侯鳳云 沈建航 錢永康 王會寧 劉悅 李陽

（1北京航天動力研究所 北京 100076 2東方電氣潔能科技成都有限公司 四川成都 610000）

粉煤灰是火力發(fā)電廠鍋爐內(nèi)細(xì)煤粉燃燒之后產(chǎn)生的副產(chǎn)物，也是中國最大的單一來源的固體廢棄物［1］。從粉煤灰中提取氧化鋁將會提高粉煤灰的附加值，對緩解我國鋁土礦資源匱乏的問題具有重要的戰(zhàn)略意義［2-4］。如何選擇一條合適的生產(chǎn)工藝，提取粉煤灰中的氧化鋁，成為了國內(nèi)外專家、學(xué)者研究的重點。目前，從粉煤灰中提取氧化鋁的方法有：石灰石燒結(jié)法、酸浸取法、堿溶法、硫酸銨燒結(jié)法等［5］，其中酸浸取法是采用鹽酸高溫溶出等方法將灰中的活性氧化鋁轉(zhuǎn)變成結(jié)晶氯化鋁［6］，再將結(jié)晶氯化鋁脫水分解生產(chǎn)氧化鋁，目前結(jié)晶氯化鋁脫水分解的具體過程研究尚未見報道。為此，本文開展了結(jié)晶氯化鋁脫水分解生產(chǎn)氧化鋁的試驗研究，以期為粉煤灰酸法生產(chǎn)氧化鋁的工業(yè)化應(yīng)用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和依據(jù)。

1 試驗

1.1 物料特性

物料來自于酸法中濃縮結(jié)晶后產(chǎn)生的六水結(jié)晶氯化鋁（AlCl3·6H2O），具體物料組成及物性如下。

（1）原料組成：試驗物料組成見表1。

（2）溫度：10～30 ℃。

（3）粒度：0.2～0.5 mm。

1.2 試驗裝置

試驗物料以流態(tài)化形式在試驗裝置內(nèi)反應(yīng)分解，試驗臺的工作原理及實物如圖1、2所示。該試驗臺主要由氣體預(yù)熱器、兩段式加熱爐、固定式反應(yīng)器和快裝式反應(yīng)器組成。氣體預(yù)熱器利用1臺臥式加熱爐，在爐膛里填充金屬絲用于加熱流化風(fēng)。兩段式加熱爐上下加熱段溫度可獨立控制，在本試驗中，上段加熱爐用于控制反應(yīng)器內(nèi)部溫度，下段加熱爐用于控制流化風(fēng)溫度。固定式反應(yīng)器是一流態(tài)化結(jié)構(gòu)反應(yīng)器 （內(nèi)徑48 mm），置于兩段式加熱爐中，其布風(fēng)板上裝有陶瓷球，用于加熱流化風(fēng)。固定式反應(yīng)器與氣體預(yù)熱器之間用金屬管連接，連接管用電加熱帶加熱保溫?？煅b式反應(yīng)器也是流態(tài)化結(jié)構(gòu)反應(yīng)器（內(nèi)徑38 mm），可插入固定式反應(yīng)器中并用卡箍固定密封?？煅b式反應(yīng)器底部為金屬孔板加200目篩網(wǎng)，作為布風(fēng)板；頂部用橡皮塞密閉，并接有排氣管；熱電偶從頂部插入反應(yīng)器內(nèi)測量反應(yīng)區(qū)實際溫度。

試驗臺的4個關(guān)鍵參數(shù)分別為反應(yīng)器工作溫度、工作區(qū)反應(yīng)溫度、流化風(fēng)溫度及流化風(fēng)量。反應(yīng)器工作溫度由兩段式加熱爐的上段加熱爐控制，工作區(qū)反應(yīng)溫度由熱電偶測定，流化風(fēng)溫度由氣體預(yù)熱器和兩段式加熱爐的下段加熱爐共同控制，流化風(fēng)量由浮子流量計進(jìn)行測量和調(diào)節(jié)。

