劉有奇

(永城職業(yè)學(xué)院, 河南 永城 476600)

提高管式降膜蒸發(fā)器在拜耳法生產(chǎn)氧化鋁中的運(yùn)行效率

劉有奇

(永城職業(yè)學(xué)院, 河南 永城 476600)

對(duì)管式降膜蒸發(fā)器在拜耳法生產(chǎn)氧化鋁中的應(yīng)用進(jìn)行研究，分析了原液溫度、蒸發(fā)器結(jié)疤、加熱室面積等對(duì)管式降膜蒸發(fā)器蒸發(fā)效率的影響。通過(guò)優(yōu)化改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了管式降膜蒸發(fā)器低單耗、高蒸水量、高泛汽質(zhì)量的高效運(yùn)行。

拜耳法； 氧化鋁； 管式降膜蒸發(fā)器； 蒸汽單耗； 蒸水量； 泛汽質(zhì)量

0 前言

蒸發(fā)器是拜耳法生產(chǎn)氧化鋁中非常重要的設(shè)備，其作用是使循環(huán)母液中多余的水分蒸發(fā)，得到合格的母液[1]。山東鋁業(yè)公司氧化鋁廠在二期生產(chǎn)中投入了一組六效四閃管式降膜蒸發(fā)器，設(shè)計(jì)蒸發(fā)水量160 t/h，噸水汽耗量0.3 t。母液蒸發(fā)是拜耳法生產(chǎn)氧化鋁中液量平衡的重要手段，該廠實(shí)際生產(chǎn)中管式降膜蒸發(fā)器平均運(yùn)轉(zhuǎn)率達(dá)到96%以上，每次對(duì)其進(jìn)行酸洗時(shí)都會(huì)影響生產(chǎn)的正常運(yùn)行[2]，并且管式降膜蒸發(fā)器還是拜耳法生產(chǎn)氧化鋁中的耗氣大戶。因此提高管式降膜蒸發(fā)器的運(yùn)行效率，降低其汽耗對(duì)企業(yè)的生產(chǎn)具有重大意義。

1 管式降膜蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)和工作原理

管式降膜蒸發(fā)器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳熱效率高、容易維修、運(yùn)行穩(wěn)定等特點(diǎn)，其主要由加熱室、分離室、進(jìn)料口、加熱蒸汽進(jìn)口、冷凝水出口、二次蒸汽出口、循環(huán)液出口、完成液出口構(gòu)成，見(jiàn)圖1。

1—加熱室；2—分離室；3—進(jìn)料口；4—加熱蒸汽進(jìn)口；5—冷凝水出口；6—二次蒸汽出口；7—循環(huán)液出口；8—完成液出口圖1 管式降膜蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)示意圖

六效四閃管式降膜蒸發(fā)工藝是目前國(guó)內(nèi)拜耳法氧化鋁生產(chǎn)中循環(huán)母液蒸發(fā)濃縮的主流技術(shù)[3]，即第Ⅰ效和第Ⅱ效直接預(yù)熱、六效逆流四級(jí)閃蒸的作業(yè)方式。鋁酸鈉溶液通過(guò)強(qiáng)制循環(huán)泵由加熱室頂端加入，經(jīng)液體分布器均勻流入到加熱管內(nèi)，與加熱管外側(cè)的蒸汽進(jìn)行熱量交換被加熱至沸騰蒸發(fā)狀態(tài)。溶液在自身重力的作用下由上向下流動(dòng)，同時(shí)在氣流作用下蒸發(fā)汽化形成液膜進(jìn)入分離室進(jìn)行氣液分離。分離出的水蒸汽(二次蒸汽)經(jīng)過(guò)分離室上部的霧沫分離器逸出，送往下一效并作為熱源。溶液一部分從下料口經(jīng)循環(huán)泵送入加熱室頂部的液體分布器，重新布料循環(huán)蒸發(fā)，另一部分溶液被送往上一效在更高的溫度和壓力環(huán)境下進(jìn)一步濃縮。經(jīng)過(guò)第Ⅵ效到第Ⅰ效多級(jí)加壓蒸發(fā)的溶液，再送入閃蒸罐經(jīng)過(guò)四級(jí)閃蒸、降溫和降壓，最終得到濃縮的蒸發(fā)母液。

2 管式降膜蒸發(fā)器運(yùn)行效率影響因素分析

蒸發(fā)是氧化鋁生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，也是影響管式降膜蒸發(fā)器產(chǎn)能發(fā)揮的關(guān)鍵[4]。實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)顯示，拜耳法氧化鋁生產(chǎn)中蒸發(fā)汽耗占整個(gè)蒸發(fā)器能耗成本的76%～80%，占氧化鋁生產(chǎn)能耗的20%～24%，占生產(chǎn)成本的9%～11%。因此降低蒸發(fā)汽耗是降低蒸發(fā)成本的主要手段。由于管式降膜蒸發(fā)器蒸發(fā)出的泛汽水質(zhì)量直接關(guān)系到泛汽水的循環(huán)利用，所以還必須保障泛汽水質(zhì)量達(dá)標(biāo)，也就是含堿量達(dá)標(biāo)，確保蒸發(fā)器最終外排的泛汽不帶堿。

