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铝工业窑炉废气的回收利用

文档作者：薛忠秀王刚文档来源： 1．中国铝业山东分公司研究院，2．中国铝业山东分公司生产运行部		点击数：	更新时间： 2021年05月11日
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2011年4月第2期 铝工业窑炉废气的回收利用—— 薛忠秀 王 刚 ·49·
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．
2环保与综合利用；
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铝工业窑炉废气的回收利用
薛忠秀 王 刚
(1．中国铝业山东分公司研究院，2．中国铝业山东分公司生产运行部，山东淄博255051)
[摘要] 介绍了中铝山东企业在窑炉废气的回收利用方面所做的一些研究和探索，包括熟料窑烟气预热生料
浆、焙烧炉尾气用十 分预分解、水泥窑烟气用于粗液碳分的试验情况及存在的相关问题，同时展望了工业窑炉废
气回收利用的前景及』 蕈要性。
[关键词] 烟气；CO ；吸附；碳分
[中图分类号]X758；TK11 5 [文献标识码]B [文章编号]1008—5122(2011)02—0049—04
Recycling of W aste Gas from Furnace for Aluminum Industry
XUE Zhong—xiu，W ANG Gang
Abstract：Some researches and explorations about recycling waste gas from the furnace are did by C hi—
nalco Shandong branch，including testing and existing relevant problems about using clinker kiln’S fume
for preheating raw slurry，roaster’S tail gas for precarbonization，cement kiln’S flue gas for raw liqior car—
bonization．The prospect and significant of recycling waste gas from industrial furnace is given，too．
Key words：flue gas；C O2；adsorption；carbon decomposition
0 前言
洁净的空气是人类生存的首要条件，大气资源
的破坏是一种不可逆转的改变，随着全球性的温室
效应日趋严重，大气环境对于工业窑炉CO (二氧化
碳，下同)的排放提出了更高的要求。中铝山东企
业拥有为数众多的熟料窑、水泥窑、焙烧炉等大型窑
炉设备。以废气中CO：最低含量13％ 计算，现有开
车率条件下纯CO，排空量至少为10～12万m ／h，
每小时还有近百万立方米的烟气携带200℃左右的
高温白白排空，造成极大的资源浪费，如何对此部分
工业废气进行回收利用，科研人员做了大量的研究
探索工作，现简要综述如下。
[收稿日期]2010—1O一25
[作者简介]薛忠秀(1973一)，女，山东淄博人，大学本
科，工程师，主要从事氧化铝生产及新产品开发工作。
1 CO，浓度富集实验
1．1 实验流程
针对熟料窑尾气做了CO，吸附富集的探索实
验，分别试验了变压吸附、低变压吸附、化学吸附三
种富集方法。富集流程简图如图1。考虑到电收尘
