模化生产的问题，具有连续化生产、单套装置能力大、反应稳定、原料利用率或转化率高等特点，组合式螺旋反应器具有使用寿命长，生产成本低等优点，具有广阔的市场前景。

Description

一种生产氧化铝的反应装置及其方法

技术领域

本发明涉及一种生产氧化铝的反应装置及方法，具体为一种从粉煤灰中提取氧化铝的装置及其方法。

背景技术

1996年，全国粉煤灰排放量就超过了1亿吨，2000年时即达到1.2亿吨，2005年为3亿吨。根据中国资源综合利用协会粉煤灰专业委员会2009年预测，2015年我国粉煤灰排放量将达5.4亿吨。在我国，粉煤灰主要用于建筑材料，如生产粉煤灰混凝土、粉煤灰水泥、粉煤灰砖、墙体材料及建筑回填等，还可以用在农业上，如改良土壤，制作肥料，造地还田。

粉煤灰来源于煤中的无机组分，其化学成分以二氧化硅和三氧化二铝为主，氧化硅含量在48%左右，氧化铝含量在27%左右，其他成分为三氧化二铁、氧化钙、氧化镁、氧化钾、氧化钠、三氧化硫及未燃尽的有机质（烧失量）。随着技术的开发，人们逐渐将粉煤灰中的铝或硅提取出来，其余部分仍可以继续应用，提高了粉煤灰的附加值。波兰Grzymek以高铝粉煤灰为原料提取氧化铝，并利用残渣联产水泥。随后，欧美国家先后提出了酸溶沉淀法、盐—苏打烧结法、煅烧—稀酸过滤法等。我国从80年代开始对此法进行研究，合肥水泥研究院开发出石灰石烧结碱熔法从粉煤灰中提取氧化铝的技术，并利用残渣联产水泥。90年代，宁夏建材院开发了碱石灰烧结法从粉煤灰中提取氧化铝的技术。专利ZL200610012780.7提出了采用硫酸铵溶解生产氧化铝并联产白炭黑的方法，将粉煤灰活化后加入硫酸铵和水，反应后过滤，采用氨气沉淀，氢氧化钠溶解即得到氢氧化铝，沉淀经碱洗、酸洗、熟化即得白炭黑成品。专利ZL200710118679.4给出了硫酸铵法从粉煤灰中提出氧化铝的方法，将硫酸铵与粉煤灰按比例烧结，经过滤、结晶后，通入氨气后即得氢氧化铝，经煅烧后即得氧化铝产品。申请号为201110208684.0的专利提出了制备超细氧化铝的方法，将硫酸铵与粉煤灰按比例烧结，经水溶、结晶、氨沉淀后，用乙醇对氢氧化铝进行处理后，可以得到不同晶型的氧化铝粉体。申请号为201210060558.X得专利提出了两段流态化焙烧系统，为了解决设备高腐蚀的问题，并未实施工业化。

硫酸铵法的化学原理为：

烧结反应：4(NH₄)₂SO₄(s)+Al₂O₃(s)=2NH₄Al(SO₄)₂(s)+6NH₃(l)+3H₂O(l)

分解反应：NH₄Al(SO₄)₂+3H₂O+3NH₃=Al(OH)₃+2(NH₄)₂SO₄

该方法的优点是（1）硫酸铵为弱酸，克服了酸法（硫酸、盐酸）工艺对设备的强腐蚀；（2）硫酸铵不与硅起反应，省去了脱除硅的工序；（3）提高了氧化铝的提取率。但是现有技术存在的问题是：（1）常用金属中，没有可以既耐高温又耐酸且耐氨的材质，所以现有工业化装置一直采用易碎且贵重的氮化硅材质反应器，操作复杂且易损坏；（2）由于氮化硅材质的反应器极易损坏，故现有技术一直采取间歇操作，未能实现大规模连续化操作；（3）现有工业化生产装置，生产效率低、热利用率低、占地面积大，属于粗放型生产方式。

发明内容

本发明为解决现在技术中的问题，提供一种生产氧化铝的反应装置和方法，本发明解决了规模化生产的问题，具有连续化生产、单套装置能力大、反应稳定、原料利用率或转化率高等特点。装置使用寿命长。