表1 試驗物料組成

1.3 試驗方法

開展AlCl3·6H2O脫水分解試驗的過程及步驟如下：

（1）樣品制備。將原料AlCl3·6H2O晶體在80℃下烘30 min后，研磨成粒徑為100～250 μm的顆粒，繼續(xù)在80℃下烘24 h，制得AlCl3·6H2O試樣并存放于干燥皿中。

（2）啟動氣體預(yù)熱器、加熱帶和兩段式加熱爐，氣體預(yù)熱器和加熱帶設(shè)置加熱終溫為800℃，兩段式加熱爐根據(jù)脫水分解試驗要求分別設(shè)置為400、500和600℃，上下段溫度保持一致。同時用熱電偶測量快裝式反應(yīng)器布風(fēng)板處的溫度。

（3）將所有設(shè)備連接固定好，設(shè)置流化風(fēng)進(jìn)口流量為2L/min，并用皂泡流量計測量快裝式反應(yīng)器出口流量以確保裝置的氣密性良好。

（4）稱取5～13 g結(jié)晶六水氯化鋁樣品，當(dāng)快裝式反應(yīng)器內(nèi)溫度達(dá)到試驗設(shè)定值，將樣品從頂部迅速倒入快裝式反應(yīng)器，并蓋上橡皮塞，開始計時。

（5）當(dāng)反應(yīng)時間達(dá)到規(guī)定值（2、4、6、8、10、15 和 20 min）時，松開固定式反應(yīng)器和快裝式反應(yīng)器之間的卡箍，并將快裝式反應(yīng)器迅速取出，置于空氣中冷卻大約2 min，然后將反應(yīng)器中的樣品倒入坩堝，并放入干燥皿中繼續(xù)冷卻。

（6）試驗結(jié)束，將制得的樣品裝入密封袋，清理快裝式反應(yīng)器。

（7）重復(fù)（2）～（6）步，直至完成所有試驗工況。

以上為恒溫試驗過程，非恒溫試驗過程的主要不同之處在于步驟（4），在倒入樣品的同時關(guān)閉兩段式加熱爐的上段加熱爐，隨后爐溫會下降，在此過程中同時記錄爐溫和裝置工作溫度的變化。其余步驟均不變。

1.4 試驗工況

根據(jù)試驗?zāi)康募耙?，本文選定AlCl3·6H2O脫水分解試驗研究的工況如表2所示。

表2 AlCl3·6H2O脫水分解試驗工況列表

2 試驗結(jié)果分析

2.1 恒溫條件試驗結(jié)果

本文選定AlCl3·6H2O脫水分解試驗研究恒溫條件工況包括 3 個溫度點 （400、500、600℃） 和 7 個時間點（2、4、6、8、10、15、20 min）共計21種工況。采用XRD分析儀對AlCl3·6H2O試樣及各工況采集的樣品進(jìn)行檢測，結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，對于恒溫條件，其脫水分解規(guī)律為：①隨著反應(yīng)溫度的升高，AlCl3·6H2O晶體完全脫水分解所需要的反應(yīng)時間逐漸減少。②當(dāng)反應(yīng)溫度為400℃和500℃時，完全脫水分解所需要的反應(yīng)時間為6 min。③當(dāng)反應(yīng)溫度為600℃時，完全脫水分解所需要的反應(yīng)時間為4 min。

2.2 絕熱爐壁條件試驗結(jié)果

本文選定AlCl3·6H2O脫水分解試驗研究絕熱爐壁條件工況包括 3 個溫度點（400、500、600 ℃）和 7 個時間點（2、4、6、8、10、15、20 min） 共計 16種工況。 采用 XRD分析儀對 AlCl3·6H2O試樣及各工況采集的樣品進(jìn)行檢測，結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，對于絕熱爐壁條件，其脫水分解規(guī)律為：①隨著反應(yīng)溫度的升高，AlCl3·6H2O晶體完全脫水分解所需要的反應(yīng)時間逐漸減少。②當(dāng)反應(yīng)溫度為400℃時，反應(yīng)10 min后的產(chǎn)物中仍含有AlCl3·6H2O晶體。③當(dāng)反應(yīng)溫度為500℃時，完全脫水分解所需要的反應(yīng)時間為10 min。④當(dāng)反應(yīng)溫度為600℃時，完全脫水分解所需要的反應(yīng)時間為6 min。

