楊開國 張 麗

(中國鋁業(yè)山東分公司， 山東 淄博 255051)

設(shè)備節(jié)能

低溫多效橫管蒸發(fā)器在氧化鋁生產(chǎn)中的應(yīng)用

楊開國 張 麗

(中國鋁業(yè)山東分公司， 山東 淄博 255051)

對比了傳統(tǒng)蒸發(fā)器和低溫多效橫管蒸發(fā)器的特點，詳細(xì)介紹了低溫多效橫管蒸發(fā)器在某氧化鋁廠氧化鋁生產(chǎn)中的建設(shè)規(guī)模、工藝參數(shù)、工藝及物料流程及主要設(shè)備和節(jié)能效果。

MVR系統(tǒng)； 低溫多效； 蒸發(fā)器

換熱設(shè)備被冶金、化工以及其他工業(yè)廣泛使用。它適用于冷卻、冷凝、加熱、蒸發(fā)和廢熱回收等多個方面。作為換熱設(shè)備的一種，蒸發(fā)器在氧化鋁生產(chǎn)中使用廣泛。蒸發(fā)器能耗在氧化鋁生產(chǎn)成本中約占5%左右，故探討在一定工況條件下經(jīng)濟(jì)有效的蒸發(fā)系統(tǒng)以降低氧化鋁生產(chǎn)能耗，有利于提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

1 傳統(tǒng)蒸發(fā)器

1.1 單效和多效蒸發(fā)器

傳統(tǒng)蒸發(fā)器按效數(shù)可分為單效和多效兩種。單效蒸發(fā)器由立管式加熱器、蒸發(fā)器、冷凝器、真空系統(tǒng)及管道閥門等組成，其中真空系統(tǒng)可采用水力噴射器或真空泵。該設(shè)備適用于小批量、多品種的熱敏性物料低溫真空濃縮蒸發(fā)，其特點是：采用真空濃縮流程；回收能力大，蒸發(fā)速度快，濃縮比可達(dá)1∶3，清洗方便，操作簡單；占地面積小。

多效蒸發(fā)器是將兩個或兩個以上單效蒸發(fā)器串聯(lián)在一起組成的。串聯(lián)的方式又分為并流、逆流、平流三種，其特點是：一次蒸汽多次利用，蒸汽消耗量低；設(shè)備緊湊占地面積??；蒸發(fā)速度快，受熱時間短，不易結(jié)垢，便于清洗；利用真空蒸發(fā)可滿足熱敏性物料的濃縮要求；無跑料現(xiàn)象，產(chǎn)品得率高。

1.2 循環(huán)型和單程型蒸發(fā)器

傳統(tǒng)蒸發(fā)器按溶液在蒸發(fā)器中的運動狀況又可分為循環(huán)型和單程型。

循環(huán)型蒸發(fā)器是指沸騰溶液在加熱室中循環(huán)流動，多次通過加熱表面，如中央循環(huán)管式、懸筐式、外熱式、列文式和強(qiáng)制循環(huán)式等。

單程型蒸發(fā)器是指沸騰溶液在加熱室中一次通過加熱表面，不作循環(huán)流動，即行排出濃縮液，如升膜式、降膜式、攪拌薄膜式和離心薄膜式等。

2 低溫多效橫管蒸發(fā)器的工藝及優(yōu)點

2.1 低溫多效橫管蒸發(fā)器組成

2.1.1 MVR系統(tǒng)

MVR系統(tǒng)的基本原理是利用壓縮機(jī)壓縮蒸發(fā)器中原本需要用冷卻水冷凝的二次蒸汽，經(jīng)壓縮機(jī)壓縮后提高其壓力和飽和溫度，使其與料液產(chǎn)生一定傳熱溫差后再送入蒸發(fā)器作為熱源來加熱料液，二次蒸汽的潛熱得到了充分利用，達(dá)到了節(jié)能目的。

蒸汽機(jī)壓縮機(jī)選用羅茨式壓縮機(jī)，其具備以下優(yōu)點：一是壓縮比高，穩(wěn)定可靠；二是轉(zhuǎn)數(shù)遠(yuǎn)低于離心式壓縮機(jī)，故機(jī)械損耗小，使用壽命長，維修量低。

