用于生产氧化铝的方法.pdf

一种用于煅烧氢氧化铝的方法，所述方法包括以下步骤：使所述氢氧化铝与水蒸汽直接接触；和将所述氢氧化铝的至少一部分煅烧成氧化铝和/或羟基氧化铝。

1.  一种用于煅烧氢氧化铝的方法，所述方法包括以下步骤：
使所述氢氧化铝与水蒸汽直接接触；和
将所述氢氧化铝的至少一部分煅烧成氧化铝和/或羟基氧化铝。

2.  根据权利要求1的用于煅烧氢氧化铝的方法，其中所述水蒸汽的温度为至少约250℃。

3.  根据权利要求1或2的用于煅烧氢氧化铝的方法，其中所述水蒸汽的温度为至少约480℃。

4.  根据权利要求1或2的用于煅烧氢氧化铝的方法，其中所述水蒸汽的温度在约480至650℃之间。

5.  根据任一前述权利要求的用于煅烧氢氧化铝的方法，其中所述水蒸汽的压力大于大气压。

6.  根据任一前述权利要求的用于煅烧氢氧化铝的方法，其中所述水蒸汽的压力大于约6巴。

7.  根据任一前述权利要求的用于煅烧氢氧化铝的方法，其中离开煅烧装置的水蒸汽的压力大于约6巴。

8.  根据任一前述权利要求的用于煅烧氢氧化铝的方法，其中所述水蒸汽是过热水蒸汽。

9.  根据任一前述权利要求的用于煅烧氢氧化铝的方法，其中所述方法包括以下另外的步骤：
在存在所述氢氧化铝的情况下，将所述氢氧化铝和氧化铝与羟基氧化铝的混合物进行第二煅烧阶段。

10.  根据权利要求9的用于煅烧氢氧化铝的方法，其中将所述氢氧化铝和所述氧化铝与羟基氧化铝的混合物进行第二煅烧阶段的步骤通过使用燃烧燃料气的直接煅烧、使用燃烧燃料气的间接煅烧、使用水蒸汽的直接煅烧、使用水蒸汽的间接煅烧、太阳能、电阻和微波煅烧而进行。

