CN115151663A - 使用氢气的煅烧设备和工艺 - Google Patents

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Abstract

公开了一种煅烧氢氧化铝(Al2O3.3H2O)以形成氧化铝(Al2O3)的工艺，例如在氧化铝装置诸如拜耳法装置中煅烧。该工艺包括使氢气和氧气燃烧并且产生蒸汽和热量，并且使用该热量来煅烧氢氧化铝并形成氧化铝和更多的蒸汽。还公开了一种设备。

Description

使用氢气的煅烧设备和工艺
技术领域
本发明涉及在氧化铝生产装置(alumina production plant)诸如拜耳法装置(Bayer process plant)中煅烧氢氧化铝以形成氧化铝的工艺和设备。
背景技术
在氧化铝生产装置诸如拜耳法装置中的氧化铝(Al2O3)的生产，包括煅烧氢氧化铝(aluminium hydroxide)(Al2O3.3H2O-还被称为氢氧化铝(alumina hydroxide)、三水合铝和水合氧化铝)以去除水。
氢氧化铝的煅烧是热分解化学反应，其根据以下反应吸热地进行：
2Al2O3.3H2O(s)→2Al2O3(s)+3H2O(g)
用于生产氧化铝的典型的煅烧炉(calciner)具有反应室，该反应室使天然气和氧气燃烧以形成热量和烟道气，该烟道气包含N2、CO2和蒸汽。通过天然气和氧气的燃烧在反应室中产生的热量被用来从氢氧化铝中驱离水以形成氧化铝。由于在煅烧期间的热损失，提供给反应室的能量的量显著多于理论要求。将在反应室中产生的热量中的一部分传输到烟道气中的蒸汽。然而，试图再捕获烟道气中的热量作为减少煅烧所需的能量的量的方式可能在技术上是困难的或受成本过高限制的。
以上描述不应被视为对澳大利亚或其他地方的公知常识的承认。
发明概述
本申请人操作燃烧天然气的煅烧炉(natural gas-fired calciner)以将呈矿石三水铝石形式的氢氧化铝(Al2O3.3H2O)脱水成氧化铝(Al2O3)。
本发明基于发明人以下的认识：通过使用氢气作为燃烧燃料以完全或部分地替代天然气，通过在本申请人的煅烧炉中煅烧氢氧化铝可以实现相当大的优点，其中优点是减少与煅烧过程相关的温室气体排放。
此外，本发明基于以下的认识：煅烧过程可以用氧气代替空气而有益地操作，以产生纯蒸汽的烟道气。
本发明人还认识到，煅烧过程(氢气和空气/氧气的燃烧)可以在与当前的煅烧炉的反应室分开的反应室中进行，并且产生的蒸汽和热量可以用于煅烧三水铝石(或其他形式的氢氧化铝)并且形成氧化铝和更多的蒸汽。分开的反应室的使用在改造当前的煅烧炉方面具有优点。
从煅烧炉中排出的蒸汽中的一些蒸汽可以被再循环，以促进材料的流化、材料和热量的传输。剩余的蒸汽可以用于炼油厂中的其他地方。
在广泛的意义上，本发明提供了一种煅烧氢氧化铝(Al2O3.3H2O)诸如三水铝石以形成氧化铝(Al2O3)的工艺，例如在氧化铝装置诸如拜耳法装置中煅烧，所述工艺包括：向反应室供应氢气和氧气，并且使氢气和氧气燃烧并且产生蒸汽和热量；以及使用该热量以煅烧氢氧化铝并且形成氧化铝和更多的蒸汽。
术语“反应室”在本文被理解为意指用于氢氧化铝到氧化铝的煅烧反应的室。
燃烧氢气的优点是它消除了使用烃燃料源诸如天然气的需求。如上文提及的，这可以有助于减少来自煅烧过程的碳基排放物。
此外，该工艺可以仅采用氧气作为氧源来操作，并且从而避免完全地使用空气(即，具有78％氮气和21％氧气的气体混合物)。这在减少在装置中加工的气体体积方面是优点。
该工艺可以采用富氧空气来操作，并且取决于富集的量，与采用空气来操作相比，减少氮气的量。
如上文提及的，使氢气和氧气燃烧的另一个优点是产生蒸汽的机会，该蒸汽可以有益地用于该工艺和/或氧化铝装置诸如拜耳法装置中的其他单元操作。
该工艺还可以包括从该工艺中排出蒸汽，并且然后将排出的蒸汽中的至少一些蒸汽传输到该工艺中，例如传输到反应室中。传输到工艺中的排出的蒸汽可以是排出的蒸汽的体积的按体积计至少30％，典型地至少40％。因此，在燃烧之后保留在蒸汽中的任何热量都可以被传输回到工艺中，例如传输回到反应室中。将从工艺中排出的蒸汽中的至少一些蒸汽传输到反应室中有助于减少煅烧供应到反应室的另外的量的氢氧化铝所需的能量的量。蒸汽还可以有助于氢氧化铝和/或氧化铝的流化和/或输送经过工艺，例如经过反应室。
如上所述，蒸汽通过氢气和氧气的燃烧被产生。
蒸汽还可以在反应室中通过氢氧化铝脱水成氧化铝被产生。
该工艺可以包括将蒸汽保持在高于蒸汽在该工艺的操作条件下的冷凝温度的温度。
典型地，蒸汽的冷凝温度在大气压力是100℃。
该工艺可以在大气压力或低于大气压力进行。
以可选择的方式描述，该工艺可以在不将反应室置于高于由如上文描述的操作该工艺所产生的压力的压力的情况下进行，即通过向反应室供应氢气和氧气并且使氢气和氧气燃烧并且产生蒸汽和热量并且使用该热量来煅烧氢氧化铝并且形成氧化铝和更多的蒸汽。
更具体地，该工艺可以在不将反应室构造为压力容器的情况下进行。
在反应室中产生的蒸汽可以充当工艺中的输送气体，即流化气体，例如用于将颗粒氢氧化铝和/或氧化铝输送到反应室中和/或从反应室中输送出来。