2.1.2 低溫多效(MED)橫管降膜蒸發(fā)器

低溫多效橫管降膜蒸發(fā)器是在國際先進(jìn)的海水淡化技術(shù)基礎(chǔ)上再創(chuàng)新的成果。每效溫差僅為2.5～3℃，是傳統(tǒng)的豎管降膜蒸發(fā)器(相同面積下每效溫差7～9℃)的1/3，同用溫升為10℃的蒸汽壓縮機(jī)，傳統(tǒng)豎管降膜蒸發(fā)器只能做一效循環(huán)，而低溫多效橫管降膜蒸發(fā)器可以做三效循環(huán)，其蒸發(fā)量為前者3倍，而同樣蒸發(fā)量時，其蒸汽壓縮機(jī)的排量只是前者的1/3，故其電力消耗也只有前者1/3。因此，此項工藝為降低系統(tǒng)每噸蒸發(fā)量電耗至25 kW·h提供了有力技術(shù)支撐。

2.2 低溫多效橫管蒸發(fā)器優(yōu)點

低溫多效蒸發(fā)器具以下優(yōu)點：

(1)節(jié)能效果顯著，比傳統(tǒng)蒸發(fā)器可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤85%以上。

(2)無需蒸汽加熱，只需適當(dāng)電能就能維持蒸發(fā)。

(3)加熱器同時又是二次蒸汽的冷凝器，所以無需額外冷凝器，而且無需循環(huán)冷卻水。

(4)占地面積小，操作人員少，配套的公用工程項目少。

(5)操作穩(wěn)定可靠，全系統(tǒng)可進(jìn)行組態(tài)控制，高度自動化。

(6)在40～100 ℃范圍內(nèi)任意設(shè)定蒸發(fā)溫度，特別適合有熱敏性質(zhì)的物料濃縮或結(jié)晶；在低溫蒸發(fā)狀態(tài)下無需冷卻水，節(jié)省投資。

3 低溫多效橫管蒸發(fā)器在氧化鋁生產(chǎn)中的應(yīng)用

3.1 建設(shè)規(guī)模和工藝參數(shù)

設(shè)計進(jìn)料處理量52 m3/h，蒸發(fā)量50 m3/h，出料濃度200 g/L(以Na2O計)，蒸發(fā)溫度59～68 ℃，出料溫度65 ℃，二次蒸汽溫度59 ℃，二次蒸汽增壓后溫度68 ℃，傳統(tǒng)溫差9 ℃，蒸汽壓縮機(jī)軸功率670 kW，各原料泵、出料泵、冷凝水抽出泵、真空泵總功率220 kW，其他用電功率30 kW。

此項目中，蒸發(fā)母液的主要溶質(zhì)為Na2CO3，來料溫度為80 ℃,濃度為14.2 g/L(以Na2O計為8.3 g/L)，要求濃縮至200 g/L(以Na2O計)，總蒸發(fā)量為50 m3/h。在本工藝中，蒸發(fā)過程中無結(jié)晶，無機(jī)械雜質(zhì)析出，pH值為10.68。

由于最終濃縮液中無晶體析出，綜合考慮物料的特性、能耗、占地面積以及工藝的復(fù)雜程度等因素，該項目擬采用MVR系統(tǒng)耦合降膜蒸發(fā)器組成蒸發(fā)濃縮單元。

3.2 蒸發(fā)流程

本系統(tǒng)由國際先進(jìn)的低溫多效與機(jī)械蒸汽再壓縮復(fù)合工藝(MED+MVR)系統(tǒng)、自控系統(tǒng)等構(gòu)成，工藝流程見圖1，簡述如下：

(1) 80 ℃的蒸發(fā)母液首先從原料罐經(jīng)原料泵泵入三效蒸發(fā)、冷凝器。蒸發(fā)器內(nèi)的負(fù)壓會造成閃蒸效應(yīng)，有少量低溫蒸汽逸出，經(jīng)蒸汽壓縮機(jī)壓縮，使蒸汽溫度上升為一效的入口溫度。通過一效的換熱管將潛熱交與二效進(jìn)來的濃縮液使之汽化，產(chǎn)生二次蒸汽，一次蒸汽自身冷凝成水。

