于水波　黎娜

【摘要】本文從工藝設(shè)計的角度出發(fā)，對七效管式降膜蒸發(fā)器在氧化鋁廠的應(yīng)用進(jìn)行模擬計算，結(jié)合生產(chǎn)需求和經(jīng)驗確定各效蒸發(fā)器的換熱面積、設(shè)備組成、布置方式。并考察此工程在山東某氧化鋁廠的實際應(yīng)用情況、運行指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

【關(guān)鍵詞】七效管式降膜蒸發(fā)器；氧化鋁；模擬；應(yīng)用

1、引言

近年來，我國氧化鋁行業(yè)經(jīng)歷了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，而發(fā)展的盡頭必定是飽和與過剩?，F(xiàn)在鋁行業(yè)的生產(chǎn)能力過剩，鋁產(chǎn)品價格下跌。2015年底，中央經(jīng)濟(jì)工作會議已經(jīng)把“去產(chǎn)能、去庫存、降成本”等作為經(jīng)濟(jì)工作的中心任務(wù)。在這種嚴(yán)峻的經(jīng)濟(jì)形勢下，淘汰規(guī)模小、成本高、技術(shù)落后的企業(yè)已經(jīng)成為一種趨勢。我國現(xiàn)有的大型氧化鋁企業(yè)節(jié)能降耗、降低成本的需求也越加迫切。

我國的氧化鋁廠，根據(jù)處理礦石和生產(chǎn)方式的不同大概分為三類，第一類采用拜耳法處理國內(nèi)一水硬鋁石，此類工廠礦石成本低，但因循環(huán)流量大所以運行成本高，產(chǎn)品質(zhì)量符合國家標(biāo)準(zhǔn)但普遍不夠好；第二類采用燒結(jié)或其他方法處理國內(nèi)一水硬鋁石，此類工廠的礦石成本比第一類稍低，但采用的工藝流程能耗過高，已經(jīng)逐漸被市場淘汰；第三類采用拜耳法處理國外三水鋁石，此類工廠礦石成本高，但運行成本很低，產(chǎn)品質(zhì)量相對前兩類較好。

本文介紹的七效管式降膜蒸發(fā)器組主要應(yīng)用在拜耳法處理三水鋁石的氧化鋁廠中，因為此類氧化鋁廠對蒸發(fā)產(chǎn)品的苛堿濃度要求相對較低，這樣蒸發(fā)器各效的沸點升較低，也就是說同樣操作條件下，各效分配到的溫差較大，也就是換熱面積會相對較少，這樣有利于減少七效蒸發(fā)器的初期投資。

2、設(shè)計流程選擇與計算過程

2.1流程選擇

蒸發(fā)工序是我國氧化鋁生產(chǎn)廠的主要工序之一，因為大量蒸水而能耗較高。氧化鋁行業(yè)的蒸發(fā)工序因處理物料固含高、黏度大，一般采用管式降膜蒸發(fā)器組。降膜方式采用循環(huán)泵把料漿輸送至蒸發(fā)器頂部，在重力作用下，經(jīng)分配器與布膜器在加熱管束內(nèi)成膜與蒸汽換熱。蒸發(fā)器組一般采用逆流換熱，經(jīng)過多年的理論與實踐檢驗，一般采用兩段蒸發(fā)的方式。兩段蒸發(fā)的主要優(yōu)點是前段物料輸送量少，節(jié)省電能；后段進(jìn)料物料溫度高，利用蒸發(fā)器內(nèi)的真空環(huán)境可以大量閃蒸出水分，節(jié)約蒸汽。

蒸發(fā)器的節(jié)能效果主要體現(xiàn)在蒸汽的多次利用上，采用的效數(shù)越多，蒸汽被利用的次數(shù)也就越多，也就越節(jié)能。前述第一類與第二類氧化鋁廠因為進(jìn)出物料的濃度高、濃差大，而大多采用了六效蒸發(fā)器組。如果第一、二類氧化鋁廠采用七效蒸發(fā)器，必須提高蒸汽溫度或大量加大設(shè)備面積，這會造成設(shè)備初期投資的大量增加，不夠經(jīng)濟(jì)。在處理三水鋁石的氧化鋁廠中，因為處理物料的濃度偏低，可以考慮采用更加節(jié)能的七效蒸發(fā)器組。

圖2.1為七效管式降膜蒸發(fā)器組的流程簡圖。蒸發(fā)原液分別從Ⅴ、Ⅶ效蒸發(fā)器進(jìn)入，進(jìn)入Ⅴ效的物料經(jīng)Ⅳ、Ⅲ、Ⅱ、Ⅰ效換熱增濃后進(jìn)入Ⅰ～Ⅳ級自蒸發(fā)器閃蒸；進(jìn)入Ⅶ效的物料經(jīng)Ⅵ效換熱增濃后與Ⅳ級自蒸發(fā)器的出料混合，經(jīng)出料泵輸送至調(diào)配工序。新蒸汽由Ⅰ效進(jìn)入，換熱冷凝成新蒸汽冷凝水后，由泵送回電廠。高溫物料在分離室內(nèi)沸騰蒸發(fā)產(chǎn)生的二次蒸汽進(jìn)入下一效蒸發(fā)器作為熱源，最后末效也就是Ⅶ效的二次蒸汽進(jìn)入直接接觸冷凝器內(nèi)冷凝，被循環(huán)水帶走。Ⅰ～Ⅵ效產(chǎn)生的二次蒸汽冷凝水經(jīng)過逐級閃蒸后在Ⅶ效冷凝水罐內(nèi)集中，由泵送至氧化鋁廠其他工序作為洗水。

