李志國(guó)

(沈陽(yáng)鋁鎂設(shè)計(jì)研究院有限公司,遼寧 沈陽(yáng) 110001)

我國(guó)溶出最早采用原蘇聯(lián)50年代的技術(shù)和裝備進(jìn)行生產(chǎn),其中預(yù)熱部分采用列管式加熱器,停留部分采用壓煮溶出器;上世紀(jì)90年代先后投產(chǎn)的山西鋁廠和平果鋁廠引進(jìn)了法國(guó)彼施涅鋁業(yè)公司的“管道預(yù)熱-壓煮器加熱溶出”的間接加熱溶出技術(shù)及裝備,鄭州鋁廠引進(jìn)了德國(guó)VAW公司的“管道化間接加熱溶出”技術(shù)及裝備[1-3],這些工藝技術(shù)除了在溶出溫度和停留時(shí)間等工藝參數(shù)上有區(qū)別之外,主要區(qū)別是采用的設(shè)備形式不同,但都是采用料漿閃蒸二次汽對(duì)進(jìn)料料漿進(jìn)行間接預(yù)熱。

德國(guó)VAW公司的管道化溶出技術(shù)在常規(guī)的乏汽料漿換熱、熔鹽加熱、管道停留之前設(shè)置了一級(jí)末閃出料料漿與進(jìn)料低溫料漿的料料間接換熱,用以進(jìn)一步降低出料溫度,提高預(yù)熱溫度,改善溶出工序自身的熱效率[4]。采用高溫料漿直接預(yù)熱低溫進(jìn)料料漿,流程比較簡(jiǎn)單,不需要通過(guò)料漿閃蒸降溫,二次汽冷凝加熱低溫料漿的過(guò)程就實(shí)現(xiàn)了熱量從高溫料漿到低溫料漿的傳遞,但是簡(jiǎn)化流程的同時(shí)閃蒸降溫附帶的蒸水收益就沒(méi)有了,近幾年國(guó)內(nèi)部分氧化鋁廠取消了料漿閃蒸系統(tǒng),全部采用高溫料漿和低溫料漿換熱,那么這種流程的經(jīng)濟(jì)性如何呢?本文主要側(cè)重于從理論上分析了無(wú)閃蒸溶出流程相比有閃蒸流程的經(jīng)濟(jì)性,不考慮取消閃蒸對(duì)于投資的影響,以及是否有高效、經(jīng)濟(jì)的換熱設(shè)備清理方式,以期從原理上分析該技術(shù)路線的經(jīng)濟(jì)性,為廣大從業(yè)者借鑒。

1 理論分析

溶出就是在一定的溫度和堿濃度下,將礦石中的氧化鋁溶解到溶液中,并提供具有可以接受溶出分子比條件的溶出液供后續(xù)使用,具體的反應(yīng)如式(1)所示。

(1)

有無(wú)閃蒸對(duì)于溶出的影響主要體現(xiàn)在完成溶出過(guò)程后的堿濃度是否增加,無(wú)閃蒸溶出流程下,在不通過(guò)額外蒸發(fā)補(bǔ)充系統(tǒng)蒸水的條件下,溶出過(guò)程的堿濃度體系保持不變,此時(shí)對(duì)于溶出過(guò)程沒(méi)有直接影響,其影響主要體現(xiàn)在減少了赤泥洗滌用水;在通過(guò)蒸發(fā)過(guò)程補(bǔ)充蒸水的條件下,溶出過(guò)程的堿濃度增加,高堿濃度對(duì)于金屬腐蝕有害,但對(duì)于溶出過(guò)程總體來(lái)說(shuō)是有利的。

也就是說(shuō)從理論上來(lái)說(shuō)取消閃蒸過(guò)程對(duì)于溶出自身來(lái)說(shuō)是可以接受的,但是到具體項(xiàng)目上要根據(jù)取消閃蒸后的差異測(cè)算對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響,綜合評(píng)估投資和經(jīng)濟(jì)性。

