气态悬浮焙烧炉氢氧化铝给料系统优化设计

张传良 李 蕾

(中国有色金属建设股份有限公司， 北京 100029)

0 前言

在氧化铝的生产过程中，将氢氧化铝转变为氧化铝的工艺过程称为焙烧工序[1-2]。氢氧化铝焙烧是氧化铝生产过程中的最后一道工序[3-4]，焙烧的目的是在高温下除去氢氧化铝的附着水及结晶水并使其晶型发生转变[5-6]。某氧化铝厂使用气态悬浮焙烧炉进行氢氧化铝焙烧，其工艺流程主要由氢氧化铝给料系统、文丘里干燥系统、两级旋风预热系统、焙烧炉系统、四级旋风冷却系统、流态化冷却系统、除尘及烟气处理系统、收尘系统和燃烧系统组成。其中氢氧化铝给料系统是气态悬浮焙烧炉的重要组成部分之一。通过给料系统，氢氧化铝原料被送入焙烧炉的文丘里干燥器中进行下一步的干燥脱水。

氢氧化铝给料系统的密封性是焙烧炉生产过程中较难解决的问题之一。在某氧化铝厂原设计的工艺流程中，通过采用特殊结构的螺旋输送机来解决氢氧化铝给料系统漏风问题，但在实际生产过程中没能达到预想的设计效果，漏风问题没有得到实质性解决，而且由于螺旋输送机料密封段间断性密封作用，造成系统负压波动较大。在漏风量较大时，高温烟气量减少，氢氧化铝物料不能被烟气完全带走而落入文丘里干燥器底部，从而造成系统负压的升高。鉴于焙烧炉氢氧化铝给料系统在运行过程中存在的问题，有必要对原有焙烧炉氢氧化铝给料系统进行优化设计，解决系统漏风问题，降低整个焙烧炉系统的热耗和电耗。

1 氢氧化铝给料系统工艺流程及存在的问题

1.1 给料系统工艺流程

某氧化铝厂采用1 350 t/d气态悬浮焙烧炉进行氢氧化铝焙烧，其给料系统主要由氢氧化铝仓、棒条阀、料斗、定量给料机、螺旋输送机等设备组成，设备规格参数见1。给料系统的工艺流程如图1所示：原料氢氧化铝通过上料系统送至氢氧化铝仓内，通过棒条阀流入挡边带式定量给料机中，通过定量给料机计量后，输送至螺旋输送机，再由螺旋输送机送入文丘里干燥器内。

表1 某氧化铝厂氢氧化铝给料系统设备

1—氢氧化铝仓; 2—棒条阀; 3—料斗; 4—定量给料机; 5—螺旋输送机; 6—文丘里干燥器

1.2 给料系统存在的问题

在氢氧化铝给料系统工艺流程中，螺旋输送机是物料进入文丘里干燥器的关键设备。为保证文丘里干燥器负压状态运行，螺旋输送机采用特殊结构型式，前端为无螺旋叶片段，起到密封作用；端头部设计有刮板，对进入文丘里干燥器系统的物料进行打散，使其与烟气充分接触，如图2所示。

1—进料口; 2—给料螺旋轴; 3—螺旋叶片; 4—刮板

在实际生产运行过程中，由于文丘里干燥器内负压波动、螺旋输送机给料量的变化、螺旋输送机叶片与机壳体之间存在间隙等因素的影响，造成螺旋输送机把氢氧化铝原料送入到文丘里干燥器内的同时，部分冷风在文丘里负压作用下也进入文丘里干燥器内。根据生产实测，从螺旋输送机进料口进入文丘里干燥器的风量约占系统总风量的4%，对焙烧炉相关系统造成很大影响。