在反应室中产生的蒸汽可以充当工艺中的传热介质。
该工艺还可以包括将在反应室(和/或在工艺的其他地方)中产生的蒸汽中的至少一些蒸汽传输到氧化铝生产装置，以在用于除了将氢氧化铝煅烧成氧化铝以外的工艺的装置中生产氧化铝中使用。
例如，来自工艺的蒸汽中的至少一些蒸汽可以用于在装置中的工艺，例如在铝土矿的蒸煮(digestion)或拜耳液(Bayer liquor)的蒸发期间。
在用于其他工艺之前，用于在装置中的工艺的蒸汽可以被提升(upgrade)，例如使用机械蒸气再压缩装置或热蒸气再压缩装置被提升。
氢气可以具有>99％的纯度。
该工艺可以包括连接氧源以与反应室流体连通。
该工艺可以包括连接氢源以与反应室流体连通。
在工艺已经达到稳态条件之后，该工艺可以包括从反应室中排出烟道气，该烟道气是按体积计至少85％、典型地至少90％、并且更典型地至少95％的蒸汽。
术语“稳态条件”在本文被理解为意指该工艺已经完成了启动阶段，并且在向装置操作者指示稳定操作的控制参数内以预定的操作状态或高于预定的操作状态操作。控制参数可以是由装置操作者选择的任何合适的控制参数，包括在工艺中的不同点处的温度。控制参数的一个实例是处于或高于蒸汽的冷凝温度的温度。
烟道气可以是100％的蒸汽。
本发明还提供了一种用于实施如上文阐述的工艺的煅烧装置。
本发明还提供了一种启动用于煅烧氢氧化铝以形成氧化铝的装置的工艺，所述煅烧装置包括反应室，所述工艺包括：预热步骤，该预热步骤加热反应室直到达到预定的稳态条件，和然后开始向反应室供应氢氧化铝，以及煅烧氢氧化铝并形成氧化铝。
预定的稳态条件可以包括处于或高于蒸汽的冷凝温度的温度。
预热步骤不限于使氢气和氧气在反应室中燃烧。
预热步骤可以包括使包括烃燃料的任何合适的燃料源在反应室中燃烧，或者在反应室的外部燃烧并且将热量传输到反应室。
作为具体的实例，在氧化铝生产装置中产生的蒸汽可以用于在预热步骤中加热反应室。
在预热步骤中，可以通过将产生的蒸汽中的至少一些蒸汽传输到反应室中来加热反应室。
在达到稳态条件以使氢气和氧气在反应室中燃烧之后改变操作条件可以包括提供气体进料，该气体进料在预定的时间段内增加氢气的比例。
本发明还提供了一种煅烧氢氧化铝诸如三水铝石以形成氧化铝(Al2O3)的工艺，例如在氧化铝装置诸如在拜耳法装置中煅烧，所述工艺包括：使氢气和氧气燃烧并且产生蒸汽和热量，使用该热量来煅烧氢氧化铝并且形成氧化铝和更多的蒸汽，以及使用由该燃烧产生的蒸汽作为该工艺中的输送气体。
前述段落中描述的工艺还可以包括从工艺中排出蒸汽，并且然后将排出的蒸汽中的至少一些蒸汽传输到工艺中。
所描述的工艺可以包括在反应室中使氢气和氧气燃烧并且产生蒸汽和热量，以及在反应室中煅烧氢氧化铝以形成氧化铝。
可选择地，该工艺可以包括在一个反应室中使氢气和氧气燃烧并且产生蒸汽和热量，以及将该蒸汽和热量传输到第二反应室并且在第二反应室中煅烧氢氧化铝以形成氧化铝。
该工艺可以应用于现有的煅烧装置，该现有的煅烧装置以天然气作为燃料源并且以空气作为氧源用于燃料源的燃烧而操作。
现有的装置可以被适当地修改成使用氢气作为燃料源并且使用氧气(典型地仅有氧气)作为氧源用于燃料源的燃烧。
此外，现有的装置可以被修改，使得从工艺中排出的蒸汽被传输到反应室，并且充当输送气体，并且任选地充当传热介质。
本发明还提供了一种用于煅烧氢氧化铝以形成氧化铝的设备，该设备包括：
-反应室，其被配置成煅烧氢氧化铝以形成氧化铝；
-氢源和氧源，其用于产生热量，该热量用于在反应室中煅烧氢氧化铝并且产生氧化铝和蒸汽，
-氧化铝的出口，以及
-包括蒸汽的烟道气的出口。
该设备可以包括管线，该管线用于将经由烟道气的出口排出的蒸汽供应到该设备，例如供应到反应室。
该设备可以包括：第一反应室，该第一反应室用于煅烧氢氧化铝以形成氧化铝和蒸汽；以及第二反应室，该第二反应室用于使氢气和氧气燃烧并且产生热量以在第一反应室中使用。
在无论本发明的煅烧工艺是否被改造成现有的煅烧装置的情况下，这种两个第二反应室选项都可以是有利的。
在这种情况下，现有的反应室可以继续用作用于煅烧氢氧化铝的室，并且第二反应室可以被特制成使氢气和氧气燃烧，并且被定位成靠近现有的装置并且可操作地连接到现有的装置，以向现有的反应室供应热量。
本发明还提供了一种用于生产氧化铝的装置诸如拜耳法装置，设备包括上文描述的用于煅烧氢氧化铝以形成氧化铝的设备。
附图简述
参考非限制性的附图进一步描述本发明的实施方案，在附图中：
图1图示了用于生产氧化铝的常规拜耳法流程图的实例；
图2图示了根据本发明的用于煅烧氢氧化铝的设备的实施方案；
图3图示了根据本发明的用于煅烧氢氧化铝的设备的另一种实施方案，尽管不是唯一的另一种实施方案；
图4图示了根据本发明的煅烧装置的实施方案，其基于图3中示出的用于煅烧氢氧化铝的设备的实施方案；以及
图5是根据本发明的在蒸汽环境中煅烧三水铝石的测试工作中产生的XRD结果。
实施方案的描述
以下的描述是在以拜耳法装置形式的氧化铝装置中煅烧氢氧化铝诸如矿物三水铝石以形成氧化铝的上下文中。