2 流程簡(jiǎn)述

無(wú)閃蒸溶出的新蒸汽和新蒸汽冷凝水加熱、停留溶出流程和所采用的設(shè)備與有閃蒸溶出完全一致,停留溶出的高溫出料料漿返回預(yù)熱套管與進(jìn)料低溫原礦漿間接換熱,這是最主要的差別,之后從稀釋槽進(jìn)入后續(xù)工序,其工藝流程框圖如圖1所示。

圖1 無(wú)閃蒸溶出流程框圖

3 兩種流程對(duì)比

有閃蒸和無(wú)閃蒸溶出兩種工藝流程的主要差異對(duì)比如表1所示。

表1 兩種溶出流程差異對(duì)比

兩種工藝由于換熱方式的差異,造成了對(duì)于系統(tǒng)的不同影響:

(1) 有無(wú)閃蒸,最直觀的變化就是,無(wú)閃蒸溶出流程取消了料漿閃蒸槽、二次汽冷凝水閃蒸槽及配套的蒸汽管道、閥門等,簡(jiǎn)化了流程,對(duì)于設(shè)備投資及運(yùn)行電耗的影響。

(2) 傳熱方式不同,會(huì)造成傳熱溫差、傳熱系數(shù)的變化,需要考察對(duì)于換熱設(shè)備投資和運(yùn)行功率的影響。

(3) 溶出不蒸水,如果不通過(guò)蒸發(fā)補(bǔ)充不足部分,則赤泥洗水同比例減少,增加了赤泥附損;如果通過(guò)蒸發(fā)補(bǔ)充減少的溶出蒸水部分,則溶出過(guò)程堿濃度提高,溶出進(jìn)料量降低,喂料泵功率降低,溶出汽耗降低,但同時(shí)蒸發(fā)汽耗增加。

4 無(wú)閃蒸對(duì)系統(tǒng)的影響分析

4.1 溶出汽耗

以某一具體的高濃度高溫溶出為例,系統(tǒng)有閃蒸流程,進(jìn)出溶出系統(tǒng)各部分熱量分項(xiàng)占比如表2所示。

表2 進(jìn)出溶出系統(tǒng)熱量分項(xiàng)占比

由表2可知,新蒸汽(扣除冷凝水回水)提供給溶出過(guò)程的熱量,主要用于料漿升溫,二次汽冷凝水帶走,化學(xué)反應(yīng)熱消耗和散熱損失,其中影響最為顯著的就是料漿離開溶出系統(tǒng)的溫度,在無(wú)閃蒸條件下,由于系統(tǒng)的堿濃度較低,造成沸點(diǎn)升較低,溶出出料料漿的溫度可以相對(duì)更低,更多的熱量在溶出系統(tǒng)內(nèi)部被二次利用,降低了溶出自身的汽耗;另外一個(gè)影響因素就是二次汽冷凝水,其對(duì)于溶出汽耗的影響,主要是離開溶出系統(tǒng)的溫度與料漿不同,在有閃蒸時(shí),二次汽冷凝水的溫度較低,更多的熱量被溶出自身二次利用,溶出汽耗相對(duì)較低,在考察某一具體過(guò)程的蒸汽消耗時(shí)需要進(jìn)行針對(duì)性的計(jì)算以確定以上兩個(gè)因素的綜合影響。

4.2 溶液沸點(diǎn)升

溶液的沸點(diǎn)升與溶液的堿濃度和溫度密切相關(guān),系統(tǒng)的堿濃度體系,以及在溶出過(guò)程中是否發(fā)生閃蒸改變堿濃度,都會(huì)對(duì)溶液的沸點(diǎn)升產(chǎn)生顯著的影響,沸點(diǎn)升反過(guò)來(lái)又會(huì)影響閃蒸二次蒸汽的溫度,進(jìn)而對(duì)傳熱溫差、傳熱面積產(chǎn)生影響,以某一具體項(xiàng)目為例,圖2～圖4分別列出了低溫溶出、低濃度高溫溶出和高濃度高溫溶出在有無(wú)閃蒸條件下各級(jí)閃蒸出料沸點(diǎn)升的變化。