本发明采用以下技术方案予以实现：

一种生产氧化铝的反应装置，它包括硫酸铵预混计量罐、粉煤灰储存计量仓、组合式螺旋反应器、接料罐和集气管，所述硫酸铵预混计量罐和粉煤灰储存计量仓在组合式螺旋反应器的上方，并分别通过两者底部的连接管与组合式螺旋反应器最上面的进口相接；接料罐在组合式螺旋反应器的下方，并通过其顶部的连接管与组合式螺旋反应器的出口相连接；所述的组合式螺旋反应器由3-20个上下安装并首尾相接的螺旋管式反应器构成；所述螺旋管式反应器的横截面的底部为半圆，上部为矩形，其外部包有外夹套，所述螺旋管式反应器的前端轴与驱动电机相连；所述的粉煤灰储存计量仓的底部出料口连接有计重给料器。

所述的螺旋管式反应器的加料口在顺螺旋前进方向的前端且在上部，出料口在末端且在下部，上下排布的螺旋管式反应器之间首尾相接，并采用法兰连接；所述的集气管通过多个连接管分别与每个螺旋管式反应器上部的出气口相连接。所述的硫酸铵预混计量罐为带搅拌器的釜式容器，底部装有计量式加料装置。

所述螺旋管式反应器为单螺杆反应器或双螺杆反应器。

所述的螺旋管式反应器，其宽度为0.20m～1.50m，高度为0.3m～2.0m，长度为3m～20m。优选的，所述的螺旋管式反应器，其宽度为0.40m～1.00m，高度为0.6m～1.5m，长度为5m～10m。

所述的组合式螺旋反应器的材质为含镍、钛和铬中的1～3种所构成的耐热耐磨合金材料。

所述的外夹套的材质为钢材，外夹套内的热源为导热油或熔融盐。

一种使用上述装置生产氧化铝的方法，它包括以下步骤：

a、将硫酸铵加入到硫酸铵预混计量罐中，开启搅拌器进行物料的预混和储存；将粉煤灰加入到粉煤灰储存计量仓中；

b、向外夹套中加入导热油或熔融盐，对组合式螺旋反应器进行预热，当组合式螺旋反应器内温度达到250～600℃，开启驱动电机准备加料；

c、硫酸铵通过硫酸铵预混计量罐与粉煤灰为0.3～5：1的比例，将粉煤灰从粉煤灰储存计量仓经计重给料器加入到组合式螺旋反应器中；

d、反应分解放出的氨气通过每个螺旋管式反应器上部的出气管进入集气管通往下一工段；

e、反应结束后，反应产物进入到装有水的接料罐中，降温后过滤掉沉淀，在溶液中通入回收的氨气，得到沉淀即为氢氧化铝，再经过洗涤、干燥、高温煅烧后即可得到氧化铝固体。

所述外夹套内部的温度为200℃～800℃。

优选的，所述组合式螺旋反应器内温度为350～370℃。

本发明与现有技术相比具有以下显著的优点：

（1）采用螺旋推进式管式反应器型式，强化了反应物料的搅动和混合，有利于反应均匀化和快速进行，缩短了反应时间。（2）螺旋给料器促进了物料与器壁之间的换热，容易实现反应器内的温度均匀，也可以使反应器内物料存量增加，提高单位体积设备的生产能力。（3）过程容易实现连续化和自动化控制，有利于设备的大型化。（4）设备结构简单，拆卸方便，有利于设备维护；温控容易，操作方便，有利于降低生产成本，适于推广应用。

本发明解决了规模化生产的问题，具有连续化生产、单套装置能力大、反应稳定、原料利用率或转化率高等特点。管式反应器使用寿命长。

附图说明

图1是本发明的从粉煤灰中提取氧化铝的反应装置的结构示意图；

图2是组合螺旋管式反应器侧视图；

图3是图2中单螺杆反应器的A向图；

图4是图2中双螺杆反应器的B向图；

图中各部件说明:

1、硫酸铵预混计量罐；2、搅拌器3、计量式加料装置；4、粉煤灰储存计量仓；5、计重给料器；6、组合式螺旋反应器；7、接料罐；8、螺旋管式反应器；9、集气管；10、单螺杆反应器；11、双螺杆反应器；12、驱动电机；13、外夹套。