应当注意，本发明不限于在拜耳法装置中煅烧氢氧化铝以形成氧化铝，并且扩展到任何用于生产氧化铝的装置，其中煅烧是这样的装置中的工艺步骤。
图1中示出的流程图包括以下工艺步骤：
·在苛性碱溶液中蒸煮铝土矿3。
·净化(残余物与母液的固体/液体分离)。
·氢氧化铝(氧化铝水合物)的沉淀。
·将用过的液体返回到蒸煮，例如经由蒸发步骤17。
·煅烧氢氧化铝以形成氧化铝。
参考图1，已经被粉碎成合适的粒度分布的铝土矿被传输到蒸煮步骤5。
该图中的蒸煮步骤5基本上是两个步骤，即(a)预脱硅步骤(pre-disilicationstep)，以使铝土矿中的任何粘土或其他含高度反应性二氧化硅的矿物预反应，并且开始形成脱硅产物(DSP)；以及(b)蒸煮，其中取决于铝土矿的类型，将在脱硅步骤(a)中形成的浆料加热至～140℃和280℃之间，其中氧化铝和反应性二氧化硅溶解并且二氧化硅再沉淀为DSP，所述DSP包含苛性碱、氧化铝和二氧化硅。
蒸煮步骤5的输出物被传输到净化步骤7，所述净化步骤7产生固体输出物和液体输出物。
来自净化步骤7的固体输出物作为流[4]被传输到洗涤步骤9，并且形成残余物11，所述残余物11作为来自洗涤步骤9的残余物流[6]被传输。
液体输出物，即拜耳液，更具体地母拜耳液(pregnant Bayer liquor)，作为流[1]被传输到沉淀步骤11。
在沉淀步骤11中，在一连串大的容器中，将拜耳液从约80℃逐渐地冷却至65℃。溶解的氧化铝沉淀为氢氧化铝(Al2O3.3H2O)。
来自沉淀步骤11的输出浆料被传输到水合物分类和洗涤步骤13，并且氢氧化铝晶体被热洗涤。
水合物分类和洗涤步骤13的输出物是：
(a)用过的液体，其作为流[2]被传输到蒸发步骤17并且然后被传输到蒸煮步骤5以在该步骤中使用，
(b)洗涤的氢氧化铝(Al2O3.3H2O)晶体，其被传输到煅烧步骤15并且在该步骤中煅烧以去除水并产生输出的氧化铝(Al2O3)产物；以及
(c)水合物洗涤滤液，其作为流[3]被传输到苛化步骤19。
苛化步骤19产生变为残余物11的一部分的苛化流[7]。
图2示出了在煅烧步骤15中煅烧氢氧化铝(Al2O3.3H2O)以形成氧化铝(Al2O3)的设备的实施方案。
在图2中，设备23包括反应室25，该反应室25用于煅烧反应以从氢氧化铝形成氧化铝。
反应室25可以是用于氢氧化铝到氧化铝的煅烧反应的任何合适的室。
例如，反应室25可以是回转窑或气体悬浮煅烧室(gas suspension calcinerchamber)。
本发明的工艺不必在高压条件下操作，并且因此，反应室25不必是压力容器。
反应室25与氢源27、氧源29(其在本实施方案中仅是氧气)和氢氧化铝源31流体连通。反应室25包括入口和用于向反应室25供应这些进料材料的传输管线。反应室25包括氧化铝排出管线33，该氧化铝排出管线33用于将在反应室25中形成的氧化铝从反应室25中排出。反应室25还包括输出管线35，该输出管线35用于将在反应室25中产生的烟道气从反应室25中排出。
来自氢源27和氧源29的氢气和氧气分别被进料到反应室25中并在反应室25中燃烧，并且产生热量和烟道气。热量将水驱离氢氧化铝，以形成氧化铝和蒸汽。包括蒸汽的烟道气经由烟道气管线35从反应室25中排出。
如果燃料源不限于氢气并且包括其他燃料，诸如天然气，(正如在本发明的一些实施方案中可能的情况)，则烟道气流将具有蒸汽加上其他组分，诸如CO2。然而，当氢气是唯一的燃料源并且在反应室25中仅与氧气燃烧时，蒸汽是烟道气管线35中的唯一组分。仅产生蒸汽意味着在再利用蒸汽之前不需要分离出其他烟道气组分，诸如CO2和N2。将烟道气分离成单独的组分通常在技术上是困难的，和/或当寻求从烟道气中分离出蒸汽时是受成本过高限制的。
在一种实施方案中，氢源27具有>99％的纯度。在煅烧期间被驱离的水还存在于烟道气管线35中。以这种方式，在设备23中存在两个蒸汽源，第一个源来自氢气和氧气的燃烧，并且第二个源来自氢氧化铝的脱水。在一些实施方案中，以相对于氢气的化学计量过量提供氧气，以确保氢气的完全燃烧。当氧气以化学计量过量提供时，烟道气供应管线中的烟道气可以具有微量(例如<5％)的氧气。通常，用于氢气的燃烧的任何过量的氧气都被保持在最低限度。
如上文提及的，通过仅使用氢气和仅使用氧气用于燃烧来产生用于反应室25的热量，设备23不产生任何CO2或其他碳基排放物。如果氢气源自可再生源，则与依赖于用于煅烧的天然气的设备相比，设备23可以显著地减少其碳足迹(carbon footprint)。
在图2中示出的实施方案中，烟道气管线35被分成并且包括与反应室25流体连通的烟道气传输管线37。烟道气传输管线37将烟道气管线35中的烟道气中的至少一些烟道气(其通常至少基本上是蒸汽)传输到反应室25。当烟道气中的热量不被捕获并且代替地被排放到环境中时，在反应室25中产生的热量的高达30％被损失到环境中。经由烟道气管线35将蒸汽中的至少一些传输回到反应室25的优点是，以其他方式将通过排放蒸汽而损失到环境中的热量被传输回到反应室25。以这种方式，当来自蒸汽的热量可以在设备23中的其他地方使用时，蒸汽可以充当传热介质。使用烟道气传输管线37将蒸汽返回到反应室25，还可以有助于减少保持反应室25的反应温度所需的氢气的量，因为蒸汽向反应室25贡献热量。