(2) 一效的二次蒸汽又作為二效的一次蒸汽，通過二效的換熱管將潛熱交與三效進(jìn)來的濃縮液使之汽化，產(chǎn)生二次蒸汽，二效的一次蒸汽冷凝成水。

(3) 二效的二次蒸汽又作為三效的一次蒸汽，通過三效的換熱管將潛熱交與原料泵進(jìn)來的原料液使之汽化，產(chǎn)生二次蒸汽，再被蒸汽壓縮機(jī)壓縮升溫，如此循環(huán)。濃縮液經(jīng)三次濃縮后再經(jīng)出料泵排出，達(dá)到200 g/L的產(chǎn)品濃度要求。

設(shè)備啟動系統(tǒng)需30 min左右達(dá)到熱平衡。過程中通過控制各濃縮液加壓泵的流量，可以方便地控制蒸發(fā)量和蒸發(fā)速度，精確調(diào)整產(chǎn)品液濃度，使之達(dá)到設(shè)計要求。系統(tǒng)的壓力、溫度、液位、流量及密度均可自動控制，操作過程可靠簡便。

圖例：①、②、③—Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ效蒸發(fā)器 ④—換熱器 ⑤—真空泵 ⑥—壓縮機(jī) ⑧—出料泵 ⑨—冷凝水泵 —進(jìn)料泵 、—換熱器 、—過料泵圖1 低溫多效橫管蒸發(fā)器工藝流程圖

3.3 物料流程

由于采用低溫多效橫管降膜蒸發(fā)器，全系統(tǒng)工作溫度為59～68 ℃，原料液無需預(yù)熱，可直接泵入系統(tǒng)蒸發(fā)(考慮維持系統(tǒng)的穩(wěn)定性和原料液溫度的穩(wěn)定，增加一個電加熱物料儲罐做為備用，其交換效率在96%以上)。

每效二次蒸汽由捕沫器除沫后進(jìn)入下一效做為一次蒸汽，三效的二次蒸汽由蒸汽壓縮機(jī)壓縮后送至一效蒸發(fā)器通過換熱管釋放潛熱，各效的冷凝液通過冷凝水泵排出，也可根據(jù)需要通過板式換熱器回收余熱。

3.4 主要設(shè)備

3.4.1 換熱器

采用鈦合金TA2材質(zhì)，強(qiáng)度高，耐腐蝕，可確保30年不換管；采用國際先進(jìn)的彈性接口工藝；殼體與管板材質(zhì)為SUS316L。

3.4.2 真空系統(tǒng)

本系統(tǒng)在負(fù)壓狀態(tài)下運行，真空度由真空泵維持。真空系統(tǒng)選用水環(huán)真空泵加汽液分離器，具有吸氣均勻、工作平穩(wěn)可靠、操作簡單、維修方便等特點。為保證真空泵抽出的是不凝氣，必須在抽氣前對抽氣口的氣體進(jìn)行充分冷凝，因此系統(tǒng)只消耗少量的常溫冷卻水。

3.4.3 自動控制系統(tǒng)

自動控制系統(tǒng)由DCS自動化系統(tǒng)、操作員/工程師站及通信系統(tǒng)組成，采用了工業(yè)以太網(wǎng)通信連接方法?；赪INCC監(jiān)控的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的集成方案可根據(jù)用戶的生產(chǎn)需求非常方便地進(jìn)行擴(kuò)展。WINCC運行在WindowsNT操作系統(tǒng)下，可非常方便地通過網(wǎng)絡(luò)采用視窗化的界面監(jiān)視、控制當(dāng)前的生產(chǎn)過程、采集歷史數(shù)據(jù)、打印數(shù)據(jù)報表，并且可以進(jìn)行系統(tǒng)組態(tài)控制。同時現(xiàn)場所有溫度、壓力、流量、液位、密度及狀態(tài)信號可以通過SIMATICS7的輸入模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，經(jīng)過運算處理后，通過SIMATICS7輸出模塊將信號傳送到執(zhí)行機(jī)構(gòu)，從而完成開關(guān)聯(lián)動和報警控制。