具体实施方式

下面参照附图对本发明具体实施方式进行详细说明。

一种生产氧化铝的反应装置，它包括硫酸铵预混计量罐（1）、粉煤灰储存计量仓（4）、组合式螺旋反应器（6）、接料罐（7）和集气管（9），所述硫酸铵预混计量罐（1）和粉煤灰储存计量仓（4）在组合式螺旋反应器（6）的上方，并分别通过两者底部的连接管与组合式螺旋反应器（6）最上面的进口相接；接料罐（7）在组合式螺旋反应器（6）的下方，并通过其顶部的连接管与组合式螺旋反应器（6）的出口相连接；所述的组合式螺旋反应器（6）由3-20个上下安装并首尾相接的螺旋管式反应器（8）构成；所述螺旋管式反应器（8）的横截面的底部为半圆，上部为矩形，其外部包有外夹套（13），所述螺旋管式反应器（8）的前端轴与驱动电机（12）相连；所述的粉煤灰储存计量仓（4）的底部出料口连接有计重给料器（5）。

所述的螺旋管式反应器（8）的加料口在顺螺旋前进方向的前端且在上部，出料口在末端且在下部，上下排布的螺旋管式反应器之间首尾相接，并采用法兰连接；所述的集气管（9）通过多个连接管分别与每个螺旋管式反应器（8）上部的出气口相连接。所述的硫酸铵预混计量罐（1）为带搅拌器（2）的釜式容器，底部装有计量式加料装置（3）。

所述螺旋管式反应器（8）为单螺杆反应器（10）或双螺杆反应器（11）。

所述的螺旋管式反应器（8），其宽度为0.20m～1.50m，高度为0.3m～2.0m，长度为3m～20m。优选的，所述的螺旋管式反应器（8），其宽度为0.40m～1.00m，高度为0.6m～1.5m，长度为5m～10m。

所述的组合式螺旋反应器（6）的材质为含镍、钛和铬中的1～3种所构成的耐热耐磨合金材料。

所述的外夹套（13）的材质为钢材，外夹套（13）内的热源为导热油或熔融盐。

一种使用上述装置生产氧化铝的方法，它包括以下步骤：

a、将硫酸铵加入到硫酸铵预混计量罐（1）中，开启搅拌器（2）进行物料的预混和储存；将粉煤灰加入到粉煤灰储存计量仓（4）中；

b、向外夹套（13）中加入导热油或熔融盐，对组合式螺旋反应器（6）进行预热，当组合式螺旋反应器（6）内温度达到250～600℃，开启驱动电机（12）准备加料；

c、硫酸铵通过硫酸铵预混计量罐（1）底部的计量式加料装置（3）加入到组合式螺旋反应器（6）中；按重量比硫酸铵与粉煤灰为0.3～5：1的比例，将粉煤灰从粉煤灰储存计量仓（4）经计重给料器（5）加入到组合式螺旋反应器（6）中；

d、反应分解放出的氨气通过每个螺旋管式反应器（8）上部的出气管进入集气管（9）通往下一工段；

e、反应结束后，反应产物进入到装有水的接料罐（7）中，降温后过滤掉沉淀，在溶液中通入回收的氨气，得到沉淀即为氢氧化铝，再经过洗涤、干燥、高温煅烧后即可得到氧化铝固体。

所述外夹套（13）内部的温度为200℃～800℃。

优选的，所述组合式螺旋反应器（6）内温度为350～370℃。

实施例1

向外夹套（13）中通入导热油或熔融盐，对组合式螺旋反应器（6）进行预热，当组合式螺旋管式反应器（6）内温度达到280℃，开启驱动电机（12）准备加料。硫酸铵通过硫酸铵预混计量罐（1）底部的计量式加料装置（3）加入到组合式螺旋反应器（6）中；按硫酸铵：粉煤灰为1：1的比例，将粉煤灰从粉煤灰储存计量仓（4）经计重给料器（5）加入到组合式螺旋反应器（6）中。组合式螺旋反应器（6）由5个螺旋管式反应器（8）组成，其中包括2个单螺杆反应器（11），其外形尺寸为：长5m、宽0.4m、高0.6m，3个双螺杆反应器（12），其外形尺寸为：长5m、宽0.6m、高0.6m。反应分解放出的氨气通过每个螺旋管式反应器（8）上部的出气管进入集气管（9）通往下一工段。反应结束后，物料进入到装有水的接料罐（7）中，降温后过滤掉沉淀，在溶液中通入回收的氨气，得到沉淀即为氢氧化铝。再经过洗涤、干燥、高温煅烧后即可得到氧化铝固体。