应当注意，在一些情况下，取决于煅烧条件，在烟道气(即蒸汽)中可能存在少量的固体，即使在烟道气已经穿过固体过滤单元(例如袋滤室(bag house)和/或静电除尘器(electrostatic precipitator))之后。如果在烟道气中存在少量的固体，则可以在经由烟道气管线35将蒸汽中的至少一些蒸汽传输回到反应室25中之前进行另外的过滤步骤以去除固体。
为了防止烟道气管线35和烟道气传输管线37中的蒸汽的冷凝，管线35、37被保持在高于蒸汽的冷凝温度的温度。在实施方案中，蒸汽的冷凝温度是100℃。在实施方案中，烟道气管线35中的蒸汽是过热蒸汽，即>100℃。在实施方案中，蒸汽的温度被保持在160℃或高于160℃。保持蒸汽的温度>100℃，诸如保持在约160℃，可以有助于防止蒸汽的冷凝。防止蒸汽的冷凝还可以有助于减少冷凝的蒸汽导致氧化铝“粘附”到反应室25的壁和表面以及周围结构的发生率。防止烟道气管线35中的蒸汽冷凝有助于防止蒸汽的密度下降到低于阈值，该阈值将防止烟道气管线35中的蒸汽充当流体流动介质，诸如输送气体。分解蒸汽所需的潜热使用大量的能量，因此将设备10的温度保持在高于蒸汽的冷凝温度可以有助于减少或消除能量密集的蒸汽加热步骤。
蒸汽的冷凝温度取决于烟道气管线35的压力。通常，随着烟道气管线35的压力增加，蒸汽冷凝的温度也增加。如上文提及的，在实施方案中，设备10在大气压力操作，诸如在约1个大气压操作。
图3示出了用于煅烧氢氧化铝以形成氧化铝的设备100的另一个实例，尽管不是唯一的另一个实例。
设备100类似于图2的实施方案的设备23。
在这一点上，设备100包括类似于设备10的反应室112、氢源114、氧源115、氢氧化铝源116、氧化铝排出管线117、烟道气排出管线118、以及烟道气传输管线120。
在图3中示出的实施方案中，氢氧化铝经由干燥器124从氢氧化铝源116供应到反应室112。干燥器124从氢氧化铝中去除至少一些表面结合的水，并且在反应室112的上游形成至少一些干燥的氢氧化铝。然后部分干燥的氢氧化铝在反应室112中煅烧以形成氧化铝。
在图3中示出的实施方案中，在反应室112中的煅烧之后，氧化铝然后被传输到热量回收设备128，该热量回收设备128从氧化铝中回收热量。热量回收设备128可以是任何适当形式的设备。该热量回收有助于冷却氧化铝并形成冷却的氧化铝，并且将热量保留在设备100中。氧化铝排出管线117进料冷却的氧化铝用于进一步加工，诸如包装和运输。
在图3中示出的实施方案中，粉尘回收设备(dust recovery apparatus)126诸如袋滤室与干燥器124流体连通。烟道气管线118从粉尘回收设备126延伸。
在图3中示出的实施方案中，烟道气传输管线120与烟道气管线118和热量回收设备128流体连通。烟道气管线118中的蒸汽的至少一部分经由烟道气传输管线120被传输到热量回收设备128。传输到热量回收设备128的蒸汽被用作输送气体或流体介质，以有助于经过设备100传输氢氧化铝和/或氧化铝。进入热量回收设备128的蒸汽行进到反应室112、干燥器126，并且然后经过粉尘回收设备126。蒸汽行进的这种方向由箭头132示出。当氢氧化铝被引入到干燥器124中时，粉尘和其他细颗粒物质被蒸汽携带并且被传输到粉尘回收设备126。由于氢氧化铝和氧化铝大致在与经过热量回收设备128、反应室112和干燥器126的蒸汽的流动相反的方向上行进(即，与蒸汽行进的方向132相反)，经过设备100的氢氧化铝和氧化铝的净流(net flow)与蒸汽的流动大致是逆流的。然而，应当注意，在干燥器124、反应室112和热量回收设备128内，可以存在氢氧化铝和/或氧化铝和蒸汽的局部的顺流流动，但总的来说，可以存在氢氧化铝和/或氧化铝和蒸汽的净逆流流动。
烟道气管线118被分成两个管线。第一管线是向热量回收设备128提供蒸汽的上文描述的烟道气传输管线120。第二管线提供蒸汽作为用于设备100的外部使用的蒸汽源130。
蒸汽源130可以用于向拜耳法装置中的其他装备提供蒸汽。
例如，蒸汽源130可以由蒸煮器在铝土矿蒸煮期间使用，在用过的拜耳液的蒸发期间使用，在苛化以去除拜耳法中的杂质期间使用，以及在蒸发器/蒸汽发生器中使用以补充低压蒸汽。以这种方式，设备100可以用作蒸汽发生器。从蒸汽源130延伸的虚线代表以下事实，即在一些实施方案中，蒸汽不被储存或排放，而是代替地在其他地方使用。
在一些实施方案中，蒸汽源130还包括机械蒸气再压缩机和/或热蒸气再压缩机，以将蒸汽源130“提升”到更高的压力。例如，机械蒸气再压缩可以将蒸汽从1个大气压提升到5个大气压，并且热蒸气再压缩可以将蒸汽从5个大气压提升到>10个大气压。
为了控制蒸汽在烟道气传输管线120和蒸汽源130中的相对流量，控制阀134被设置在烟道气传输管线120和蒸汽源130的连接处。控制阀134可以手动地或自主地操作以控制蒸汽在烟道气传输管线120和蒸汽源130中的相对流量。蒸汽在烟道气传输管线120和蒸汽源130中的相对流量可以由设备100的操作条件和用于煅烧的热量需求来确定。