出口烟气更为洁净，可相对简化试验净化流程，因此
实验用原气为电收尘出口烟气，其成分见表1。
烟气(190℃)
。柔葡 五
产品CO 气c40％)废气排窄
图1 CO 浓度富集流程简图
|夏
． ． ． ． - ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．
-
· 50· 有色冶金节能 口环保与综合利用
表1 实验用原气的成分 ％
数值 190±10
1．2 实验简介
1．2．1 变压吸附
变压吸附技术，是一种使用不同用途的吸附分
离专用吸附剂，采用降温变压吸附、分离气体的成熟
技术。目前成功的变压吸附气体分离技术分别有合
成氨弛放气、从富含CO混合气中分离提纯CO、合
成氨变换气脱碳、天然气净化提纯甲烷等9个领域，
许多高纯度的食品级CO 都是采用变压吸附而得。
由于熟料窑烟气温度高且含水量达到40％左右，因
此水洗降温过程需要大量的冷却水及循环水动力，
且为保证0．1 MPa的吸附压力，所采用的大功率鼓
风机的电耗也相当高，经衡算该工艺产出纯CO，气
成本在500元／km ·h以上，对于常压且CO，含量较
低的烟气，该工艺不太适宜。
1．2．2 化学吸附
化学吸附足以弱碱溶液为吸附剂与CO，发生反
应，吸附CO 的溶液称为富液，压力降低时，该溶液
分解释放出CO ，并使溶液得到再生。该法更适合
于压力、浓度低的烟道气，在国外应用较为普遍。但
由于该法需要对富液通新蒸汽加热，所以蒸汽的消
耗比较大。据统计，蒸汽的消耗占该法总成本的
50％ 以上，经衡算用该法制得纯CO，气成本约450
元／km -h以 。
1．2．3 低变压吸附
在上述两种方法成本偏高的情况下，进行了低
变压吸附试验。低变压吸附与变压吸附原理相同，
只是吸附压力低，町在很大程度上降低鼓风机的电力
消耗。经试验该法所得产品回收率仅40％左右，运行
成本也达到纯CO，气成本约430元／km ·h以上。
试验期问，公司石灰炉产纯CO，气成本约330
元／km h，所以J二述几种方法未能在公司推广应用。
2 余热及废气的回收利用
2．1 熟料窑烟气预热生料浆
2．1．1 工艺流程
熟料窑窑尾气体温度240℃左右，经立烟道、旋
风至电收尘约180～200℃ ，而生料浆人窑温度仅
30～40℃ ，用熟料窑烟气预热生料浆是回收烟气余
热的有效途径。烟气回收点可选择电收尘出口及旋
风入口两处，以后者为例，在旋风入口直接接鼓风机
将烟气引至料浆预热槽，不但可以回收烟气余热，而
且还起到净化烟气的作用。熟料窑烟气预热生料浆
流程见图2。
旋风入u烟气(200~左右)
烟气排夺(>75 )
入窑
图2 熟料窑烟气余热回收简图
试验按图2流程完成，主要试验指标如表2。
表2 熟料窑烟气回收利用指标
烟气由旋风入口经生料浆换热装置后，温度从
200℃ 左右降至148℃ ，含尘量由旋风入口的190
mg／m 降至45 mg／m ，甚至超过了电收尘出口烟气
含尘。生料浆从30℃ 预热至75℃ 以上，提高了人
窑料浆温度，进而在一定程度上减少了烧成煤的用
量，不但减少了热量的外排还节约了烧成成本，具有
一举两得之功效。由表2试验结果可知：利用熟料
窑尾气预热生料浆主要是一个物理换热过程，烟气
成份对生料浆无影响，烟气经换热后，成份基本无变
化、温度降低50℃ 以上、含尘量达标，可直接排空。
另：烟气中的含尘即窑灰主要为生熟料混合物，与熟
料窑返灰的成份相同，在正常的熟料窑操作中立烟
道、旋风、电收尘等设备的收尘均作为返灰返回熟料
窑，以达到稳定熟料窑操作的目的。因此，此部分尘
量只是未经电收尘而直接通过换热进人生料浆，对
后续工序亦无影响。
2．1．2 经济概算
以生料浆入窑温度升高50℃计算，经物料平衡
