劉有奇

(永城職業(yè)學院, 河南 永城 476600)

提高管式降膜蒸發(fā)器在拜耳法生產氧化鋁中的運行效率

劉有奇

(永城職業(yè)學院, 河南 永城 476600)

對管式降膜蒸發(fā)器在拜耳法生產氧化鋁中的應用進行研究，分析了原液溫度、蒸發(fā)器結疤、加熱室面積等對管式降膜蒸發(fā)器蒸發(fā)效率的影響。通過優(yōu)化改進，實現(xiàn)了管式降膜蒸發(fā)器低單耗、高蒸水量、高泛汽質量的高效運行。

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

0 前言

蒸發(fā)器是拜耳法生產氧化鋁中非常重要的設備，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中投入了一組六效四閃管式降膜蒸發(fā)器，設計蒸發(fā)水量160 t/h，噸水汽耗量0.3 t。母液蒸發(fā)是拜耳法生產氧化鋁中液量平衡的重要手段，該廠實際生產中管式降膜蒸發(fā)器平均運轉率達到96%以上，每次對其進行酸洗時都會影響生產的正常運行[2]，并且管式降膜蒸發(fā)器還是拜耳法生產氧化鋁中的耗氣大戶。因此提高管式降膜蒸發(fā)器的運行效率，降低其汽耗對企業(yè)的生產具有重大意義。

1 管式降膜蒸發(fā)器的結構和工作原理

管式降膜蒸發(fā)器具有結構簡單、傳熱效率高、容易維修、運行穩(wěn)定等特點，其主要由加熱室、分離室、進料口、加熱蒸汽進口、冷凝水出口、二次蒸汽出口、循環(huán)液出口、完成液出口構成，見圖1。

1—加熱室；2—分離室；3—進料口；4—加熱蒸汽進口；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)器結構示意圖

六效四閃管式降膜蒸發(fā)工藝是目前國內拜耳法氧化鋁生產中循環(huán)母液蒸發(fā)濃縮的主流技術[3]，即第Ⅰ效和第Ⅱ效直接預熱、六效逆流四級閃蒸的作業(yè)方式。鋁酸鈉溶液通過強制循環(huán)泵由加熱室頂端加入，經液體分布器均勻流入到加熱管內，與加熱管外側的蒸汽進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，同時在氣流作用下蒸發(fā)汽化形成液膜進入分離室進行氣液分離。分離出的水蒸汽(二次蒸汽)經過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)境下進一步濃縮。經過第Ⅵ效到第Ⅰ效多級加壓蒸發(fā)的溶液，再送入閃蒸罐經過四級閃蒸、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)器運行效率影響因素分析

蒸發(fā)是氧化鋁生產的重要環(huán)節(jié)，也是影響管式降膜蒸發(fā)器產能發(fā)揮的關鍵[4]。實際生產數(shù)據(jù)顯示，拜耳法氧化鋁生產中蒸發(fā)汽耗占整個蒸發(fā)器能耗成本的76%～80%，占氧化鋁生產能耗的20%～24%，占生產成本的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)出的泛汽水質量直接關系到泛汽水的循環(huán)利用，所以還必須保障泛汽水質量達標，也就是含堿量達標，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

拜耳法氧化鋁生產中，當蒸汽壓力控制在0.5～0.55 MPa時，不同原液溫度對應的蒸汽單耗見表1。

表1 原液溫度與蒸汽單耗對應表

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際生產中需要有效降溫以實現(xiàn)低溫分解，生產中可以通過提高換熱器的換熱面積和換熱效率提高原液溫度，同時降低精液與料漿溫度，達到降低蒸汽單耗的目的。

2.2 結疤的影響

該廠拜耳法生產氧化鋁的原料為國外典型的高鋁硅比三水鋁石型鋁土礦。母液在氧化鋁生產過程中不斷循環(huán)使用，隨著蒸發(fā)器的運行，溶解在母液中的活性氧化硅不斷析出結疤，附著在蒸發(fā)器加熱室以及各管道的內壁，嚴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)器內壁結疤，嚴重影響蒸發(fā)器的運行效率，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。生產中隨著時間的延續(xù)，加熱室內部會產生結疤，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，應增大加熱室面積，提高蒸發(fā)器的產能。