利用由设备100产生的过量蒸汽可以有助于改善位于需要使用蒸汽来操作的拜耳法装置中和该拜耳法装置周围的其他设备和装备的效率。
应当注意，尽管氧源115和氢源114在图3中被图示为连接到反应室112并且直接向反应室112供应这些进料材料，但氧源115和氢源114仅需要与反应室112流体连通。因此，氧源115和/或氢源114可以被连接到反应室112的上游侧，而不是直接连接到反应室。
在图3中，反应室112的上游侧与箭头132的方向相反，即朝向热量回收设备128。例如，在实施方案中，氧源115被连接到热量回收设备128。
采用这样的布置，从氧源115经由热量回收设备128传输到反应室112的氧气可以充当冷却流体，该冷却流体有助于冷却在输出管线117中或在输出管线117附近的氧化铝。同时，氧气在进入反应室112之前被加热。类似地，代替氧源115，氢源114可以连接到热量回收设备128。作为另外的可选方案，氧源115和氢源114两者都被连接到热量回收设备128。
当氧源115和/或氢源114被连接到反应室112的上游侧时，来自返回管线120的被传输到热量回收设备128的蒸汽被用于将氧气和/或氢气传输到反应室112用于燃烧。
设备10和设备100仅以示例性的形式图示。这些是多种可能实施方案中的两种实施方案的实例。
可以理解的是，图3中的特征，例如诸如反应室112、热量回收设备128和干燥器126，可以由许多不同的部件形成，并且反应室112、热量回收设备128和干燥器126可以具有不同的级(stage)。例如，反应室112可以具有初级加热级和次级加热级。热量回收设备128还可以具有多个冷却级，诸如一系列相互连接的旋风分离器，其有助于在不同级处净化氧化铝。
图3中示出的设备100的实施方案可以被形成为新构建的装置或者通过改造在氧化铝装置中的现有的煅烧设备来形成。
如上文提及的，一种改造选项包括提供单独的特制反应室，以使氢气和氧气燃烧并且被定位在现有的煅烧设备附近并且可操作地连接到现有的煅烧设备，以向现有的反应室供应热量。
关于改造选项，现有的煅烧设备通常将烟道气排放到大气中，并且具有连接到反应室的天然气供应部。典型地，空气被用作氧源，并且经由热量回收设备例如128被传输到反应室。空气通常还被用作传输流体。现有的煅烧设备不具有烟道气返回管线120、氧源115和氢源114。
在实施方案中，改造煅烧设备的过程包括安装烟道气传输管线120，使得烟道气流例如118与反应室112流体连通。如图2中图示的，烟道气传输管线120经由热量回收设备128与反应室112流体连通。然后氢源例如114和氧源例如115被连接到反应室112。
因为图3中示出的设备100需要使用蒸汽来充当输送气体或流体介质，以有助于经过设备100传输氢氧化铝和/或氧化铝，因此设备100理想地应当处于是蒸汽的冷凝温度或高于蒸汽的冷凝温度的温度。蒸汽的冷凝温度是约100℃，尽管这确实取决于设备100的操作压力。在实施方案中，设备100被保持在160℃或高于160℃。
为了启动图3中示出的设备100以煅烧氢氧化铝，在开始向反应室供应氢氧化铝之前，反应室需要在预热步骤中被加热，以处于或高于作为稳态的预定操作状态。在实施方案中，预定的操作状态是处于或高于蒸汽的冷凝温度的温度。通过在反应室112中使氧气和氢气燃烧以产生热量，可以实现将反应室112加热到高于蒸汽的冷凝温度。一旦已经产生足够的热量，反应室112应当高于蒸汽的冷凝温度。由氢气和氧气的燃烧产生的蒸汽可以例如经由烟道气返回管线120被传输到反应室112，以加热反应室112。
在实施方案中，为了防止在反应室处于或高于蒸汽的冷凝温度之前反应室112被冷凝的蒸汽淹没，通常在启动阶段通过预热选项而不是经由在反应室112中纯氢气和氧气的燃烧将反应室112加热到高于蒸汽的冷凝温度的温度。一旦反应室112被加热到高于蒸汽的冷凝温度的温度，操作条件就可以被改变，并且然后氢气和氧气可以在反应室112中燃烧以产生热量和蒸汽。然后，在反应室112中产生的蒸汽可以用于加热设备100的其他部件。
在实施方案中，在氢气和氧气的燃烧之前，在启动阶段用外部热源预热至少反应室112，所述外部热源诸如来自拜耳法装置中另一位置的蒸汽。例如，在铝土矿的蒸煮期间产生的蒸汽可以经由蒸汽源130、返回管线120和热量回收设备128被传输到反应室112。
在实施方案中，在启动阶段将反应室112预热包括在反应室112中使天然气和氧气燃烧以产生热量。一旦反应室112处于或高于蒸汽的冷凝温度，改变操作条件，并且氢气代替天然气与氧气燃烧。
从天然气到氢气的转变可以是渐进的转变。例如，将反应室112预热可以首先以100％的天然气开始，并且在一段时间内或当满足预定的反应室条件时，用氢气代替天然气的一部分，直到天然气已经完全被氢气代替。可以在刚好反应室112达到预定的操作状态之前完全代替天然气。
可选择地，在启动阶段将反应室112预热通过使贫氢燃料混合物燃烧来开始，然后该贫氢燃料混合物被转变为富氢燃料混合物，直到获得预定的操作状态，在该点处，富氢燃料混合物与100％氢气交换。