概算可节省燃煤30～40 kg／t．熟料，以燃煤价格800
元／t计，则生料浆预热后可降低熟料烧成成本24～
32元／t一熟料，每吨氧化铝可降成本90元左右，经济
效益明显。
2．1．3 存在问题
试验中发现预热料浆存在一个结皮的问题。由于
料浆中有一定的碱含量，预热过程有轻微碱结皮，此问
题可通过加强搅拌、均化布料等方式予以有效控制。
2011年4月第2期 铝工业窑炉废气的回收利用—— 薛忠秀 王 刚 ·51·
2．2 焙烧炉尾气用于碳分预分解
铝酸钠溶液的碳酸化分解是一个气、液、固三项
参加的多相反应。一般认为，二氧化碳的作用在于
中和溶液中的苛性碱，使溶液的分子比降低，从而降
低溶液的稳定性，引起溶液的分解，达到析出氢氧化
铝的目的。碳酸化分分解在氧化铝工艺发展的前期
一直采用熟料窑尾气分解(10％ ～15％ )，后为加快
分解速度、提高设备产出率、改为石灰炉气分解，实
践证明：低浓度二氧化碳与石灰炉气分解产品不存
在本质差别。
2．2．1 工艺流程
公司目前连续碳分过程采用的是CO，浓度在
38％ 左右的石灰炉气，连续碳分为六槽连续，前五槽
通气，末槽搅拌出料。试验流程为首槽通焙烧炉尾
气预分解，后续各槽流程不变。焙烧炉排空烟气含
尘低于60 mg／m h，其中的主要尘粒为Ao、AH混
合物，试验结果证明焙烧炉尾气用于碳酸化预分解
是成功的。烟气回收的基本走向如图3所示。
焙烧炉尾气
T 国
’
fI{料
图3 焙烧炉尾气回收简图
注：图-{1虚线线为分解原液走向
焙烧炉尾气主要成份如表3。
表3 焙烧炉尾气主要成份 ％
指标 温度／℃ 含~N／mg·m CO2 N2 Oz Hz0
数值 190±10 <60 13．2 45．2 1．6 40
焙烧炉尾气回收试验流量规模5 m ／h，试验的
主要控制指标及试验产品与普通氢铝的主要指标列
表对比女Ⅱ表4。
表4 焙烧炉烟气分解试验产品指标
表4试验结果表明：铝酸钠溶液对于烟气CO
的吸收率达到90％ ～95％ ，试验氢铝产品主要指标
达到二级品或以上要求，与普通碳分氢铝无差距。
焙烧炉烟气中所含微尘经高温焙烧后具有极强的活
性，在分解过程中起到了活性晶种的作用，对于优化
分解产品质量具有积极意义，因此采用焙烧炉尾气
用于碳分预分解是可行的。且首槽通低浓度焙烧炉
烟气预分解，后续各槽切换高浓度石灰炉气，分解速
度较快、不影响设备产出率。
2．2．2 经济概算
焙烧炉尾气用来碳酸化预分解，在减少温室气
体排放的同时，也减轻了石灰炉负担，使氧化铝生产
变得更加经济和环保。按五槽连续碳分消耗石灰炉
气(CO，：38％)气约0．22 km ／t—AH，CO 价格以300
元／km 计算，则碳分用气成本为0．22×300=66元／
t-AH，首槽通焙烧炉尾气可节约成本13．2元／t—AH。
此项技术将会产生巨大的环境、社会效益。
2．3 水泥窑烟气用于粗液碳分
2．3．1 工艺流程
水泥窑与熟料窑均属回转窑，因其所烧结物料
不同以及窑炉烧结制度的差异导致了水泥窑窑尾烟
气的CO，浓度和温度均高于熟料窑，因此水泥窑的
窑尾废气更具有回收利用价值。以旋风入口烟气为
例：公司废催化剂粗液碳分流程产出杂质含量较高
的粗氢铝进拜耳法流程做矿石之用，产品中的氧化
钠、氧化硅等杂质均在拜耳流程中得以溶解、分离。
因此在连续碳分线上做了水泥窑烟气碳分的全流程
工业试验。试验为五槽连续，前四槽通气，末槽搅拌
出料(流程同图3通石灰炉气部分)，经试验各槽
CO，吸收率达到80％ ～90％ ，最终出料分解率控制
90％ ～93％ 。试验结果证明(表5、表6)：采用窑尾
烟气进行碳分分解在工艺上是完全可行的。
· 52· 有色冶金节能 口环保与综合利用
表5 分解前后烟气成份对比
