一種用于硫酸鋁銨深度分解的反應器及使用方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于大宗固體廢棄物資源化利用領域，特別涉及一種利用燃煤電廠或燃煤 鍋爐排放的粉煤灰為原料，采用硫基銨鹽介質(zhì)處理粉煤灰，得到氧化鋁提取液經(jīng)結晶分離 得到的硫酸鋁銨晶體進行深度分解所需的流化床反應器及其使用方法，由此制備氧化鋁及 回收硫基銨鹽。
【背景技術】
[0002] 粉煤灰是從煤燃燒后的煙氣中收捕下來的細灰。我國粉煤灰的年排放量已達5億 噸，累積量已高達35億噸，其中燃煤電廠粉煤灰排放量最大。燃煤電廠收集的粉煤灰目前 以灰場貯灰和露天堆積排放為主，如果不及時處理或者處理不當，不僅占用大量土地，也會 對環(huán)境甚至人類的生存造成嚴重的危害。燃煤電廠排放的粉煤灰已成為我國主要固體廢棄 物。粉煤灰中一般含有豐富的鋁、硅、鎵等元素，也是一種重要的有價資源。目前，粉煤灰的 利用途徑主要包括用于生產(chǎn)鋁硅耐火材料莫來石，用于生產(chǎn)白炭黑的原料，用于制備作分 子篩作為吸附劑、催化劑，用于建材，用于鎵生產(chǎn)的原料，以及利用酸法或堿法生產(chǎn)氧化鋁。 其中粉煤灰最具工業(yè)化應用前景的利用途徑是粉煤灰提取氧化鋁，特別是在我國內(nèi)蒙古中 西部以及山西北部地區(qū)的粉煤灰中氧化鋁含量達到40%以上，可以作為中低品位的鋁土礦 處理，來彌補我國鋁土礦的不足。采用粉煤灰提取氧化鋁，不僅可以實現(xiàn)工業(yè)固體廢棄物資 源化利用，變廢為寶，而且也有利于保護環(huán)境，減少土地資源占用。
[0003] 由于我國鋁土礦資源的短缺，近10年來粉煤灰提取氧化鋁受到國內(nèi)大專院校、研 究所的廣泛關注，其技術大致可以分為堿法、酸法、硫基銨鹽法。堿法是目前研究的主流工 藝路線，包括石灰石燒結法、堿石灰燒結法等，內(nèi)蒙古蒙西高新技術集團有限公司采用石灰 石燒結法提取氧化鋁，煅燒溫度為1340~1390°C，生產(chǎn)1噸氧化鋁要產(chǎn)生約9噸渣，存在 煅燒溫度高，渣量大且難以利用等缺點。內(nèi)蒙古大唐國際再生資源有限公司采用預脫硅堿 石灰燒結法，先堿溶脫除粉煤灰中的部分硅，再燒結提鋁，該法雖然渣量比石灰石燒結法減 少，但是仍然存在流程長、難以生產(chǎn)出冶金級氧化鋁的缺點。粉煤灰酸法提取氧化鋁主要包 括鹽酸法、硫酸法以及硫酸銨鹽法等。鹽酸法主要采用鹽酸介質(zhì)溶出粉煤灰中的氧化鋁得 到氯化鋁溶液，氯化鋁溶液結晶得到氯化鋁晶體，氯化鋁晶體煅燒得到氧化鋁和鹽酸，鹽酸 返回粉煤灰浸出氧化鋁過程。該方法存在設備腐蝕嚴重、雜質(zhì)鐵難以脫除等不足。