在实施方案中，通过在反应室112的上游加热，诸如在热量回收设备128的位置加热，并且允许热量传输到反应室112中，将反应室112加热到在处于或高于蒸汽的冷凝温度的温度。
在启动阶段将反应室112预热可以组合不同的加热过程。例如，可以使用外部热源并且通过使氧气和氢气或者使氧气和包含天然气的燃料混合物燃烧来预热反应室112。
图4示出了基于图3中示出的设备100的煅烧设备200的实施方案。
下面的概要概述了设备100和图4中的装置200的部件的关系：
·设备100的反应室112是装置200中的煅烧区段(calcining section)212a。
·设备100的干燥器124是装置200中的干燥区段224a。
·设备100中的热量回收设备128是装置200中的热量回收区段228a。
·设备100中的粉尘回收设备126是装置200中的粉尘回收段226a，其呈袋滤室226的形式。
·设备100中的氢氧化铝源116是装置200中的水合物输入部216。
·设备100中的氧源115和氢源114分别是装置200中的氧气输入部215和氢气输入部214。
·设备100中的返回管线120是装置200中的返回蒸汽管线220。
·设备100中的输出管线117是装置200中的氧化铝流出部217。
在图4中图示的装置200中，蒸汽从流出部217到袋滤室230的流动方向是从左到右。因此，氧化铝流出部217在反应室212的上游，并且袋滤室226在反应室212的下游。
干燥区段224a具有旋风分离器240。氢氧化铝被进料到水合物输入部216，在水合物输入部216，流过装置200的上文描述的蒸汽流携带氢氧化铝直到旋风分离器240。在从输入部216输送到旋风分离器240期间，表面结合水中的至少一些并且通常是大部分从氢氧化铝中被去除。旋风分离器240净化氢氧化铝，并且粉尘和其他不需要的细颗粒物质被传输到袋滤室226。
然后将净化的氢氧化铝从旋风分离器240传输到煅烧区段212a。
煅烧区段212a具有定位在反应室212下游的旋风分离器242a和242b。净化的氢氧化铝从干燥区段224a中的旋风分离器240被进料到旋风分离器242b上游的位置，在该位置处，蒸汽然后将净化的氢氧化铝向下游传输到旋风分离器242b，用于进一步净化氢氧化铝。然后将进一步净化的氢氧化铝(以及作为旋风分离器242b中煅烧的结果而形成的任何氧化铝)传输到反应室212。氢气输入部214和氧气输入部215紧接在反应室212的上游。氢气和氧气通过它们相应的输入部214和215被进料到反应室212中，在反应室212中，它们燃烧以产生热量和蒸汽。热量煅烧氢氧化铝以在反应室212中形成氧化铝。在反应室212中通过氢氧化铝的脱水(即煅烧)还产生蒸汽。通过在干燥区段224a中的氢氧化铝上的表面水分的蒸发还产生蒸汽。例如，氢氧化铝的表面水分通常是约6％w/w。存在于反应室212中的氢氧化铝的大部分在反应室中被转化为氧化铝。
然后，氧化铝连同任何剩余的净化的氢氧化铝一起从反应室212中传输到旋风分离器242a，在旋风分离器242a中，剩余的净化的氢氧化铝被煅烧并且形成氧化铝。
大部分即至少80％的净化的氢氧化铝的煅烧通常在反应室212中发生。
在反应室212中产生的蒸汽经过装置被传输到袋滤室226。正是蒸汽从反应室212到袋滤室226的这种传输有助于至少部分地将氢氧化铝从水合物输入部216传输到旋风分离器240。在离开袋滤室226时，蒸汽被分成返回蒸汽管线220和蒸汽源230。
在氧化铝在反应室212中已经被形成之后，该氧化铝然后被传输到热量回收级228a。热量回收级228a具有多个旋风分离器244，该旋风分离器244净化和冷却氧化铝。氧化铝在穿过氧化铝流出部217之前穿过最终的旋风分离器246。返回蒸汽管线220与最终的旋风分离器246流体连通。返回蒸汽管线220中的蒸汽使装置200中的氧化铝和氢氧化铝流化并且输送装置200中的氧化铝和氢氧化铝。
实施例
实施例1-建模煅烧装置200
图4中示出的煅烧装置200使用SysCAD被建模，以确定装置200中使用的多种输入部和输出部的流量。
在一个实例中，4.51t/h的H2和38.2t/hg的O2被供应到反应室212，并且284t/h的氢氧化铝被进料到输入部216中。
H2和O2燃烧以产生187t/h的蒸汽。
187t/h的蒸汽的值还包括在反应室212中由氢氧化铝的脱水产生的蒸汽。
在氢氧化铝进入反应室212中之前，氢氧化铝在干燥级224a中和在煅烧级212a中的脱水意味着被产生并且从煅烧级212a和干燥级224a传输到袋滤室226的蒸汽的总量是287t/h。
284t/h的氢氧化铝形成205t/h的氧化铝。
114t/h的蒸汽被传输经过返回蒸汽管线220，以充当用于颗粒物质例如氢氧化铝和氧化铝的输送气体。
用于使用天然气煅烧氢氧化铝以形成氧化铝的装置具有约3GJ/h的能量需求，而装置200具有约2.9GJ/h的能量需求。
应当注意，在装置200中将氢氧化铝转化为氧化铝的理论能量需求是约1.8GJ/h-2.0GJ/h，并且在理论能量需求与实际能量需求之间的差异是由于能量损失，诸如热损失。