11.  根据权利要求9或权利要求10的用于煅烧氢氧化铝的方法，其中将所述氢氧化铝和所述氧化铝与羟基氧化铝的混合物进行第二煅烧阶段的步骤在独立的煅烧装置中进行。

12.  根据权利要求9至11中任一项的用于煅烧氢氧化铝的方法，其中所述第二煅烧阶段在气体悬浮煅烧炉内进行。

13.  根据权利要求12的用于煅烧氢氧化铝的方法，其中所述第二煅烧阶段在约850℃进行。

14.  根据权利要求9至13中任一项的用于煅烧氢氧化铝的方法，其中所述方法包括以下另外的步骤：
从所述第二煅烧阶段回收热量。

15.  根据权利要求14的用于煅烧氢氧化铝的方法，其中从所述第二煅烧阶段回收热量的步骤包括：
在锅炉中回收热量，以产生并且再热水蒸汽的步骤。

16.  根据权利要求15的用于煅烧氢氧化铝的方法，其中将该水蒸汽在使所述氢氧化铝与水蒸汽直接接触的步骤中利用。

17.  根据任一前述权利要求的用于煅烧氢氧化铝的方法，其中所述方法包括以下另外的步骤：
预热所述氢氧化铝。

18.  根据权利要求17的用于煅烧氢氧化铝的方法，其中预热所述氢氧化铝的步骤与使所述氢氧化铝与水蒸汽直接接触的步骤同时进行。

19.  根据权利要求17的用于煅烧氢氧化铝的方法，其中预热所述氢氧化铝的步骤在使所述氢氧化铝与水蒸汽直接接触的步骤之前进行。

20.  根据任一前述权利要求的用于煅烧氢氧化铝的方法，其中所述方法包括以下另外的步骤：
干燥所述氢氧化铝。

21.  根据权利要求20的用于煅烧氢氧化铝的方法，其中干燥所述氢氧化铝的步骤与使所述氢氧化铝与水蒸汽直接接触的步骤同时进行。

22.  根据权利要求20的用于煅烧氢氧化铝的方法，其中干燥所述氢氧化铝的步骤在使所述氢氧化铝与水蒸汽直接接触的步骤之前进行。

23.  根据任一前述权利要求的用于煅烧氢氧化铝的方法，其中所述方法包括以下另外的步骤：
在使所述氢氧化铝与水蒸汽直接接触的步骤之前，使所述氢氧化铝脱水。

24.  根据权利要求23的用于煅烧氢氧化铝的方法，其中使所述氢氧化铝脱水的步骤包括：
使所述氢氧化铝在压滤机中脱水的步骤，其可以包括使用水蒸汽。

25.  如以上参照附图描述的用于煅烧氢氧化铝的方法。

用于生产氧化铝的方法
技术领域
本发明涉及一种用于煅烧氢氧化铝的方法。更具体地，本发明涉及一种利用水蒸汽煅烧氢氧化铝的方法。
背景技术
拜耳法(Bayer process)被广泛用于从含铝矿石，如铝土矿制备氧化铝。该方法包括：在通常称为煮解的工序中，使含氧化铝的矿石与再循环的苛性铝酸盐溶液在高温下接触。
在将溶液冷却后，加入氢氧化铝作为晶种，以促使从其中沉淀更多的氢氧化铝。将沉淀的氢氧化铝，也称为水合物或三水铝石，从苛性铝酸盐溶液中分离，其中将一部分氢氧化铝再循环以用作晶种，而将剩余物作为产物回收。将剩余的苛性铝酸盐溶液再循环，以另外煮解含氧化铝的矿石。根据用于将氢氧化铝与铝酸盐溶液分离的方法，回收的氢氧化铝可能不是完全干燥的，并且可能含有未结合的和物理结合的水。在本说明书的上下文中，术语未结合水是指可以在三氧化铝的表面上的水，而术语物理结合的水是指可以容纳在例如三氧化铝的隙间孔内的水。
在称为煅烧的工序中，将回收的氢氧化铝加热以制备氧化铝。除了移除夹带的水以外，当氢氧化铝根据下列反应生成也称为氧化铝的三氧化铝(Al₂O₃)时，水还是煅烧反应的副产物：
2Al(OH)₃→Al₂O₃+3H₂O
煅烧反应可以制备各种不同并且可测量的含铝土结构。这些包括三氧化铝结构形态和羟基氧化铝结构形态。冶炼级氧化铝的优选组成主要含所谓的γ型，但是也含大量其它的氧化铝相(例如，α、κ、χ等)。
在本说明书的上下文中，术语氧化铝应当被理解为包括三氧化铝的所有结构形态或相，包括γ氧化铝。在本发明的上下文中，术语羟基氧化铝应当被理解为包括羟基氧化铝的所有结构形态或相，包括勃姆石。
在本说明书的上下文中，术语煅烧应当被理解为包括完全或部分移除与氢氧化铝进料一起进入煅烧炉中的物理和化学结合的水以及未结合的水。
煅烧的连续阶段是：
干燥，以移除未结合的水和物理结合的水；
在炉中加热，以移除化学结合的水；和
产物冷却。
煅烧是能源密集型方法。在煅烧的过程中从氢氧化铝以水蒸汽形式释放的水(～0.53t水/tA)通过烟道与其潜热能(～1.2GJ/tA)一起损失到大气中。另外的水也以来自与氢氧化铝进料一起进入煅烧炉的未结合的水和来自燃烧的产物的水蒸汽的形式被释放到大气中。
