高铝粉煤灰酸法多金属协同提取过程关键技术的研究

摘要

我国燃煤电厂年消耗煤近40亿吨，按灰分12%计，年排放粉煤灰可达4.8亿吨。最近几年，在我国内蒙古地区发现一种铝含量高达50wt.%的高铝粉煤灰，被认为是一种优质铝矿产资源。粉煤灰中铝、锂、镓等金属资源的提取利用已成为近年来的研究热点。本文以“预脱硅-碱活化-酸浸”法高铝粉煤灰酸法多金属协同提取为技术背景，对其中高温活化粉煤灰显热回收技术以及氯化氢尾气回收梯级循环利用技术的两项关键技术开展研究。　　高铝粉煤灰需要在850℃温度条件下进行煅烧预脱硅，高温活化粉煤灰的热能回收是必要的，为此本文提出了粉煤灰空气流化床的回收方案。运用FLUENT软件，采用欧拉-欧拉双流体模型研究粒化高温活化粉煤灰固体颗粒在流化床中的流化特性；在流化特性研究的基础上，通过自编UDF（User Define Function）函数考察两相变物性参数条件下颗粒的温度变化情况；同时选择Gunn传热模型分析气-固相间的对流传热，探究流化风速、初始颗粒填充高度等操作工况对颗粒相冷却速率的影响规律；最后计算连续操作工况下高温活化粉煤灰的进卸料量及流化空气的出口温度。结果表明：在N=3，R=1的操作工况下，固体颗粒相在0~100s时间内温度下降较快，平均冷却速率为7.28K/s；在粉煤灰流化前后的温差为500K前提下，通过计算得到流化床卸料量不低于0.13716kg/s，平均停留时间为68.67s，出口流化空气温度为964K。　　高铝粉煤灰酸法多金属协同提取过程，结晶氯化铝的煅烧过程中将产生大量的氯化氢气体，回收循环利用其中的氯化氢对于降低生产成本以及控制有害气体排放具有重要意义。本文提出高浓度吸收和低浓度吸收的双塔吸收技术方案，分别得到30wt.%和的5wt.%盐酸溶液，即满足多金属协同提取过程对不同浓度盐酸的需求，同时低浓度吸收塔可保证尾气中氯化氢浓度达到排放标准。高浓度吸收塔分为吸收段和提浓段两段，吸收段用水吸收，提浓段用塔底吸收液循环吸收得到30wt.%的盐酸溶液。低浓度吸收塔用水吸收使氯化氢尾气浓度达到排放标准，同时塔底得到5wt.%盐酸溶液。基于灵敏度分析方法，对氯化氢尾气回收工艺流程进行优化。结果表明，高浓度吸收塔塔底盐酸的浓度达到30.02wt.%，低浓度吸收塔塔底盐酸的浓度达到5.16wt.%，尾气中氯化氢含量0.158mg/m3，达到空气排放标准。

目录

1 文献综述

1.1 研究背景

1.1.1 粉煤灰的大量产生

1.1.2 粉煤灰对环境的危害

1.1.3 粉煤灰综合利用

1.1.4 铝资源的匮乏及优质铝土矿的供应危机

1.2.1 物理特性

1.2.2 化学组成

1.2.3 高铝粉煤灰回收利用的意义

1.3 高铝粉煤灰中提取氧化铝的研究

1.3.1 碱法烧结提铝技术

1.3.2 酸溶法提铝技术

1.3.3 工艺技术比较

1.4.1 工艺背景

1.4.2 预脱硅-碱活化-酸浸工艺

1.4.3 关键研究技术问题提取

1.5 本论文的研究内容

1.5.1 高温活化粉煤灰显热回收研究

1.5.2 氯化氢尾气回收梯级循环利用

2 高温活化粉煤灰显热回收研究

2.1 过程系统描述

2.2.1 计算流体力学

2.2.2 数值计算模型

2.3 高温活化粉煤灰颗粒在流化床中的流化换热特性

2.3.1 模型描述

2.3.2 模型验证

2.3.3 流化床中粒化高温活化粉煤灰颗粒流化特性分析

2.3.4 流化床中粒化高温活化粉煤灰颗粒换热特性分析

2.4 热平衡计算

2.4.1 连续操作卸料量与卸料渣温度的计算

2.4.2 流化空气出口温度的计算

2.4.3 高铝粉煤灰煅烧活化系统热平衡估算

2.5 本章小结

3 氯化氢尾气回收梯级循环利用

3.1.1 氯化氢尾气吸收工艺描述

3.1.2 氯化氢尾气吸收工艺流程模拟

3.2 主要参数灵敏度分析

3.2.1 高浓度吸收塔优化

3.2.2 压缩机工况优化

3.2.3 低浓度吸收塔优化

3.2.4 优化结果

3.3.5 塔的校核与填料设计

3.3 氯化氢尾气吸收工艺的经济性分析

3.3.1 设备费用估算方法

3.3.2 设备投资费用

3.4 本章小结

4 结 论

参考文献

附录

A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录

B. 作者在攻读学位期间取得的科研成果目录

C. 学位论文数据集

致谢