然而，该计算没有考虑以下的事实，即由装置200产生的蒸汽可以在其他地方被用来减少氧化铝精炼厂中辅助装备的能量需求，因此使用装置200可以有助于提高氧化铝精炼厂的总能量效率。
虽然详细描述已经提到煅烧氢氧化铝以形成氧化铝，但所描述的设备和工艺适用于其他材料诸如石膏的煅烧。例如，可以将石膏、亚硒酸盐和/或碧玄岩进料到反应室112中以形成无水石膏。
实施例2-模拟蒸汽条件(类似于氢气-氧气产生蒸汽的条件)以将三水铝石煅烧成 氧化铝
如上文提及的，本申请人操作燃烧天然气的煅烧炉以将呈三水铝石形式的氢氧化铝(Al2O3.3H2O)脱水成氧化铝(Al2O3)，并且本发明由本发明人在这些煅烧炉的上下文中做出。
在本申请人的燃烧天然气的煅烧炉中的当前条件与本发明的煅烧工艺和设备之间的一个差异是使用根据本发明的氢-氧火焰。
氢-氧火焰的性质包括显著高于天然气-空气火焰温度的燃烧温度(表1)，并且氢气在淡蓝色火焰的情况下燃烧，导致最小的经由辐射的传热。
表1：近似火焰温度
燃料 与空气燃烧(℃) 与氧气燃烧(℃)
天然气 1940 2760
氢气 2130 2800
用于氢-氧火焰的主要传热机理是通过经由燃烧产生的蒸汽的对流和传导。
这些传热机理允许氢-氧火焰被包含在煅烧设备内或在外部被包含在单独的反应室中(如上文描述的)，由此，产生的蒸汽和热量随后被传输到煅烧设备中，允许煅烧设备中的绝大多数的固体达到目标温度。
采用单独的氢气燃烧室，至少基本上消除了煅烧设备中高温区域(与氢-氧火焰相关联)的风险。
尽管有前述段落中的评论，但应当注意，使氢-氧火焰包括在煅烧设备内或在外部包括在单独的反应室中的两个选项都是可行的选项。
在本申请人的燃烧天然气的煅烧炉中的当前条件与本发明的煅烧工艺和设备之间的另一个差异是在煅烧设备中的气体组成。如果氧气与氢气燃烧，煅烧炉的烟道气将是纯蒸汽，并且如果使用富氧空气，烟道气将是氮气和蒸汽的组合。
一些研究已经表明，三水铝石的热分解速率相对于水蒸气浓度是负的，这意味着产生的水蒸气阻碍三水铝石的进一步煅烧，而存在相反的观点，即高水蒸气途径可以通过勃姆石途径、γ途径、δ途径、θ途径和最终α途径无阻碍地进行。
在工业上，三水铝石煅烧是在闪速煅烧炉(flash calciner)和鼓泡流化床或循环流化床(CFB)反应器中进行。
CFB技术可以在不影响产品品质的情况下扩大规模，这是由于固体在CFB中的再循环导致均匀的温度分布和均一的产品品质，在大容量时和在负载变化期间也是如此。
CFB煅烧过程的主要部件是两个预热级、一个煅烧级和两个冷却级。从当进料材料被进料到工艺中时到当氧化铝产物被排出时的点的整个停留时间通常是约20分钟。CFB煅烧炉通常在从900℃至1000℃的范围内操作，这取决于产品品质目标。材料被保持在目标温度持续6分钟。
本实施例的主要原因是模拟蒸汽条件(类似于氢气-氧气产生蒸汽的条件)，以便将三水铝石在重复典型的循环流化床煅烧炉的条件下煅烧成氧化铝。
测试工作在实验室规模的循环流化床反应器中进行。
方法学
具有外部电炉的85mm直径CFB反应器被用于测试三水铝石在蒸汽环境中的煅烧。
在每次测试之前，三水铝石在105℃干燥，以去除任何游离水分。然后将干燥的固体置于压力进料机(pressure feeder)中。
炉被加热到目标温度。在以下点处向系统中引入低流量的氮气：
·压力进料机。
·再循环管线回路密封件(recirculation line loop seal)。
·在炉的底部处的取样点。
需要这些氮气流以防止蒸汽在系统的较冷部分中冷凝和造成堵塞。
然后以目标流量引入蒸汽，并且一旦反应器内的温度已经稳定，就经由压力进料机将～1.5kg的固体引入到系统中。
一旦固体已经达到目标温度，它们就在炉的底部处的收集烧瓶中对固体进行取样之前被保持在系统中持续所需的时间。
氮气被引入到烧瓶中，以有助于在惰性气氛中冷却固体，并且在水在收集烧瓶中冷凝之前从固体中置换蒸汽。
结果
为了在申请人的煅烧炉中模拟氢气与氧气的燃烧，使用以下测试条件：
表2：测试工作条件的概要
温度(℃) 气体流量(l/min) 气体流量(l/min) 停留时间(min)
蒸汽 N<sub>2</sub>
950 25 30 30
由于小型的装备和高的环境热损失，在氧化铝排出端口中发生蒸汽冷凝，导致在测试工作期间氧化铝堵塞。由于这个原因，氮气作为惰性气体以增加的量被引入，以防止蒸汽冷凝和造成材料堵塞。
一旦用惰性气体流动解决材料堵塞，三水铝石就被煅烧，具有以下结果：
X射线衍射(XRD)
XRD被用于识别在煅烧过程期间形成的氧化铝相。在图5中示出了提交的两个样品的特征图。
从图5中可以看到以下：
1.三水铝石主要被煅烧成γ氧化铝相和θ氧化铝相-这符合申请人的熔炼炉级氧化铝产品品质规格。
2.三水铝石少量地被煅烧成微量的α氧化铝相-这符合申请人的熔炼炉级氧化铝产品品质规格。
烧失量(LOI)
烧失量被用于确定转化为上文描述的氧化铝相的三水铝石的量。由此可以看出：
1.氧化铝表面水分是可忽略的，具有<0.05％的剩余水含量。
2.三水铝石转化为氧化铝是～99.7％完全的-这符合申请人的熔炼炉级氧化铝产品品质规格。
讨论
上述结果表明，在由氢-氧火焰产生的条件下，蒸汽使得可以将三水铝石煅烧成氧化铝。