對比AlCl3·6H2O晶體脫水分解試驗在恒溫條件和絕熱爐壁條件下結(jié)果可知，當(dāng)反應(yīng)器工作溫度相同時，恒溫條件完全脫水分解所需要的反應(yīng)時間比絕熱爐壁條件短。分析原因如下：

（1）兩種反應(yīng)條件提供的反應(yīng)熱量不同。AlCl3·6H2O晶體發(fā)生脫水分解反應(yīng)需要吸收大量的反應(yīng)熱。在恒溫條件下，反應(yīng)熱量主要由流化風(fēng)攜熱及兩段式加熱爐提供，供熱充足，物料在爐內(nèi)的換熱充分且換熱時間短，因而發(fā)生完全脫水分解反應(yīng)所需要的時間就越短。而在絕熱爐壁條件下，反應(yīng)熱量主要由流化風(fēng)攜熱及反應(yīng)裝置爐壁蓄熱提供，供熱有限，物料在爐內(nèi)的換熱不充分且換熱時間長，因而發(fā)生完全脫水分解反應(yīng)所需要的時間就越長。

（2）兩種反應(yīng)條件換熱強度及換熱時間不同。在恒溫條件下，反應(yīng)器工作溫度保持在設(shè)定值不變，與物料的換熱溫差保持不變，換熱強度較高且換熱時間短，因而發(fā)生完全脫水分解反應(yīng)所需要的時間就越短。而在絕熱爐壁條件下，兩段式加熱爐上段停止加熱，反應(yīng)器工作溫度隨著脫水分解反應(yīng)的進(jìn)行而不斷降低，與物料的換熱溫差減小，換熱強度較低且換熱時間長，因而發(fā)生完全脫水分解反應(yīng)所需要的時間就越長。

由此可知，對于AlCl3·6H2O晶體發(fā)生脫水分解反應(yīng)而言，物料換熱條件的優(yōu)劣及換熱的充分與否，決定了反應(yīng)過程中物料換熱時間的長短，而換熱時間的長短又影響了物料發(fā)生脫水分解所需的反應(yīng)時間的長短。因此，凡是影響換熱時間長短的因素都對AlCl3·6H2O脫水分解反應(yīng)時間的長短有影響。

3 結(jié)論

綜上所述，結(jié)晶氯化鋁脫水分解試驗的主要結(jié)論如下：

（1）隨著反應(yīng)溫度的升高，AlCl3·6H2O晶體完成脫水分解所需要的反應(yīng)時間逐漸減少。①對于恒溫條件，當(dāng)反應(yīng)溫度為400～600℃時，AlCl3·6H2O晶體完全脫水分解所需要的反應(yīng)時間為4～6 min。②對于絕熱爐壁條件，當(dāng)反應(yīng)溫度為400℃時，反應(yīng)10 min后的產(chǎn)物中仍含有AlCl3·6H2O晶體；當(dāng)反應(yīng)溫度為500℃時，完全脫水分解所需要的反應(yīng)時間為10 min；當(dāng)反應(yīng)溫度為600℃時，完全脫水分解所需要的反應(yīng)時間為6 min。

（2）對于AlCl3·6H2O晶體發(fā)生脫水分解反應(yīng)而言，物料換熱條件的優(yōu)劣及換熱的充分與否，決定了反應(yīng)過程中物料換熱時間的長短，而換熱時間的長短又影響了物料發(fā)生脫水分解所需的反應(yīng)時間的長短。

（3）凡是影響換熱時間長短的因素都對AlCl3·6H2O脫水分解反應(yīng)時間的長短有影響。焙燒爐內(nèi)反應(yīng)溫度越高、爐內(nèi)流場及溫度場分布越均勻、AlCl3·6H2O物料粒徑越小，則焙燒爐內(nèi)換熱越充分，換熱時間短，從而發(fā)生脫水分解反應(yīng)的時間越短。