高铝粉煤灰的资源特性极其作为氧化铝提取对象的可能性

天津大学硕士研究生毕业论文开题报告预脱硅浆液调配槽流场分析及优化指导老师：刘丽艳汇报人：李晨辰目录课题背景2课题研究内容345实验数据研究方法进度安排1课题背景大唐国际高铝粉煤灰项目1、内蒙古煤铝共生资源开发利用情况及高铝粉煤灰的产生内蒙古中西部地区由于特殊的地质背景，在晚古生代煤层及夹矸中赋存大量一水软铝石和高岭石等富铝矿物形成煤铝共生矿产资源。图1准格尔煤田煤-铝共生特点课题背景1、内蒙古煤铝共生资源开发利用情况及高铝粉煤灰的产生序号煤田名称产地名称资源量（亿吨）铝含量（%）粉煤灰中氧化铝含量（%）生产能力（万吨/年）1准格尔煤田准格尔旗26410-1340-5170002桌子山煤田乌海、鄂托克379.26-11.64017003大青山煤田土右旗209.12-11.94010004合计3219700表1内蒙古自治区煤铝共生矿产的分布与开采情况课题背景1、内蒙古煤铝共生资源开发利用情况及高铝粉煤灰的产生这些宝贵的煤铝共生矿物资源并未得到科学合理的开发利用，不仅造成了我国紧缺的含铝矿物资源的大量浪费，而且粉煤灰的运输和大量囤积产生了严重的占地和环境污染问题。图2内蒙古大唐国际托克托电厂储灰场课题背景2、我国的铝土矿资源危机近年来，随着我国铝工业的高速发展，铝土矿和氧化铝供应短缺的矛盾日益突出。储量少人均占有量少分布不均不能满足我国铝工业的发展需求，尤其是能源丰富且适宜发展电解铝工业的内蒙、宁夏、青海、新疆等西部地区，因缺乏天然铝土矿资源，氧化铝全部依赖外购。课题背景3、高铝粉煤灰的资源特性极其作为氧化铝提取对象的可能性SiO2Al2O3TFeOMgOCaONa2OK2OTiO2MnO2P2O5(Cl)LOITotal37.848.52.270.313.620.150.361.640.0120.150.284.9199.76表2高铝粉煤灰主要元素氧化物的百分含量（wt%）表3X衍射定量分析结果（wt%）分析结果莫来石刚玉玻璃相611425远大于普通粉煤灰的平均值——27.1wt%以非晶态SiO2为主，其中的SiO2/Al2O3（质量比）高达12.3课题背景3、高铝粉煤灰的资源特性极其作为氧化铝提取对象的可能性添加文本提高粉煤灰的利用水平，实现这类宝贵资源的高附加值利用铝土资源危机粉煤灰提取氧化铝实现这类粉煤灰的大量“消化”，从而克服以往我国粉煤灰综合利用的一大瓶颈课题背景3、高铝粉煤灰的资源特性极其作为氧化铝提取对象的可能性添加文本与铝土矿相比，粉煤灰颗粒细，硬度低，这样就能免去繁杂的选矿和破碎工序，这也是粉煤灰提取氧化铝的优势之一。高铝粉煤灰的Al/Si虽然低于碱石灰烧结法所适用的中低品位铝土矿，但经过预先脱硅处理之后，Al/Si会明显提高并与铝土矿接近。严密地研究论证表明，采用适当的技术方案从这类高铝粉煤灰中提取Al2O3，在技术上、环保上、经济效益和社会效益上都是可行的。课题背景4、本项目总的技术路线高铝粉煤灰预脱硅分离与洗涤生料浆制备熟料溶出一段脱硅种分成品过滤焙烧氧化铝主产品蒸发活性硅酸钙制备活性硅酸钙副产品NaOH溶液脱硅液脱硅粉煤灰石灰石无烟煤熟料烧结烟煤电石渣硅钙渣脱碱硅钙渣副产品二段脱硅碳分蒸发去溶出和生料浆制备工序课题研究内容图3调配槽φ6000*6000附电机N=22KW液面高度1-4.4m转速36r/min温度70-80℃固含350-450g/L调配槽课题研究内容由于翼形轴流式搅拌桨（CBY搅拌桨）所产生的剪切温和、轴向速度大、主体循环好，易形成体系的整体循环，而且当搅拌槽高与槽径之比较大时，通常采用多层桨搅拌，以保证槽内有良好的混合。因此调配槽中采用的是双层翼形轴流式搅拌桨。本课题针对预脱硅工艺段调配槽的搅拌装置进行研究。预脱硅前Al2O3平均含量48.4%SiO2平均含量41.2%Al/Si1.17预脱硅后Al2O3平均含量56.43%SiO2平均含量28.4%Na2O4.645Al/Si1.99SiO2平均脱除率：41%NaOH回收率：95%课题研究内容但是目前调配槽的搅拌装置存在一些问题。比如：搅拌不均匀；负荷比较高；由于槽下部沉降固体颗粒较多导致搅拌桨无法转动需要停产检修；过低的液位会使得上部搅拌桨起不到很好的作用。图4搅拌桨课题研究内容本课题拟从上述问题出发，对现有搅拌槽进行如下研究：①流场是否存在滞留区以及滞留区的大小；②速度场分布及其不均匀度；③剪切速率分布及其不均匀度；④固体颗粒浓度分布及其不均匀度；⑤搅拌桨各层搅拌功率及总搅拌功率；⑥流型特点。课题研究内容课题目标运用数值模拟以及小试实验对调配槽中搅拌装置进行研究，通过对搅拌桨形式、尺寸、布置位置以及转速的调节达到以下目标：①优化搅拌效果；②减小功率消耗；③为搅拌器的放大提供依据。