3.4.4 現(xiàn)場參數(shù)的測量設(shè)備

溫度測量：現(xiàn)場顯示采用雙金屬溫度計，其它采用Pt100鉑熱電阻溫度計；

壓力測量：現(xiàn)場顯示采用不銹鋼壓力表，壓力變送器選用1151系列變送器；

流量測量：物料流量的測量采用電磁流量計；

液位測量：液位測量采用差壓變送器、液位變送器、玻璃管液位計；

密度測量：密度測量采用質(zhì)量流量計；

執(zhí)行器：采用氣動薄膜調(diào)節(jié)閥、氣動蝶閥、球閥；

電源：儀表用電AC220 V、+5%、-10%(單相)，由低壓配電室直接供給，與廠房照明、動力電源分開；

氣源：儀表用壓縮空氣壓力為0.6±0.1 MPa，露點應(yīng)比環(huán)境溫度下限值低；

接地：儀表工作接地應(yīng)單獨設(shè)置，接地電阻不大于4 Ω；儀表盤及PLC控制柜的保護(hù)接地可與低壓電氣設(shè)備的接地網(wǎng)相連，接地電阻不大于10 Ω。

4 節(jié)能效果

4.1 節(jié)能效益

低溫多效橫管蒸發(fā)器蒸發(fā)負(fù)荷為50 t/h，能源消耗量見表1。

表1 MVR蒸發(fā)器能源消耗

同等蒸發(fā)負(fù)荷的五效降膜管式蒸發(fā)器，能源消耗量見表2。

表2 五效降膜管式蒸發(fā)器能源消耗

按蒸汽0.108 6 tce/t、電1.229 tce/萬kW·h、冷卻水0.142 9 kgce/m3，年運行時間8 000 h計算，低溫多效橫管蒸發(fā)器與五效降膜管式蒸發(fā)器年能源消耗見表3，其節(jié)能率達(dá)到93.55%。

4.2 環(huán)保效益

五效降膜管式蒸發(fā)器年耗標(biāo)準(zhǔn)煤：

表3 低溫多效橫管蒸發(fā)器與五效降膜管式蒸發(fā)器年能源消耗

200×1.229+12×0.108 6×10 000+560×0.142 9÷1 000×10 000=14 078 tce

低溫多效橫管蒸發(fā)器年耗標(biāo)準(zhǔn)煤：

736×1.229+2×0.142 9÷1 000×10 000=907.4 tce

該項目年實現(xiàn)節(jié)能量：14 078-907.4=13 170.6 tce

參考國家發(fā)改委推薦計算1 t標(biāo)準(zhǔn)煤排放CO22.62 t、SO28.5 kg、氮氧化物7.4 kg，該項目年減排CO234 507 t、SO2112 t、氮氧化物97 t。

5 結(jié)束語

在氧化鋁生產(chǎn)實踐中低溫多效橫管蒸發(fā)器與傳統(tǒng)蒸發(fā)器相比，工藝更加先進(jìn)。該系統(tǒng)實現(xiàn)了系統(tǒng)自動化控制、蒸發(fā)溫度可控，而且減少了投資，大幅降低了能耗，不僅提高了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，而且減少了污染，取得了一定的社會效益。

但低溫多效橫管蒸發(fā)器目前僅在制藥行業(yè)應(yīng)用較多，但其產(chǎn)能偏低。國內(nèi)蒸發(fā)器制造廠家還無法制造蒸發(fā)產(chǎn)能更大的低溫多效橫管蒸發(fā)器，故應(yīng)該加大研發(fā)力度，早日實現(xiàn)其國產(chǎn)化。

[1] 《管殼式換熱器》 GB151—1999.

[2] 《化工裝置設(shè)備布置設(shè)計規(guī)定》 HG/T 20546—2009.

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Application of Low-temperature Multi-effect Evaporator in Alumina Production

YANG Kai-guo, ZHANG Li

This paper compares the characteristics of traditional evaporator and low-temperature multi-effect evaporator, and introduces the application of the low-temperature multi-effect evaporator in an alumina plant in details, such as evaporator capacity, process parameters, process and mass flow, main equipment and energy saving effect.

MVR system； Low-temperature multi-effect； evaporator

2013-11-26

楊開國(1972—)，男，湖南醴陵人，大學(xué)本科，工程師，能源管理師，主要從事節(jié)能管理工作。

TF821

B

1008-5122(2014)03-0017-04