圖2.1 七效管式降膜蒸發(fā)器組流程簡圖

2.2計算過程

本文以山東某三水鋁石氧化鋁廠為例，根據(jù)甲方的生產(chǎn)條件、產(chǎn)品要求和上述流程，作者對整個蒸發(fā)器組的物料平衡和熱平衡進(jìn)行模擬計算。外部條件包括蒸發(fā)原液成分、新蒸汽品質(zhì)、循環(huán)上下水溫度、蒸發(fā)母液濃度要求等等。作者采用Syscad物料及熱量平衡模擬軟件，根據(jù)輸入條件和產(chǎn)品要求，計算得出系統(tǒng)各主要物料的性質(zhì)和各效蒸發(fā)器的換熱面積。

2.2.1原液成分

2.2.2其他外部條件

新蒸汽：0.4MPa（abs）飽和蒸汽；

循環(huán)上水溫度：35℃；

循環(huán)下水溫度：48℃；

蒸發(fā)母液Nk：190g/L。

2.2.2計算結(jié)果

計算出的平衡蒸水量為200.8t/h，考慮到生產(chǎn)的波動、暴雨、其他工序污水流入等因素，蒸發(fā)器組的蒸水能力選擇為280t/h。

3、現(xiàn)場生產(chǎn)運行情況

作者于2015年12月份到七效管式降膜蒸發(fā)器的施工與運行現(xiàn)場進(jìn)行考察。甲方一共訂購了2組280t/h蒸水能力蒸發(fā)器，兩組蒸發(fā)器按軸對稱方式布置，分兩期施工。如圖3.1所示，Ⅰ～Ⅶ效蒸發(fā)器組布置在一排，Ⅰ～Ⅳ級自蒸發(fā)器與直接接觸冷凝器布置在另一排，物料由圖3.1左端進(jìn)入后逐級向右，從最右端出料后再反方向進(jìn)入Ⅰ～Ⅳ級自蒸發(fā)器逐級閃蒸，末效的二次蒸汽出口與直接接觸冷凝器的空間距離較近。這種設(shè)備布置方式的特點是占地少，方便物料、蒸汽在各設(shè)備間的布管。蒸發(fā)器的總圖位置也配合了外管網(wǎng)，方便物料、蒸汽、冷凝水、循環(huán)水進(jìn)出。

現(xiàn)場一組蒸發(fā)器在建，另一組蒸發(fā)器已經(jīng)平穩(wěn)運行3個月并已達(dá)產(chǎn)達(dá)標(biāo)。從投資建設(shè)成本和現(xiàn)在運行的指標(biāo)來看，七效管式降膜蒸發(fā)器組比傳統(tǒng)的六效多一效，相應(yīng)的也多出了一臺水罐、一臺循環(huán)泵、一臺過料泵和配套的儀表、閥門若干。同樣也增加了土建投資，并在運行期間增加了電耗、管理和維護(hù)的成本。總的來說，一組蒸發(fā)器由六效變七效，初期投資約增加400萬，后期電耗增加300kW/h。但七效蒸發(fā)器的汽耗約0.15～0.16t/t水，對比六效蒸發(fā)器汽耗0.18～0.19t/t水，節(jié)約0.03t蒸汽/t水。循環(huán)水量也因為末效乏汽量的減少而少量降低。如果電和蒸汽的價格按氧化鋁自備電廠成本價，電價0.3元/kW·h，蒸汽60元/t，平衡蒸水量按200t/h，運轉(zhuǎn)率按95%計算，每年可節(jié)約224萬元，不到兩年就可以回收成本。

4、結(jié)論

模擬計算的預(yù)測和生產(chǎn)實踐都得出同一個結(jié)論，在處理三水鋁石的氧化鋁廠應(yīng)用七效管式降膜蒸發(fā)器組，會少量增加初期投資，大量節(jié)省運行成本，節(jié)能降耗，為企業(yè)帶來實際的經(jīng)濟(jì)利益。在氧化鋁行業(yè)競爭尤其激烈的今天，不失為氧化鋁廠節(jié)能降耗、升級優(yōu)勢產(chǎn)能的一種好方法。

參考文獻(xiàn)

[1]畢詩文等.拜耳法生產(chǎn)氧化鋁[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2007：235.

[2]楊重愚.氧化鋁生產(chǎn)工藝學(xué)（修訂版）[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1993.

作者簡介

于水波，東北大學(xué)設(shè)計研究院（有限公司），工程師，主要工作：氧化鋁廠蒸發(fā)工藝設(shè)計，全廠物料及能量平衡計算.

黎娜，東北大學(xué)設(shè)計研究院（有限公司），高級工程師，主要工作：氧化鋁廠總設(shè)計師.