此外，结果表明，产生的氧化铝适合满足申请人的熔炼炉级氧化铝规格。
此外，大量γ氧化铝和θ氧化铝的形成支持了在高蒸气条件下预期的煅烧途径：
三水铝石→(勃姆石)→γ氧化铝→(δ氧化铝)→θ氧化铝→α氧化铝
虽然没有直接观察到在括号中的相，但技术文献表明，这些相可能已经在分解反应期间存在。
由于装备的小型实验室规模性质允许蒸汽在暴露于大气的表面上冷凝，因此需要氮气在测试工作中管理材料处理问题的上文描述的用途。预计这对于扩大规模不是问题。
可以对上文描述的本发明的实施方案作出许多修改，而不偏离本发明的精神和范围。
作为实例，虽然关于附图描述的本发明的实施方案在反应室中使氢气和氧气燃烧并且产生蒸汽和热量，并且在该反应室中煅烧氢氧化铝并且形成氧化铝，但本发明并不限于此，并且扩展到在两个反应室的情况下操作的实施方案，一个反应室用于使氢气和氧气燃烧并且产生蒸汽和热量，并且第二反应室用于煅烧氢氧化铝并且形成氧化铝，其中为此目的将热量和蒸汽传输到第二反应室。

Claims (21)

1.一种煅烧氢氧化铝(Al2O3.3H2O)以形成氧化铝(Al2O3)的工艺，包括：
向反应室供给氢气和氧气，并且使氢气和氧气燃烧并产生蒸汽和热量；以及
使用所述热量来煅烧氢氧化铝，并且形成氧化铝和更多的蒸汽。
2.根据权利要求1所述的工艺，还包括将在所述工艺中产生并且从所述工艺中排出的所述蒸汽中的至少一些蒸汽传输到所述工艺。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的工艺，包括将所述蒸汽保持在高于蒸汽的冷凝温度的温度。
4.根据前述权利要求中任一项所述的工艺，在大气压力下进行。
5.根据前述权利要求中任一项所述的工艺，其中在所述反应室中产生的蒸汽充当所述工艺中的输送气体，例如用于将颗粒氢氧化铝和/或氧化铝输送到所述反应室中和/或从所述反应室中输送出来。
6.根据前述权利要求中任一项所述的工艺，其中在所述反应室中产生的蒸汽充当所述工艺中的传热介质。
7.根据前述权利要求中任一项所述的工艺，还包括将在所述反应室中产生的所述蒸汽中的至少一些蒸汽传输到氧化铝生产装置中以在所述装置中使用。
8.根据前述权利要求中任一项所述的工艺，其中在所述工艺已经达到稳态条件之后，所述工艺包括从所述反应室中排出烟道气，所述烟道气是按体积计至少95％的蒸汽。
9.根据前述权利要求中任一项所述的工艺，其中在所述工艺已经达到稳态条件之后，所述工艺包括从所述反应室中排出烟道气，所述烟道气是按体积计100％的蒸汽。
10.一种煅烧氢氧化铝(Al2O3.3H2O)以形成氧化铝(Al2O3)的工艺，例如在氧化铝装置诸如拜耳法装置中煅烧，所述工艺包括：使氢气和氧气燃烧并且产生蒸汽和热量，使用所述热量来煅烧氢氧化铝并且形成氧化铝和更多的蒸汽，以及使用由所述燃烧产生的所述蒸汽作为所述工艺中的输送气体。
11.根据权利要求10所述的工艺，还包括从所述工艺中排出蒸汽，并且然后将排出的蒸汽中的至少一些蒸汽传输到所述工艺。
12.根据权利要求10或权利要求11所述的工艺，包括在反应室中使氢气和氧气燃烧并且产生蒸汽和热量，以及在所述反应室中煅烧氢氧化铝以形成氧化铝。
13.根据权利要求10或权利要求11所述的工艺，包括在一个反应室中使氢气和氧气燃烧并且产生蒸汽和热量，以及将所述蒸汽和所述热量传输到第二反应室并且在所述第二反应室中煅烧氢氧化铝以形成氧化铝。
14.一种用于实施前述权利要求中任一项所述的工艺的装置。
15.一种启动用于在氧化铝精炼厂中煅烧氢氧化铝(Al2O3.3H2O)以形成氧化铝(Al2O3)的装置的工艺，煅烧装置包括反应室，在所述反应室中氧气与燃料一起燃烧，所述工艺包括：预热步骤，所述预热步骤加热所述反应室直到达到预定的稳态条件，和然后开始向所述反应室供应氢氧化铝，以及煅烧氢氧化铝并形成氧化铝。
16.根据权利要求15所述的工艺，其中所述预热步骤包括使包括烃燃料的任何合适的燃料源在所述反应室中或者在所述反应室的外部燃烧，并且将热量传输到所述反应室。
17.根据权利要求16所述的工艺，其中所述预热步骤包括在所述反应室中使氢气燃烧以产生热量。
18.一种用于煅烧氢氧化铝(Al2O3.3H2O)以形成氧化铝(Al2O3)的设备，所述设备包括：反应室，所述反应室被配置成煅烧氢氧化铝以形成氧化铝；氢源和氧源，所述氢源和氧源用于产生热量，所述热量用于在所述反应室中煅烧氢氧化铝并且产生氧化铝和包括蒸汽的烟道气；氧化铝的出口；和所述烟道气的出口。
19.根据权利要求18所述的设备，包括管线，所述管线用于将经由所述烟道气的出口排出的烟道气供应到所述设备。
20.根据权利要求18或权利要求19所述的设备，包括：第一反应室，所述第一反应室用于煅烧氢氧化铝以形成氧化铝和蒸汽；以及第二反应室，所述第二反应室用于使氢气和氧气燃烧并且产生热量以在所述第一反应室中使用。
21.一种用于生产氧化铝的装置，诸如拜耳法装置，所述装置包括权利要求18至20中任一项所述的用于煅烧氢氧化铝以形成氧化铝的设备。
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