2 氢氧化铝给料系统的优化设计

鉴于某氧化铝厂氢氧化铝焙烧给料系统中存在的问题，对给料系统的工艺流程和设备进行优化设计，以达到降低系统热耗、电耗、烟气排放和提高产能以及设备稳定运行的目的。

2.1 工艺流程优化

根据某氧化铝厂原有的给料系统工艺流程的特点，仅对现有设备改造无法解决给料系统存在的问题。通过借鉴国外类似给料系统经验，提出了在给料工艺流程中增加密封仓和优化输送螺旋尺寸的方案来解决系统的漏风问题。优化设计后的给料系统工艺流程如图3所示。

1—氢氧化铝仓; 2—棒条阀; 3—料斗; 4—定量给料机; 5—螺旋输送机; 6—文丘里干燥器; 7—密封仓

2.2 生产设备优化

2.2.1 密封仓

在优化设计后的给料系统工艺流程中，在定量给料机与螺旋输送机之间增加容积为8 m3的密封仓，作为缓冲料仓缓存从定量给料机输送来的氢氧化铝原料，通过调节控制料位，隔绝进入文丘里干燥器内的冷风。密封仓中配备有料位计和高低料位开关，能起到双重保护作用，将密封仓内的料位控制在设定范围之内。

定量给料机和螺旋输送机通过变频控制，调节氢氧化铝原料输送量。通过定量给料机、螺旋输送机的变频控制和密封仓中料位计、高低料位开关连锁，可以实现对密封仓内料位的精准控制，从而解决给料系统的密封问题。

2.2.2 螺旋输送机

螺旋输送机通过螺旋轴带动叶片在机壳内转动，以实现输送物料的目的。螺旋输送机输送量的计算公式[7-8]如下：

(1)

式中：Im——质量输送量,t/h；

ρ——物料的堆积密度，t/m3；

Φ——填充系数;

D——螺旋输送机的螺旋公称直径，m；

S——螺距，m；

n——螺旋输送机的转速，r/min。

原螺旋输送机设计的填充系数为0.33，但在实际生产过程中并不适用，由于物料填充率过低，根本无法形成料封段。根据生产实际情况和生产数据，合理的物料填充系数应该在0.6～0.7之间，这样才能确保螺旋输送机的密封效果。

3 技术经济分析

通过对气态悬浮焙烧炉给料系统优化设计，解决了给料系统的漏风问题，给料系统漏风率从原来的4%降低到1%。在相同烟气量条件下，从四级旋风冷却系统进入系统的冷风量就会相应增加，保证了物料与高温氧化铝充分换热，降低氧化铝出料温度，节省整个系统的热耗。同时解决了氢氧化铝给料系统的漏风问题，减少了给料系统的风量波动，保证了气态悬浮焙烧炉系统稳定，提高了产能。

根据此优化设计方案，实际应用在国外某公司的一台1 350 t/d气态悬浮焙烧炉，漏风率降低后，直接降低了高温引风机总风量。引风机风量与电机功率的关系如下：

P=Qp/(3 600η1η2)

(2)

式中：P——功率，kW；

Q——风量，m3/h；

p——风压，kPa；

η1——风机效率，取0.85；

η2——机械传动效率，对于联轴器传动取0.98。

原系统烟气量为186 750 m3/h，新设计系统烟气量为181 700 m3/h，系统压力损失为-8.5 kPa，则因系统风量降低节省的电机功率为14.31 kW; 按每年运行8 000 h考虑，每年可以节约用电114 480 kWh；若每度电费按照0.6元计算，每年可节省电费约6.87 万元。

4 结论

氢氧化铝给料系统的漏风会导致除尘系统风量增加、高温引风机负荷增加、四级旋风冷却系统中冷风量减少使氧化铝经过冷却系统后的温度降低达不到设计指标、流态化冷却器负荷增大，不利于整个焙烧炉系统的稳定运行。因此对焙烧炉给料系统进行优化设计是非常必要的。某氧化铝厂在工艺流程和设备行优化设计后，取得了显著的经济效益和环保效益：

1)焙烧炉系统工况稳定，系统波动性小，更加容易控制。

2)提高了焙烧炉的产能。

3)降低了焙烧炉排烟量和粉尘排放量。

4)降低了焙烧炉的热耗和电耗。