在现有技术系统中，大量的燃料被用于蒸发未结合的水和加热干燥的氢氧化铝，由此其在到达最终的所需氧化铝形态之前经过一系列中间晶形。
用于将氢氧化铝干燥和分解以形成氧化铝产物和水蒸汽的直接传热设备和方法包括使用静态煅烧炉、窑式煅烧炉、电阻加热、热油或盐浴，通过电感、激光、等离子体、微波辐射和燃料的燃烧加热。
在闪蒸(flash)和窑式煅烧方法中，来自煅烧炉的炉部的燃烧气体与被煅烧的水合物质直接混合。在煅烧后，例如通过用于捕获粉尘的旋风分离器和静电沉淀器将气体分离。烟道气是燃烧的产物和水蒸汽的混合物。
US5336480教导了通过在加压容器中间接加热氢氧化铝而煅烧氢氧化铝，并且收集释放的水蒸汽。该说明书教导了在加热时由于通过分解从氢氧化铝释放水蒸汽，氢氧化铝的床表现出自流化性。
根据US5336480，通过在分解器中加热氢氧化铝以将未结合的水、物理结合的水和某些化学结合的水从氢氧化铝驱散，产生用于供给到拜耳法的浸煮器和蒸发器部分的水蒸汽。更具体地，在管中通过热废气间接加热氢氧化铝。在管中以气态放出的水向上流动，并且据称使管中的颗粒床流化。由于流化气来自颗粒本身，所以这被称为自流化。在启动过程中，来自辅助水蒸汽源的水蒸汽可以用于使管中的颗粒流化，直至实现自流化。
关于US5336480和我们的方法之间的区别，你希望补充什么呢？有利地，本发明允许利用更小的压力容器，而US5336480的方法需要大的压力容器；结果导致相对低的气体侧(gas-side)传热系数。大尺寸对于此装置的其它后果包括调节热膨胀的需要和与均匀地分布固体相关的困难。
本发明背景的前述讨论意在促进对本发明的理解。然而，应当认识到该讨论并非认可或承认在本申请的优先权日，所提到的任何材料都是在澳大利亚的普通常识的一部分。
在整个说明书中，除非上下文另有需要，否则词“包含”或诸如“包括”或“含有”的变化应当被理解为意指包括所述整数(integer)或整数组，但是不排除任何其它整数或整数组。
在整个说明书中，除非上下文另有需要，否则词“水蒸汽”应当被理解为包括干水蒸汽(不含在力学上保持悬浮的水的水蒸汽)、湿水蒸汽(含保持悬浮的水的水蒸汽)、饱和水蒸汽(处于与其压力对应的沸点温度下的水蒸汽)或过热水蒸汽(被加热到高于与其压力对应的沸点的温度的水蒸汽)。
在本发明的描述中可以找到对本文中使用的选定术语的其它定义，并且适用于全文。除非另外定义，否则本文中使用的所有其它科学和技术术语具有与本发明所属领域的普通技术人员通常所理解的相同的含义。
发明内容
本领域的技术人员应当认识到本文中描述的本发明易于进行与具体描述的那些不同的变化和修改。应当理解，本发明包括所有这种变化和修改。本发明还包括在说明书中单独或者共同提到或指出的所有步骤、特征、组合物和化合物，以及任何和所有组合或任何两个或更多个所述的步骤或特征。
本发明的范围不受本文中描述的意在仅示例性的具体实施方案的限制。功能等价的产物、组合物和方法显然在本文中所描述的本发明的范围内。
本文中引用的所有出版物(包括专利、专利申请、期刊文章、实验室手册、书籍、或其它文献)的全部内容通过引用结合在此。包括不等同于承认任何参考文献构成现有技术或是本发明相关领域的技术人员的普通常识的一部分。
根据本发明，提供一种用于煅烧氢氧化铝的方法，所述方法包括以下步骤：
使氢氧化铝与水蒸汽直接接触；和
将至少部分氢氧化铝煅烧成氧化铝和/或羟基氧化铝。
应当认识到可以以多种结构形态提供氧化铝和羟基氧化铝。
在不被理论所限的情况下，据认为本发明可以用于控制这样制备的氧化铝和羟基氧化铝的结构形态。
应当认识到水蒸汽的温度和压力决定水蒸汽是否含有任何夹带的液态水。
水蒸汽的温度优选为至少约250℃。在不被理论所限的情况下，据认为通过增加水蒸汽供给温度，降低了获得分解的所需程度(在某些阶段讨论什么是分解的“所需程度”将是有利的)的水蒸汽用量。更优选地，水蒸汽的温度为约480℃。在不被理论所限的情况下，据认为在水蒸汽的温度高于约480℃的情况下，煅烧炉可能需要由特别材料如镍-铬合金制成的构造。在本发明的一种非常优选的方式中，水蒸汽的温度高于480℃。
优选地，水蒸汽的压力大于大气压。在本发明的一种非常优选的方式中，水蒸汽的压力大于约6巴。
优选地，离开煅烧装置的水蒸汽的压力和温度适合另外在铝土矿精炼厂中利用。在本发明的一种非常优选的方式中，离开煅烧装置的水蒸汽的压力大于约6巴。
有利地，使用处于高压的水蒸汽意味着可以以适合于在精炼厂中进一步利用的温度和压力产生从煅烧过程产生的水蒸汽。此外，使用处于高压的水蒸汽还减小煅烧所需设备的物理尺寸。