圖2 低溫溶出各級(jí)閃蒸出料沸點(diǎn)升變化

圖3 低濃度高溫溶出各級(jí)閃蒸出料沸點(diǎn)升變化

圖4 高濃度高溫溶出各級(jí)閃蒸出料沸點(diǎn)升變化

由圖2～圖4分析可知,系統(tǒng)的堿濃度越高、溫度越高,沸點(diǎn)升越高,而高濃度高溫溶出條件下,相比低溫溶出,有無(wú)閃蒸過(guò)程對(duì)于各級(jí)閃蒸出料沸點(diǎn)升的影響最為顯著,最大達(dá)到了7℃。

4.3 傳熱溫差

由于傳熱過(guò)程由蒸汽冷凝傳熱變?yōu)榱蠞{和料漿逆流或順流傳熱,其傳熱溫差的計(jì)算方式有差異,以低溫溶出末閃匹配第一級(jí)預(yù)熱為例,進(jìn)行相關(guān)計(jì)算如下:

根據(jù)《傳熱學(xué)》[5],順流和逆流傳熱的對(duì)數(shù)溫差計(jì)算采用式(2)。

(2)

式中:Δtm——對(duì)數(shù)溫差,℃;

Δtmax——熱端溫差,℃;

Δtmin——冷端溫差,℃。

逆流傳熱對(duì)數(shù)溫差為:Δt1=[(120-88)-(112-79)]/ln[(120-88)/(112-79)]=32.50℃

并流傳熱對(duì)數(shù)溫差為:Δt2=[(120-79)-(112-88)]/ln[(120-79)/(112-88)]=31.74℃

蒸汽冷凝傳熱溫差為:

由蒸汽冷凝傳熱變?yōu)槟媪鱾鳠?傳熱溫差增加79%;變?yōu)椴⒘鱾鳠?傳熱溫差增加75%,對(duì)于傳熱過(guò)程來(lái)說(shuō)是比較有利的,無(wú)論是采用順流還是逆流對(duì)于對(duì)數(shù)傳熱溫差的增幅影響有限。傳熱溫差的差異,將帶來(lái)相同換熱效果下?lián)Q熱面積的差異,進(jìn)而影響換熱部分的投資和喂料泵功率。

4.4 傳熱系數(shù)

根據(jù)《化工原理》[6]中的方法,按照式(3)分別計(jì)算蒸汽冷凝換熱,料漿和料漿換熱的傳熱系數(shù)。

(3)

式中:αi、αo——管內(nèi)外側(cè)對(duì)流傳熱系數(shù),

W/(m2·℃);

Rsi、Rso——管內(nèi)外側(cè)污垢熱阻,

(m2·℃)/W;

b——厚度,m;

λ——熱導(dǎo)率,W/(m·℃)。

根據(jù)計(jì)算可知料漿和料漿傳熱系數(shù)/蒸汽冷凝傳熱系數(shù)等于65%,改為料漿和料漿換熱后對(duì)于傳熱過(guò)程來(lái)說(shuō)是不利的,傳熱系數(shù)降低35%。傳熱系數(shù)的差異,將帶來(lái)相同換熱效果下?lián)Q熱面積的差異,進(jìn)而影響換熱部分的投資和喂料泵功率的變化。