本实施例粉煤灰处理量0.5万吨/年，经检测，所得氧化铝产品化学成分为：Al₂O₃：99.5%；Fe₂O₃：0.18%；SiO₂:0.32%。

实施例2

向外夹套中通入导热油或熔融盐，对组合式螺旋反应器进行预热，当组合式螺旋反应器内温度达到310℃，开启驱动电机准备加料。硫酸铵通过硫酸铵预混计量罐底部的计量式加料装置加入到组合式螺旋反应器中；按硫酸铵：粉煤灰为1.5：1的比例，将粉煤灰从粉煤灰储存计量仓经计重给料器加入到组合式螺旋反应器中。组合式螺旋反应器由10个螺旋管式反应器组成，其中包括5个单螺杆反应器，其外形尺寸为：长8m、宽0.6m、高0.9m，5个双螺杆反应器，其外形尺寸为：长8m、宽1.1m、高0.9m。反应分解放出的氨气通过每个螺旋管式反应器上部的出气管进入集气管通往下一工段。反应结束后，物料进入到装有水的接料罐中，降温后过滤掉沉淀，在溶液中通入回收的氨气，得到沉淀即为氢氧化铝。再经过洗涤、干燥、高温煅烧后即可得到氧化铝固体。

本实施例粉煤灰处理量1.2万吨/年，经检测，所得氧化铝产品化学成分为：Al₂O₃：99.72%；Fe₂O₃：0.1%；SiO₂:0.18%。

实施例3

向外夹套中通入导热油或熔融盐，对组合式螺旋反应器进行预热，当组合式螺旋反应器内温度达到350℃，开启驱动电机准备加料。硫酸铵通过硫酸铵预混计量罐底部的计量式加料装置加入到组合式螺旋反应器中；按硫酸铵：粉煤灰为2.5：1的比例，将粉煤灰从粉煤灰储存计量仓经计重给料器加入到组合式螺旋反应器中。组合式螺旋反应器由13个螺旋管式反应器组成，其中包括9个单螺杆反应器，其外形尺寸为：长8m、宽0.7m、高1m，4个双螺杆反应器，其外形尺寸为：长8m、宽1m、高1m。反应分解放出的氨气通过每个螺旋管式反应器上部的出气管进入集气管通往下一工段。反应结束后，物料进入到装有水的接料罐中，降温后过滤掉沉淀，在溶液中通入回收的氨气，得到沉淀即为氢氧化铝。再经过洗涤、干燥、高温煅烧后即可得到氧化铝固体。

本实施例粉煤灰处理量1.8万吨/年，经检测，所得氧化铝产品化学成分为：Al₂O₃：99.79%；Fe₂O₃：0.07%；SiO₂:0.14%。

实施例4

向外夹套中通入导热油或熔融盐，对组合式螺旋反应器进行预热，当组合式螺旋反应器内温度达到360℃，开启驱动电机准备加料。硫酸铵通过硫酸铵预混计量罐底部的计量式加料装置加入到组合式螺旋反应器中；按硫酸铵：粉煤灰为2：1的比例，将粉煤灰从粉煤灰储存计量仓经计重给料器加入到组合式螺旋反应器中。组合式螺旋反应器由20个螺旋管式反应器组成，其中包括13个单螺杆反应器，其外形尺寸为：长9m、宽0.9m、高1.5m，7个双螺杆反应器，其外形尺寸为：长9m、宽1.5m、高1.5m。反应分解放出的氨气通过每个螺旋管式反应器上部的出气管进入集气管通往下一工段。反应结束后，物料进入到装有水的接料罐中，降温后过滤掉沉淀，在溶液中通入回收的氨气，得到沉淀即为氢氧化铝。再经过洗涤、干燥、高温煅烧后即可得到氧化铝固体。