2.1 原液溫度的影響

拜耳法氧化鋁生產(chǎn)中，當(dāng)蒸汽壓力控制在0.5～0.55 MPa時(shí)，不同原液溫度對(duì)應(yīng)的蒸汽單耗見(jiàn)表1。

表1 原液溫度與蒸汽單耗對(duì)應(yīng)表

可以看出，蒸發(fā)原液溫度越高，管式降膜蒸發(fā)器的蒸汽單耗越低。因此提高蒸發(fā)原液的溫度是降低蒸汽單耗的有效途徑之一。而蒸發(fā)原液的溫度主要受種分精液換熱器和附聚換熱器的影響，種分精液以及料漿在實(shí)際生產(chǎn)中需要有效降溫以實(shí)現(xiàn)低溫分解，生產(chǎn)中可以通過(guò)提高換熱器的換熱面積和換熱效率提高原液溫度，同時(shí)降低精液與料漿溫度，達(dá)到降低蒸汽單耗的目的。

2.2 結(jié)疤的影響

該廠拜耳法生產(chǎn)氧化鋁的原料為國(guó)外典型的高鋁硅比三水鋁石型鋁土礦。母液在氧化鋁生產(chǎn)過(guò)程中不斷循環(huán)使用，隨著蒸發(fā)器的運(yùn)行，溶解在母液中的活性氧化硅不斷析出結(jié)疤，附著在蒸發(fā)器加熱室以及各管道的內(nèi)壁，嚴(yán)重阻礙蒸汽和原液的熱交換，使蒸汽的熱交換率下降，蒸汽單耗明顯升高。蒸發(fā)器內(nèi)壁結(jié)疤，嚴(yán)重影響蒸發(fā)器的運(yùn)行效率，必須定期清除。

2.3 加熱室面積的影響

管式降膜蒸發(fā)器的蒸水能力直接受加熱面積的影響。生產(chǎn)中隨著時(shí)間的延續(xù)，加熱室內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生結(jié)疤，影響加熱效果，并使蒸發(fā)器加熱面積縮小，從而影響蒸發(fā)器的蒸水量。因此在條件允許的情況下，應(yīng)增大加熱室面積，提高蒸發(fā)器的產(chǎn)能。

2.4 Ⅵ效跑堿的影響

管式降膜蒸發(fā)器運(yùn)行過(guò)程中，隨著六效共同進(jìn)料的量加大，進(jìn)料溫度的升高，Ⅵ效泛汽量明顯增大，物料沸騰劇烈，致使Ⅵ效的霧沫分離能力不足，最終出現(xiàn)Ⅵ效跑堿(Ⅵ效泛汽帶堿)現(xiàn)象。拜耳法生產(chǎn)氧化鋁的直接成本(原燃料費(fèi)及加工費(fèi))中，堿耗所占比例較大。因此，蒸發(fā)器運(yùn)行過(guò)程中，應(yīng)合理控制六效進(jìn)料，避免跑堿現(xiàn)象的發(fā)生。

3 改進(jìn)措施

3.1 調(diào)整原液溫度

該廠四區(qū)精液板式換熱器存在過(guò)料量小，堿煮周期短的問(wèn)題(剛堿煮完的精液板式換熱器使用一星期左右，過(guò)料量就降至100 m3/h以下)。隨著特材廠產(chǎn)量規(guī)模的增大和環(huán)境溫度的不斷上升，特別是27萬(wàn)t項(xiàng)目建成后，四區(qū)精液降溫能力和附聚降溫能力明顯不足，經(jīng)估算，精液降溫能力差近500 m2的換熱面積。

為了彌補(bǔ)換熱設(shè)施的不足，在精液槽北增加2臺(tái)200 m2螺旋板式換熱器、2臺(tái)精液泵(300 m3/h，揚(yáng)程55 m)和1臺(tái)母液泵(600 m3/h，揚(yáng)程75 m)，2臺(tái)精液泵分別對(duì)應(yīng)2臺(tái)螺旋板式換熱器。原液流經(jīng)精液槽送往母液槽或細(xì)種子混合槽之前，由增設(shè)的精液泵打入螺旋板式換熱器對(duì)原液進(jìn)行熱交換處理，同時(shí)借用現(xiàn)有的1#調(diào)配泵將部分精液送蒸發(fā)母液管道對(duì)原液進(jìn)行換熱蒸發(fā)，精液降溫設(shè)備改進(jìn)后的平面布置圖如圖2所示。