[0004] 硫酸法主要采用硫酸為介質(zhì)溶出粉煤灰中的氧化鋁得到硫酸鋁溶液，硫酸鋁溶 液蒸發(fā)結晶得到硫酸鋁晶體，硫酸鋁晶體煅燒得到氧化鋁和三氧化硫，三氧化硫進一步制 成硫酸返回粉煤灰浸出氧化鋁過程。硫酸法從粉煤灰中提取氧化鋁成為目前研究的熱 點。CN1095689A公開了一種用粉煤灰生成硫酸鋁的方法，該專利以電廠粉煤灰為原料，用 質(zhì)量濃度為50-60%的硫酸在KKTC條件下浸泡12-24小時，過濾，煮沸濃縮抽濾得到硫酸 鋁晶體。貴陽鋁鎂設計院有限公司在專利CN102398912A中公開了一種采用稀硫酸在高 溫高壓條件下溶出高鋁粉煤灰中氧化鋁的工藝，氧化鋁的溶出率可達到85-90% ;在專利 CN102398913A中又提出了一種硫酸法處理高鋁粉煤灰提取冶金級氧化鋁的工藝，通過稀酸 浸出、凈化除鐵、蒸發(fā)濃縮、結晶、煅燒等步驟得到冶金級氧化鋁。硫酸法存在雜質(zhì)鐵難以脫 除等缺點，并且硫酸鋁溶液蒸發(fā)濃縮能耗高。
[0005] 硫基銨鹽法主要是采用硫酸銨或硫酸氫銨與粉煤灰混合燒結，然后用硫酸浸出燒 結產(chǎn)物得到硫酸鋁銨晶體，硫酸鋁銨晶體煅燒分別得到氧化鋁并回收硫酸銨鹽。公開號為 CA102120593A、CA102275964A的專利中均公開了采用一種從粉煤灰中提取氧化鋁的方法， 主要是采用硫酸銨加入到粉煤灰中煅燒，經(jīng)水浸結晶得到硫酸鋁銨晶體，然后采用結晶出 的硫酸鋁銨晶體溶解后加入氨水沉淀出氫氧化鋁，最后煅燒得到氧化鋁。沈陽鎂鋁設計研 究院有限公司在 CN102583468ACN103086410A、CN103086411A、CN103086408A、CN103086409A 中報道了以硫化銨與粉煤灰混合活化焙燒提取氧化鋁的方法，并提出了不同的后處理方 法，生產(chǎn)冶金級氧化鋁。硫基銨鹽法由于采用高溫燒結過程，存在硫基銨鹽消耗量大，氨氣 回收難的缺點，同時對不同類型的粉煤灰需要活化預處理。專利申請?zhí)枮?01410058340. X 公開了一種硫基銨鹽混合介質(zhì)體系提取粉煤灰中氧化鋁的方法，主要以燃煤電廠或燃煤鍋 爐排放的固體廢棄物粉煤灰為原料，通過在由硫酸銨或硫酸氫銨與硫酸組成的硫基銨鹽混 合介質(zhì)體系中，采用高溫120~240°C條件下強化粉煤灰中氧化鋁浸出，利用硫酸鋁銨溶解 度隨溫度變化大的特點，將浸出液冷卻結晶得到硫酸鋁銨晶體，將得到的硫酸鋁銨固體分 段高溫煅燒（600~800°C和1000~1200°C)，可以得到白色氧化鋁粉末，同時回收硫基銨 鹽混合介質(zhì)。該方法有效解決現(xiàn)有粉煤灰提取氧化鋁方法中燒結或蒸發(fā)濃縮過程能耗高， 雜質(zhì)分離困難，以及硫基銨鹽消耗量大、氨氣回收難的問題。
[0006] 實現(xiàn)硫酸鋁銨分解為氧化鋁，同時回收硫基銨鹽，是硫基銨鹽法提取氧化鋁的必 經(jīng)之路。硫酸鋁銨分解路線可分為濕法路線和火法路線。在濕法路線中，其主要是將硫 酸鋁銨與氨反應生成硫酸銨和氫氧化鋁，硫酸銨需要蒸發(fā)濃縮，氫氧化鋁需要銜接拜爾法 氧化鋁提取流程，由此導致粉煤灰提取氧化鋁生產(chǎn)流程長，能耗高。火法路線主要是通過 硫酸鋁銨加熱分解，由此制備氧化鋁同時回收硫基銨鹽。硫酸鋁銨一般在約400°C時，先 完全脫除結晶水，而后在約700 C時，硫酸錯按中含有的硫酸按完全分解為硫酸錯，硫酸錯 還需要進一步加熱分解制備氧化鋁，并同時釋放出三氧化硫。硫酸鋁的煅燒溫度一般在 900~1100°C，硫酸鋁煅燒后的產(chǎn)物氧化鋁具有較高的熱焓，并且氧化鋁比熱容高（50. 9J/ mol ? K)、導熱性能良好，因此可以作為熱載體用于硫酸鋁銨分解過程。