在不被理论所限的情况下，据认为氢氧化铝热分解为氧化铝和/或羟基氧化铝所需的能量随压力升高而降低。
优选地，所述水蒸汽为过热水蒸汽。
在本发明的一种方式中，所述方法包括以下另外的步骤：
在存在所述氢氧化铝的情况下，将所述氢氧化铝和氧化铝与羟基氧化铝的混合物进行第二煅烧阶段。
将所述氢氧化铝和所述氧化铝与羟基氧化铝的混合物进行第二煅烧阶段的步骤可以通过本领域已知的任何方法进行，包括使用燃烧燃料气的直接煅烧、使用燃烧燃料气的间接煅烧、使用水蒸汽的直接煅烧、使用水蒸汽的间接煅烧、太阳能、电阻和微波煅烧。
优选地，将所述氢氧化铝和所述氧化铝与羟基氧化铝的混合物进行第二煅烧阶段的步骤在独立的煅烧装置中进行。
在第二煅烧阶段包括使用燃烧燃料气的直接煅烧的情况下，第二煅烧阶段可以在气体悬浮煅烧炉内进行。
应当认识到，第二煅烧阶段的温度将由所需氧化铝产物性质决定。例如，已知用于陶瓷应用的氧化铝需要约1250℃的煅烧温度，而用于制备冶炼级氧化铝的常规氧化铝煅烧在约850至1100℃进行。据认为第二煅烧阶段可以在更低的温度进行。
优选地，第二煅烧阶段在约600和950℃之间的温度进行。
在不被理论所限的情况下，据认为直接水蒸汽煅烧产生与在第一阶段的常规煅烧中所产生的氧化铝结构不同的一种或多种氧化铝结构。
在所述方法包括将氢氧化铝以及氧化铝与羟基氧化铝的混合物进行第二煅烧阶段的步骤的情况下，所述方法优选包括以下另外的步骤：从所述第二煅烧阶段回收热量。
在本发明的一种方式中，从所述第二煅烧阶段回收热量的步骤包括：在锅炉中回收热量，以产生并且再热水蒸汽的步骤。
优选地，将该水蒸汽在使所述氢氧化铝与水蒸汽直接接触的步骤中利用。
优选地，所述方法包括以下另外的步骤：
预热所述氢氧化铝。
在本发明的一种方式中，预热所述氢氧化铝的步骤与使所述氢氧化铝与水蒸汽直接接触的步骤同时进行。
在本发明的第二种方式中，预热所述氢氧化铝的步骤在使所述氢氧化铝与水蒸汽直接接触的步骤之前进行。
优选地，所述方法包括以下另外的步骤：
干燥所述氢氧化铝。
在本发明的一种方式中，干燥所述氢氧化铝的步骤与使所述氢氧化铝与水蒸汽直接接触的步骤同时进行。
在本发明的第二种方式中，干燥所述氢氧化铝的步骤在使所述氢氧化铝与水蒸汽直接接触的步骤之前进行。
有利地，干燥氢氧化铝的步骤可以降低能量消耗。
在本发明的一种方式中，所述方法包括以下另外的步骤：
在使所述氢氧化铝与水蒸汽直接接触的步骤之前，使所述氢氧化铝脱水。
优选地，使所述氢氧化铝脱水的步骤包括：
使所述氢氧化铝在压滤机中脱水的步骤，其可以包括使用水蒸汽。
应当认识到在将水蒸汽随后在工厂中利用的情况下，可能需要处理所述水蒸汽以移除例如夹带的颗粒。
附图说明
现将仅通过实施例，参照其一个实施方案和附图对本发明进行描述，在附图中：
图1是显示拜耳法流程(circuit)的示意性流程图；以及
图2是显示如何可以将根据本发明的方法在拜耳法流程中使用的示意性流程图。
具体实施方式
本领域的技术人员应当认识到，在本发明中描述的本发明易进行与具体描述的那些不同的变化和修改。应当理解本发明包括所有这种变化和修改。本发明还包括在说明书中单独或者共同提到或指出的所有步骤、特征、组合物和化合物，以及任何和所有组合或任何两个或更多个所述的步骤或特征。
图1显示采用单煮解流程的精炼厂用拜耳法流程10的示意性流程图，该拜耳法流程10包括以下步骤：
将铝土矿14在苛性碱溶液中煮解12；
将混合物液-固分离16为残渣18和液体20；
氢氧化铝从液体20中沉淀24；
分离氢氧化铝24和液体26；以及
将氢氧化铝24煅烧31成氧化铝30和水32。
在图2中最佳地看到，根据本发明，氢氧化铝24被进料到管中，并且通过与约480至650℃而且大于6巴的水蒸汽34直接接触而被加热。水蒸汽34加热并且干燥氢氧化铝24。水蒸汽34和氢氧化铝24的混合导致化学结合的水以与混合流中可用的能量水平相关的水蒸汽形式释放。所得到的释放的水蒸汽与加热水蒸汽34混合。
氢氧化铝24和水蒸汽34之间的热交换使得部分氢氧化铝24分解，并且根据再循环水蒸汽的温度和固体的最终温度提供氢氧化铝、羟基氧化铝和各种氧化铝形式的混合物36。氢氧化铝24的分解导致离开混合相的水蒸汽质量流38的增加。加入充足的水蒸汽使得混合物温度为约300℃。采用气体/固体分离技术如过滤将水蒸汽38和固体36分离。由压力煅烧导致的总能量减小是通过使用释放的水蒸汽作为生产水蒸汽进行的。