本实施例粉煤灰处理量2.5万吨/年，经检测，所得氧化铝产品化学成分为：Al₂O₃：99.8%；Fe₂O₃：0.05%；SiO₂:0.15%。

实施例5

向外夹套中通入导热油或熔融盐，对组合式螺旋反应器进行预热，当组合式螺旋反应器内温度达到370℃，开启驱动电机准备加料。硫酸铵通过硫酸铵预混计量罐底部的计量式加料装置加入到组合式螺旋反应器中；按硫酸铵：粉煤灰为4：1的比例，将粉煤灰从粉煤灰储存计量仓经计重给料器加入到组合式螺旋反应器中。组合式螺旋反应器由20个螺旋管式反应器组成，其中包括9个单螺杆反应器，其外形尺寸为：长10m、宽1m、高1.5m，11个双螺杆反应器，其外形尺寸为：长10m、宽1.8m、高1.5m。反应分解放出的氨气通过每个螺旋管式反应器上部的出气管进入集气管通往下一工段。反应结束后，物料进入到装有水的接料罐中，降温后过滤掉沉淀，在溶液中通入回收的氨气，得到沉淀即为氢氧化铝。再经过洗涤、干燥、高温煅烧后即可得到氧化铝固体。

本实施例粉煤灰处理量3万吨/年，经检测，所得氧化铝产品化学成分为：Al2O3：99.82%；Fe2O3：0.05%；SiO2:0.13%。

Claims

1.一种生产氧化铝的反应装置，其特征是它包括硫酸铵预混计量罐（1）、粉煤灰储存计量仓（4）、组合式螺旋反应器（6）、接料罐（7）和集气管（9），所述硫酸铵预混计量罐（1）和粉煤灰储存计量仓（4）在组合式螺旋反应器（6）的上方，并分别通过两者底部的连接管与组合式螺旋反应器（6）最上面的进口相接；接料罐（7）在组合式螺旋反应器（6）的下方，并通过其顶部的连接管与组合式螺旋反应器（6）的出口相连接；

所述的组合式螺旋反应器（6）由3-20个上下安装并首尾相接的螺旋管式反应器（8）构成；

所述螺旋管式反应器（8）的横截面的底部为半圆，上部为矩形，其外部包有外夹套（13），所述螺旋管式反应器（8）的前端轴与驱动电机（12）相连；

所述的粉煤灰储存计量仓（4）的底部出料口连接有计重给料器（5）；

所述的螺旋管式反应器（8）的加料口在顺螺旋前进方向的前端且在上部，出料口在末端且在下部，上下排布的螺旋管式反应器之间首尾相接，并采用法兰连接；

所述的集气管（9）通过多个连接管分别与每个螺旋管式反应器（8）上部的出气口相连接。

2.根据权利要求1所述的一种生产氧化铝的反应装置，其特征在于，所述的硫酸铵预混计量罐（1）为带搅拌器（2）的釜式容器，底部装有计量式加料装置（3）。

3.根据权利要求1所述的一种生产氧化铝的反应装置，其特征在于，

4.根据权利要求1所述的生产氧化铝的反应装置，其特征在于，

所述的螺旋管式反应器（8），其宽度为0.20m～1.50m，高度为0.3m～2.0m，长度为3m～20m。

5.根据权利要求4所述的生产氧化铝的反应装置，其特征在于，

所述的螺旋管式反应器（8），其宽度为0.40m～1.00m，高度为0.6m～1.5m，长度为5m～10m。

6.根据权利要求1所述的生产氧化铝的反应装置，其特征在于，

7.根据权利要求1所述的生产氧化铝的反应装置，其特征在于，

8.一种使用权利要求1所述装置生产氧化铝的方法，其特征在于它包括以下步骤：

9.根据权利要求8所述的生产氧化铝的方法，其特征在于，

所述外夹套（13）内部的温度为200℃～800℃。

10.根据权利要求8所述的生产氧化铝的方法，其特征在于，所述组合式螺旋反应器（6）内温度为350～370℃。