圖2 精液降溫設(shè)備改進(jìn)后平面布置圖(虛線為母液，實(shí)線為精液)

改進(jìn)后，增加的螺旋板式換熱器為精液降溫增加了400 m2的換熱面積。蒸發(fā)原液溫度由60 ℃提高到75 ℃，蒸汽單耗由0.31 t-汽/t-水降低至0.27t-汽/t-水。按管式降膜蒸發(fā)器蒸發(fā)水量160 t/h、運(yùn)轉(zhuǎn)率96%、蒸汽單價(jià)170元/t計(jì)算，年創(chuàng)造收益：

(0.31-0.27)×160×24×365×0.96×170=914.8萬(wàn)元

3.2 改進(jìn)結(jié)疤酸洗方式

原酸洗是通過(guò)酸儲(chǔ)罐直接往Ⅰ效注酸，然后摻配緩蝕劑，依次通過(guò)Ⅰ效→Ⅵ效→Ⅴ效→Ⅳ效→Ⅲ效→Ⅱ效進(jìn)行酸洗。采用這種方式酸洗后，蒸發(fā)器傳熱效果沒(méi)有太大改善，六效加熱管管壁上仍有不同程度的結(jié)疤殘留，影響蒸發(fā)器的傳熱，導(dǎo)致汽耗高、效率低[5]

對(duì)酸洗方式進(jìn)行改進(jìn)，一半酸通過(guò)酸儲(chǔ)罐往Ⅰ效注酸并摻配緩蝕劑，另一半酸通過(guò)酸儲(chǔ)罐往Ⅳ效注酸并摻配緩蝕劑，實(shí)現(xiàn)Ⅰ效→Ⅵ效→Ⅴ效和Ⅳ效→Ⅲ效→Ⅱ效同時(shí)酸洗。

酸洗方式改進(jìn)后，由于流程縮短，硫酸與結(jié)疤能夠更加充分地反應(yīng)，酸洗效果明顯改善。酸洗時(shí)間由6 h縮短至3 h。原酸洗方式的蒸汽單耗為0.31 t-汽/t-水，改進(jìn)后當(dāng)月蒸汽單耗為0.30 t-汽/t-水，每噸水節(jié)汽0.01 t。改造后下半年，蒸水量為44萬(wàn)t,蒸汽單價(jià)為170元/t，則下半年節(jié)約蒸汽的直接效益為：

440 000×0.01×170=74.8萬(wàn)元。

另外，在生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)蒸發(fā)器的電動(dòng)閥運(yùn)行一段時(shí)間后也會(huì)產(chǎn)生結(jié)疤經(jīng)常被卡，嚴(yán)重影響設(shè)備的正常運(yùn)行，而人工清理結(jié)疤有一定的困難，更換新的電動(dòng)閥成本太高。經(jīng)過(guò)生產(chǎn)試驗(yàn)，對(duì)蒸發(fā)器的4個(gè)電動(dòng)閥加設(shè)酸洗，降低了電動(dòng)閥被卡的故障率。

3.3 增加加熱室面積

該廠蒸發(fā)器崗位上原有一個(gè)強(qiáng)效蒸發(fā)器，加熱面積為560 m2,一直閑置未用。為進(jìn)一步提高蒸發(fā)器的加熱面積，將強(qiáng)效蒸發(fā)器并入現(xiàn)有的管式降膜蒸發(fā)器流程，具體方案為：①由于強(qiáng)效蒸發(fā)器與Ⅰ效的設(shè)計(jì)參數(shù)相同，因此將強(qiáng)效蒸發(fā)器和Ⅰ效并聯(lián)使用(最高承壓0.5 MPa，最高工作溫度160 ℃，正常工作壓力0.26 MPa，正常工作溫度140 ℃)；②Ⅱ效出來(lái)的100 ℃左右的原液直接進(jìn)入強(qiáng)效蒸發(fā)器，相比原進(jìn)料溫度高出40 ℃，溫差減小，達(dá)到強(qiáng)效蒸發(fā)器的控制條件，需要消耗的新蒸汽量更小，提高了能源利用效率；③Ⅱ效過(guò)料泵一直存在功率不足的問(wèn)題，由于液量增大已滿足不了生產(chǎn)的需要，故另增加一個(gè)泵，解決該問(wèn)題；④強(qiáng)效蒸發(fā)器本身的加熱面積較小，其液室相當(dāng)于一個(gè)閃蒸罐，可以為Ⅰ閃提供更加充足的泛汽，提高整個(gè)蒸發(fā)流程的熱利用率。工藝流程如圖3所示。