将分离的水蒸汽38分成两个流40和42。流40通过再循环鼓风机44经由流48到达水蒸汽再热器46，被加热到约480至650℃并且作为流34返回，并与另外的氢氧化铝24混合。
实际上是从氢氧化铝释放的水的流42被冷却到工厂水蒸汽的条件，这是通过水添加50产生另外的水蒸汽52，并且将水蒸汽排出到工厂水蒸汽流程中而实现的。
来自气体/固体分离步骤的固体36从加压阶段传到在近似大气压下操作的气体悬浮煅烧炉(GSC)54，在这里它们被加热到约850℃以获得目标产物质量。
来自GSC 54的热气56被用在水蒸汽再热器46中以将再循环水蒸汽48加热到约480至650℃的再循环温度。由于热平衡，可能需要向水蒸汽再热器46添加燃料58。加入水60以在将热气排放到烟道61之前从热气中进一步回收热。
在作为产物68排放之前，用冷却空气64和冷却水66冷却热的氧化铝62。因此，冷却空气64在经过70到达GSC 54之前被预热。
将燃料72(例如，气或油)加到GSC 54中以保持所需的温度。
可以将水流66、60在要求热平衡的工厂中用于各种目的。例如，加热的水可以用于冷却生产水蒸汽(即，作为流50)或这些水流可以用于补充再循环水蒸汽流34。
在常规的气体悬浮煅烧炉中，来自煅烧阶段的燃烧的产物被用于干燥和预热氢氧化铝。燃烧的产物还用于在煅烧部中提供部分逆流热交换。在本发明采用利用来自气体悬浮煅烧炉的燃烧产物的第二煅烧阶段的情况下，燃烧产物不能在煅烧部中提供部分逆流热交换。因此，如图2中所示，来自第二煅烧阶段的燃烧产物被用于再热压力煅烧部所需的水蒸汽。由于气体悬浮煅烧炉的温度为约850℃，所以在燃烧的产物中可能没有可得到的充足的能量以提供所有水蒸汽，并且可能需要提供另外的燃料和空气以提供将再循环水蒸汽再热所需的热。
如图2中所示，水蒸汽通过水蒸汽再热器46从压力煅烧阶段再循环。为了获得适当的热平衡，需要显著量的480至650℃的水蒸汽。为了向压力煅烧部提供充足的热，水蒸汽应当被再循环，并且在这样做的过程中，水蒸汽进入水蒸汽再热器的入口温度实际上尽可能低。
另一个问题是，根据在第一压力阶段达到的分解程度，在气体悬浮室中可以消耗较少的能量。当在压力阶段的分解程度高时，在第二阶段将需要较少的能量，因此需要较少的空气，从而没有充足的空气将氧化铝冷却到足够低的温度以将其排放到传送带等。因此，必须从部分冷却的产物回收热，并且这也可以处于生产水蒸汽或加热锅炉给水的形式。
应当认识到，许多热回收设备可以用于从氧化铝另外将废热回收到在150℃的范围内的正常烟道温度。所有这些热回收设备可以是具有各个区域的单废热锅炉。
本发明的实施方案是基于化工首要原则利用室内模型的组合设计、评价和改进的，并且被调节到具有当前技术水平的物理性质程序包(package)的ASPEN Plus^TM，ASPEN技术有限公司软件处理模拟软件内建立的现有拜耳装置操作、拜耳性质和热力学数据的大量数据库、拜耳操作经验和流程图模型，包括增加的拜耳法性质和内部建立的装置操作。
应当认识到以下所提供的关于流量和温度的数据对于所使用的模型和实施方案是特定的，并且受输入模型的参数的影响。
研究已突显出直接水蒸汽煅烧的实际应用可以制备以每公吨氧化铝计约0.39公吨的工厂水蒸汽(0.32公吨直接来自氢氧化铝的分解，而另外的0.07公吨水蒸汽来自进料物质中4.5％的未结合的水)。应当指出，来自废热回收的水蒸汽不包括在上述0.39公吨的产生的水蒸汽中。
当全部结合水在加压阶段被移除时，获得所产生的最大量的水蒸汽，然而，所需的水蒸汽的条件和流量使得这是不切实际的。初步的研究已突显出(参见表1)在当约60％的结合水在压力煅烧部中从氢氧化铝的分解中被释放时而获得近似最佳的性能，并且对于具有100tph的氧化铝生产量的工厂提供以下结果时，获得实际的最小极限。
·产生的工厂水蒸汽32tph在8巴(绝对)和220℃
在常规气体悬浮煅烧炉操作中，以约3.0GJ/t(对于烧气工厂)的基准产生氧化铝，并且以约2.57GJ/t产生水蒸汽。因此，利用目前设备产生相同水平的氧化铝和水蒸汽，消耗的能量为：
因此，产生上述水蒸汽的能量减少为2.57*0.39＝1.0GJ/t氧化铝
基于上述计算，本发明提供降低工厂能量成本的显著潜力。
尽管上述突显出了显著的节约，但是预期可以通过进一步的优化获得更多的节约。
下面的表1显示来自数据和工艺模型的结果。在每种情况下，从系统离开工厂的目标水蒸汽条件是8巴压力和220℃。