实验数据预脱硅工艺段物料物性数据的实验测试1、实验室配置物料测试（1）未脱硅粉煤灰浆液①粘度（测试40℃-80℃之间的粘温曲线）35404550556065707580859095100105110115120黏度/mPa·s温度/℃剪切速率1400s-1图5未脱硅粉煤灰浆液粘温曲线实验数据预脱硅工艺段物料物性数据的实验测试②流变性（剪切力—应变之间的曲线，在40、50、60℃下，分别测试该流体的流变特性）05001000150020000306090120150黏度/mPa·s剪切速率/s-140℃50℃60℃图6未脱硅粉煤灰浆液剪切速率粘度曲线实验数据预脱硅工艺段物料物性数据的实验测试③细化程度（未脱硅粉煤灰浆液，NK=110-140g/L，液固比为3。用160gNaOH，1L蒸馏水，原灰333g配得，控制温度为45℃。每次取50mL测粘度以及铝硅比和粒径，过滤用25mL热水水洗3次），实验结果如下：实验数据预脱硅工艺段物料物性数据的实验测试a、铝硅含量调配时间SiO2%Al2O3%原灰37.2653.5610min37.8951.1330min38.5951.631h38.5951.632h36.3351.504h37.8152.008h35.6352.0612h35.8652.63实验数据预脱硅工艺段物料物性数据的实验测试b、粒径变化（温度60℃）时间比表面积表面平均粒径体积平均粒径d0.1d0.5d0.910m0.5411.10858.3077.17238.192137.96530m0.56310.66353.6726.87535.099126.2531h0.5411.10656.8027.14337.000133.7132h0.54511.01453.4467.19135.101125.2764h0.52411.44453.7087.46236.480123.4408h0.54511.00149.6637.15234.218112.70812h0.6349.45841.2415.79328.59494.315实验数据预脱硅工艺段物料物性数据的实验测试（2）脱硅粉煤灰浆液①粘度（在80-95℃之间测试粘温曲线）80.082.585.087.590.092.595.09095100105110115120黏度/mPa·s温度/℃剪切速率1300s-1图7脱硅粉煤灰浆液粘温曲线实验数据预脱硅工艺段物料物性数据的实验测试②流变性（剪切力—应变之间的曲线，在80、85、90℃下，分别测试该流体的流变特性）图8脱硅粉煤灰浆液剪切速率粘度曲线0200400600800100012001400160018002000020406080100120140160黏度/mpa·s剪切速率/s-180℃85℃90℃实验数据预脱硅工艺段物料物性数据的实验测试③沉降速度图9脱硅粉煤灰浆液沉降速度曲线0510152025300.000.020.040.060.08沉降速度/ml·s-1时间/min实验数据预脱硅工艺段物料物性数据的实验测试2、现场取样测试（1）未脱硅粉煤灰浆液①粘度（测试40℃-80℃之间的粘温曲线）图10未脱硅粉煤灰浆液粘温曲线实验数据预脱硅工艺段物料物性数据的实验测试②流变性（剪切力—应变之间的曲线，在40、50、60℃下，分别测试该流体的流变特性）图11未脱硅粉煤灰浆液剪切速率粘度曲线实验数据预脱硅工艺段物料物性数据的实验测试③沉降速度图12未脱硅粉煤灰浆液沉降速度曲线实验数据预脱硅工艺段物料物性数据的实验测试（2）脱硅粉煤灰浆液①粘度（在80-95℃之间测试粘温曲线）图13脱硅粉煤灰浆液粘温曲线实验数据预脱硅工艺段物料物性数据的实验测试②流变性（剪切力—应变之间的曲线，在80、85、90℃下，分别测试该流体的流变特性）图14脱硅粉煤灰浆液剪切速率粘度曲线研究方法（一）数值模拟搅拌槽内流场的数值模拟主要包括桨叶内部和桨叶以外两个部分,需充分考虑这两个部分流动的相互影响从而实现槽内流场的整体模拟。本文拟在CFX软件平台上采用旋转坐标系和k-ε双方程湍流模型计算搅拌槽内流体的流动状态并对该计算结果进行可视化和定量的数值计算结果分析。研究方法CFD研究方法黑箱模型法动量源法内外迭代法多重参考系法滑移网格法动网格法仍旧需要通过实验来确定几何边界；一套边界条件只能用于相似的几何体系；不能获得桨叶附近流场的详细信息只对于定常流动有意义，而且旋转速度必须是常数滑移网格法是一种非稳态模拟方法，但是对内存、CPU速度都有比较高的要求，另外即便采用很高的网格密度，对湍流动能的预测仍然严重偏低研究方法（一）数值模拟1、数学模型建立固液两相流数学模型采用欧拉-欧拉多相流模型进行数值模拟分析2、物理模型选用多重参考系法，将各个计算区域分成互不重叠的圆筒状和圆柱状区域，设定区域分别为静止和旋转坐标系，搅拌桨相对内部子区域静止，实现搅拌桨的旋转。研究方法（二）小试实验根据相似准则，等比例缩小实际搅拌装置，建立φ120mm的小型调配槽，槽壁材质为有机玻璃，搅拌桨材质为不锈钢。通过实验观察、测量以下内容：固体颗粒分布情况（可加入示踪粒子）；搅拌功率测量；搅拌流场速度分布测量。时间安排数值模拟方法的完善，模型的建立以及验证；2012.11-122013.01-032013.04-072013.08-112013.12-2014.06研究不同模拟参数对模拟结果的影响；完成小试实验的建立，并将实验结果与模拟结果做对比，对数值模拟进行验证；完成小论文的撰写；撰写学位论文，完成毕业答辩工作。