表6 水泥窑烟气分解产品指标
类别 炳气c0z 分解 墨竺 竺皇里
浓度／％ 率／％ SiO2 Fe2o3 Na20 AI203
普通粗氢铝 91．2 2．78 0．021 1．92 58．8
1 粗氢铝 19 3 93．2 3．70 0．022 2．53 56．7
2 粗氢铝 I8．7 91．7 3．30 0．020 1．90 57．8
3 粗氢铝 19．2 88．7 3．18 0．028 1．95 58．1
4 粗氢铝 17．9 92 8 2 75 0．0I8 2．19 57．9
5 粗氢铝 16．8 88．5 2．98 0．018 1．90 56．8
从表6试验结果可以看到：试验所得粗氢铝较
普通粗氢铝的氧化硅和氧化钠含量均有升高，但用
之于拜耳法生产则堪称优质矿石，主要杂质二氧化
硅在溶解过程中进入赤泥直接排出，氧化钠则是拜
耳法工艺必须物质，因此，水泥窑烟气用于粗液碳分
的工业试验是成功的。同时，试验数据证明，窑尾烟
气在铝酸钠溶液分解过程中不会对溶液造成冲稀，
而是会略有浓缩，碳分分解温度也可以保持与石灰
炉气分解相当的水平。
2．3．2 经济概算
废催化剂是化工行业废渣，主要以氧化铝基为
载体，其中的氧化铝、氧化硅合量为85％ ～95％ ，通
过分解粗氢铝、进拜耳法重溶工艺可最大程度净化
废催中的杂质，从而达到回收废催化剂中的氧化铝，
变废为宝的目的，结合分解母液提钒，该工艺年创利
达千万元以上，具有良好的经济效益和环保价值。
2．4 其它应用
另外，其它小规模的余热利用在工业上也频有
应用：在烟道加换热器等设备，将烟气的高温用于加
热生活用水、取暖等。只是换热器的除灰及防腐等
方面的工作尚需进一步的完善。
3 结束语
经过科研人员的不断探索和努力，工业废气的
回收利用范围越来越广泛。在资源日益缺乏的今
天，工业废气的二次应用在能源、环保等各方面都有
重要意义。对于工业废气在应用过程中存在的问
题，相信随着工艺、设备等方面的发展会逐步得到解
决，二次资源的回收利用将使工业生产更加的环保、
经济。
[参考文献]
[1] 杨重愚．氧化铝生产工艺学[M]．北京：冶金工业出
版社，1993
[2] 李洪刚，李克鑫．浅析工业窑炉废气回收利用的方法
[J]．节能，2006，283(2)：47—50
[3] 陈进，兰治淮．工业废气CO，的回收利用[J]．化工
科技市场，2006，11：28—34
万洋冶炼“三连炉”直接炼铅法创两项世界第一
3月13日，由河南万洋冶炼(集团)有限公司自
主研发、具有自主知识产权的“三连炉”直接炼铅法
一次性点火投料成功，创造了两项世界第一。
其一，首创了把氧化、还原、烟化三炉紧密布置
的生产工艺，实现了全部热液自流，取消了电热前床
和热渣吊运过程，大大降低了工程投入与电耗，提高
了生产效率。其二，为全球首家使用单一煤粒作为
燃料和还原剂的炼铅企业，取消了天然气和煤气作
燃料，使生产成本更低，运行更经济，操作更简单、更
可靠、更安全。
目前，中国炼铅行业运行的20台富氧底吹炉，
虽然彻底改变了过去落后的炼铅工艺，但其生产的
高铅渣还需要冷却铸块，并且再经过鼓风炉熔炼才
能完成整个冶炼过程。其中需要使用价格昂贵的焦
炭作燃料和还原剂，损失了大量热能。“三连炉”直
接炼铅法的成功开发，进一步提高了铅冶炼过程中
的热利用率，既节省了大量热能，又降低了燃料的用
量，很好地实现了节能降耗、低碳生产。
据了解，这次炼铅工艺实现新突破，是万洋冶炼
技术人员经过近一年潜心钻研，率先在本企业试验
成功的。目前，该工艺运行稳定，各项技术指标领
先。为了达到最佳生产状态，企业工程技术人员正
在加紧进一步调试。

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