[0007] 采用熱載體強化硫酸鋁銨分解過程，可有效解決傳統(tǒng)方法硫酸鋁銨分解速率慢、 能耗高、硫基銨鹽回收率低等問題，但需要選擇或優(yōu)化設計合適的硫酸鋁銨分解反應器。傳 統(tǒng)焙燒爐、回轉窯等熱分解設備通常存在固體物料混和效率低、傳熱速率慢等問題，因此造 成物料過燒或燒不透等現(xiàn)象。特別是對于結晶得到的硫酸鋁銨晶體，因含有結晶水，加熱時 釋放出結晶水融化成液體，由此導致傳統(tǒng)焙燒爐、回轉窯等熱分解設備結圈，嚴重影響了硫 酸鋁銨熱分解過程工業(yè)放大連續(xù)操作。流化床反應器具有結構簡單、操作方便等特點，在流 化床反應器內(nèi)，固體物料呈流化狀態(tài)，具有非常高的傳熱效率，而且在氣流湍動作用下，具 有優(yōu)良的固體物料混合性能。因此，流化床反應器特別適合具有相變特性的固體物料加熱 快速分解過程，也有效避免了傳統(tǒng)熱分解設備結圈的問題，但目前對于流化床反應器用于 硫酸鋁銨熱分解過程尚未有相關資料公開。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本
【發(fā)明內(nèi)容】
所要解決的技術問題是：提供一種硫酸鋁銨深度分解的反應器及使用 方法，特別涉及一種流化床反應器用于硫酸鋁銨深度分解過程，并有效解決現(xiàn)有傳統(tǒng)焙燒 爐、回轉窯等熱分解設備通常存在固體物料混和效率低、傳熱速率慢，容易造成物料過燒或 燒不透等問題。該反應器及使用方法，特別適合具有相變特性的固體物料加熱快速分解過 程，也有效避免了傳統(tǒng)熱分解設備結圈的問題，易于工業(yè)放大。
[0009] 本發(fā)明的技術方案如下：
[0010] 一種硫酸鋁銨深度分解的反應器，其特征在于，反應器主要為噴動床反應器（1)、 氣升式環(huán)流反應器（2)、沉降擴大段（3)以及旋風分離器（4)組合而成的單體內(nèi)循環(huán)流化床 反應器。
[0011] 此反應器特征在于，在單體內(nèi)循環(huán)流化床反應器的下部為噴動床反應器（1)，噴動 床反應器（1)最下端設有熱惰性氣體進氣口（6)，熱惰性氣體進氣管道出口設有氣體分布 器（5 )，在噴動床反應器（1)的中部設有硫酸鋁銨晶體與冷惰性氣體進氣口（ 7 )，在噴動床 反應器（1)的正上方為氣升式環(huán)流反應器（2)，環(huán)流反應器（2)的中心設有導流筒（8)，氣 升式環(huán)流反應器（2)中心導流筒（8)最下端設有變徑（9)，環(huán)流反應器（2)筒體最下端設 有變徑（10)，在氣升式環(huán)流反應器（2)的中上部設有高溫熱載體進料口（ 11 )，在環(huán)