5 經(jīng)濟(jì)性分析

5.1 低溫溶出

5.1.1 系統(tǒng)總蒸水不變

采用無(wú)閃蒸流程后,溶出蒸水通過(guò)蒸發(fā)補(bǔ)充,保持系統(tǒng)總蒸水不變,此時(shí)各部分的蒸汽消耗見(jiàn)圖5。

圖5 各部分蒸汽消耗

由圖5分析可知,無(wú)閃蒸流程單純對(duì)比溶出自身汽耗是降低的,但是如果需要蒸發(fā)多蒸水則溶出和蒸發(fā)的總蒸汽消耗是增加的。

5.1.2 系統(tǒng)總蒸水降低

如果不考慮通過(guò)增加蒸發(fā)蒸水量來(lái)保持系統(tǒng)總蒸水不變,則全廠蒸水量下降,此時(shí)各部分的蒸汽消耗圖6。

圖6 各部分蒸汽消耗

此時(shí)溶出自身汽耗下降,溶出和蒸發(fā)總汽耗也下降,同時(shí)赤泥洗水減少,由此造成的赤泥附堿損失增加為6.86 kg/t-AO。按照蒸汽單價(jià)80元/t,片堿2624元/t計(jì)算,損失的堿成本為18元/t-AO,降低的蒸汽成本為1.28元/t-AO,此種運(yùn)行方式不經(jīng)濟(jì)。

5.2 高溫溶出

5.2.1 系統(tǒng)總蒸水不變

采用無(wú)閃蒸流程后,溶出蒸水通過(guò)蒸發(fā)補(bǔ)充,保持系統(tǒng)總蒸水不變,此時(shí)各部分的蒸汽消耗見(jiàn)圖7、圖8。

圖7 低濃度高溫溶出各部分蒸汽消耗

圖8 高濃度高溫溶出各部分蒸汽消耗

由圖7、圖8分析可知,無(wú)閃蒸流程單純對(duì)比溶出自身汽耗是降低的,但是如果需要蒸發(fā)多蒸水則溶出和蒸發(fā)的總蒸汽消耗是增加的。

5.2.2 系統(tǒng)總蒸水降低

如果不考慮通過(guò)增加蒸發(fā)蒸水量來(lái)保持系統(tǒng)總蒸水不變,則全廠蒸水量下降,此時(shí)各部分的蒸汽消耗見(jiàn)圖9、圖10。

圖9 低濃度高溫溶出各部分蒸汽消耗

圖10 高濃度高溫溶出各部分蒸汽消耗

由圖9、圖10分析可知,此時(shí)溶出自身汽耗下降,總蒸汽消耗也下降,但是赤泥洗水大幅度降低,赤泥洗水量和溶出蒸水量基本相當(dāng),此時(shí)無(wú)法運(yùn)行,因此不做增加附堿損失與蒸汽消耗之間的經(jīng)濟(jì)測(cè)算分析。在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中,不能將某一具體工廠所有高溫溶出生產(chǎn)線全部改為無(wú)閃蒸流程,此時(shí)對(duì)于赤泥洗滌的影響過(guò)大,生產(chǎn)上無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

6 結(jié)論及建議

在相同條件下,保持系統(tǒng)蒸水量不變,無(wú)閃蒸溶出流程相比有閃蒸溶出流程綜合蒸汽消耗更高;降低低溫溶出時(shí)全系統(tǒng)蒸水量,帶來(lái)的附堿損失高于降低蒸汽消耗的收益;高溫溶出時(shí),不采用蒸發(fā)補(bǔ)償系統(tǒng)蒸水不足的方案,對(duì)于赤泥洗水的影響過(guò)大,不具有可實(shí)施性。

(1) 單純從蒸汽消耗角度分析,無(wú)閃蒸流程在溶出工序的蒸汽消耗是降低的,但是從全廠的角度來(lái)看,蒸汽總消耗是增加的。

(2) 無(wú)閃蒸流程由于降低了系統(tǒng)的沸點(diǎn)升,可以允許出料溫度更低一些而不沸騰,由此帶來(lái)了溶出汽耗降低的可能性。

(3) 礦石品質(zhì)好,系統(tǒng)蒸水需求小的低溫溶出,為了簡(jiǎn)化流程可以考慮采用無(wú)閃蒸流程。

(4) 在產(chǎn)氧化鋁廠一般設(shè)計(jì)年限較長(zhǎng),換熱面積普遍不足,如果解決了套管結(jié)疤清洗問(wèn)題,可以用來(lái)作為補(bǔ)充溶出換熱面積不足的一個(gè)折中選項(xiàng)。