表1.数据和工艺模型结果。
与对于烧气装置能耗约为3GJ/t Al₂O₃(对于烧油装置为2.9)的常规气体悬浮煅烧炉相比，上述表现出显著的能量节约。
节约需要作为在常规煅烧炉中制备氧化铝的能量加上在常规锅炉操作中制备等量的水蒸汽的能量的对比进行评价。
利用其中通过与水蒸汽直接接触，由进料氢氧化铝从压力阶段制备按每公吨的氧化铝计为0.39公吨的水蒸汽的模型，100tph煅烧炉将需要再循环约248tph的约650℃的水蒸汽。主热交换管的直径约1.3m，目标速度为10ms^-1。在用于100tph工厂的常规气体悬浮煅烧炉中，直径通常为约2.7m。此外，第二阶段设备也更小。应当认识到，与常规气体悬浮煅烧炉技术相比，本发明利用更小的设备。大量的高温水蒸汽的再循环被认为通过使用涡轮机最好地实现。应当认识到因为涡轮机应当具有洁净的水蒸汽，所以可能需要过滤水蒸汽。
计算已显示出，利用直接水蒸汽加热的煅烧具有通过产生按每公吨氧化铝计高达0.39公吨的生产水蒸汽而回收约1GJ/t氧化铝的能量的潜力。