強(qiáng)效蒸發(fā)器的面積為560 m2,蒸水能力約20 t/h, 通過(guò)技術(shù)改進(jìn)，管式降膜蒸發(fā)器在原基礎(chǔ)上，加熱面積增加了560 m2，蒸水量增加了20 t/h，蒸發(fā)器總蒸水量由140 t/h提高至160 t/h，從而滿足了50萬(wàn)t/a氧化鋁生產(chǎn)規(guī)模的需要。

3.4 解決Ⅵ效跑堿問(wèn)題

原六效同時(shí)進(jìn)料的生產(chǎn)工藝，導(dǎo)致原液運(yùn)行至第Ⅵ效時(shí)由于溫度升高霧沫分離不足，經(jīng)常出現(xiàn)跑堿現(xiàn)象。為了避免Ⅵ效跑堿現(xiàn)象的發(fā)生，并降低六效整體泛汽量，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的生產(chǎn)摸索，決定調(diào)整進(jìn)料方式，降低Ⅵ效的進(jìn)料量，改變前五效進(jìn)料比例，并確保冷凝器工作正常，以解決跑堿問(wèn)題。具體方案如下：

圖3 強(qiáng)效蒸發(fā)器與管式降膜蒸發(fā)器并入流程圖

(1)在正常生產(chǎn)情況下，當(dāng)進(jìn)料量為480 m3/h時(shí)，前五效蒸發(fā)器產(chǎn)生的泛汽都不帶堿，而第Ⅵ效泛汽帶堿到達(dá)0.5 g/L，帶堿問(wèn)題嚴(yán)重。為此，將進(jìn)料方式調(diào)整為Ⅴ效、Ⅵ效各進(jìn)料50%，很好地緩解Ⅵ效霧沫分離能力不足的問(wèn)題，避免跑堿現(xiàn)象的發(fā)生。

(2)當(dāng)對(duì)第Ⅵ效抽真空，其真空度與大氣冷凝器真空度存在約-5 kPa的差值時(shí)(理論上兩者真空值應(yīng)該一致)，則判斷大氣冷凝器蓖板堵塞，必須在酸洗的同時(shí)打開(kāi)大氣冷凝器的孔門(mén)進(jìn)行檢查清理。

(3)在霧沫分離室噴淋設(shè)施尚未投入使用之前，可臨時(shí)使用冷凝水進(jìn)行噴淋以改善霧沫分離效果。

(4)工藝參數(shù)控制：水壓2.3～2.5 kg；噴淋頻次第4小時(shí)一次，一次5 s，每效間隔40 min；噴淋順序Ⅰ效-Ⅱ效-Ⅲ效-Ⅳ效-Ⅴ效-Ⅵ效。

改進(jìn)后，Ⅵ效泛汽含堿由原來(lái)的0.5 g/L降低至0.1 g/L，效果明顯。

4 結(jié)論

在拜耳法生產(chǎn)氧化鋁的實(shí)踐中，通過(guò)提高原液溫度、優(yōu)化加熱管結(jié)疤酸洗工藝、增大加熱室面積等一系列改進(jìn)措施，降低了管式降膜蒸發(fā)器的汽耗，提高了其運(yùn)行效率。只有不斷探索和總結(jié)，強(qiáng)化技術(shù)管理，才能降低生產(chǎn)成本，實(shí)現(xiàn)氧化鋁生產(chǎn)中的節(jié)能減排。

[1] 畢詩(shī)文.氧化鋁生產(chǎn)工藝[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2006.

[2] 滿永國(guó).拜耳法氧化鋁生產(chǎn)中蒸發(fā)工段的節(jié)能研究[A]. 第十五屆中國(guó)科協(xié)年會(huì)論文集[C]，2013.

[3] 宋治林.不同氧化鋁生產(chǎn)方法與蒸發(fā)裝置選擇分析[J].輕金屬，2012，(7)：17-19.

[4] 胡運(yùn)忠.管- 板式降膜蒸發(fā)器在氧化鋁生產(chǎn)中的應(yīng)用研究[J].化工技術(shù)與開(kāi)發(fā)，2012，(8)：51-53.

[5] 陳昕.降低管式降膜蒸發(fā)器汽耗的探討與應(yīng)用[J].冶金經(jīng)濟(jì)與管理，2014，(3):39-41.

Study on improving operation efficiency of tubular falling-film evaporator in alumina production with Bayer process

LIU You-qi

In this paper, the application of tubular falling-film evaporator in the alumina production with Bayer process is expounded. The impact of raw solution temperature, evaporator build-up and heating chamber area on the operation efficiency of tubular falling-film evaporator are analyzed. After the optimization and improvement, the high-efficiency operation of tubular falling-film evaporator with low unit consumption, large water evaporation and high exhaust steam quality can be realized.

Bayer process; alumina; tubular falling-film evaporator; unit steam consumption; water evaporation; exhaust steam quality

劉有奇(1982—)，男，陜西西安人，碩士，講師，研究方向：濕法冶金過(guò)程優(yōu)化控制。

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