2.4 Ⅵ效跑堿的影響

管式降膜蒸發(fā)器運行過程中，隨著六效共同進料的量加大，進料溫度的升高，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。拜耳法生產氧化鋁的直接成本(原燃料費及加工費)中，堿耗所占比例較大。因此，蒸發(fā)器運行過程中，應合理控制六效進料，避免跑堿現(xiàn)象的發(fā)生。

3 改進措施

3.1 調整原液溫度

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

為了彌補換熱設施的不足，在精液槽北增加2臺200 m2螺旋板式換熱器、2臺精液泵(300 m3/h，揚程55 m)和1臺母液泵(600 m3/h，揚程75 m)，2臺精液泵分別對應2臺螺旋板式換熱器。原液流經精液槽送往母液槽或細種子混合槽之前，由增設的精液泵打入螺旋板式換熱器對原液進行熱交換處理，同時借用現(xiàn)有的1#調配泵將部分精液送蒸發(fā)母液管道對原液進行換熱蒸發(fā)，精液降溫設備改進后的平面布置圖如圖2所示。

圖2 精液降溫設備改進后平面布置圖(虛線為母液，實線為精液)

改進后，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、運轉率96%、蒸汽單價170元/t計算，年創(chuàng)造收益：

(0.31-0.27)×160×24×365×0.96×170=914.8萬元

3.2 改進結疤酸洗方式

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

對酸洗方式進行改進，一半酸通過酸儲罐往Ⅰ效注酸并摻配緩蝕劑，另一半酸通過酸儲罐往Ⅳ效注酸并摻配緩蝕劑，實現(xiàn)Ⅰ效→Ⅵ效→Ⅴ效和Ⅳ效→Ⅲ效→Ⅱ效同時酸洗。

酸洗方式改進后，由于流程縮短，硫酸與結疤能夠更加充分地反應，酸洗效果明顯改善。酸洗時間由6 h縮短至3 h。原酸洗方式的蒸汽單耗為0.31 t-汽/t-水，改進后當月蒸汽單耗為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t,蒸汽單價為170元/t，則下半年節(jié)約蒸汽的直接效益為：

440 000×0.01×170=74.8萬元。

另外，在生產中發(fā)現(xiàn)蒸發(fā)器的電動閥運行一段時間后也會產生結疤經常被卡，嚴重影響設備的正常運行，而人工清理結疤有一定的困難，更換新的電動閥成本太高。經過生產試驗，對蒸發(fā)器的4個電動閥加設酸洗，降低了電動閥被卡的故障率。

3.3 增加加熱室面積

該廠蒸發(fā)器崗位上原有一個強效蒸發(fā)器，加熱面積為560 m2,一直閑置未用。為進一步提高蒸發(fā)器的加熱面積，將強效蒸發(fā)器并入現(xiàn)有的管式降膜蒸發(fā)器流程，具體方案為：①由于強效蒸發(fā)器與Ⅰ效的設計參數(shù)相同，因此將強效蒸發(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效出來的100 ℃左右的原液直接進入強效蒸發(fā)器，相比原進料溫度高出40 ℃，溫差減小，達到強效蒸發(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效過料泵一直存在功率不足的問題，由于液量增大已滿足不了生產的需要，故另增加一個泵，解決該問題；④強效蒸發(fā)器本身的加熱面積較小，其液室相當于一個閃蒸罐，可以為Ⅰ閃提供更加充足的泛汽，提高整個蒸發(fā)流程的熱利用率。工藝流程如圖3所示。

強效蒸發(fā)器的面積為560 m2,蒸水能力約20 t/h, 通過技術改進，管式降膜蒸發(fā)器在原基礎上，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t/a氧化鋁生產規(guī)模的需要。

3.4 解決Ⅵ效跑堿問題

原六效同時進料的生產工藝，導致原液運行至第Ⅵ效時由于溫度升高霧沫分離不足，經常出現(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，經過長時間的生產摸索，決定調整進料方式，降低Ⅵ效的進料量，改變前五效進料比例，并確保冷凝器工作正常，以解決跑堿問題。具體方案如下：

圖3 強效蒸發(fā)器與管式降膜蒸發(fā)器并入流程圖

(1)在正常生產情況下，當進料量為480 m3/h時，前五效蒸發(fā)器產生的泛汽都不帶堿，而第Ⅵ效泛汽帶堿到達0.5 g/L，帶堿問題嚴重。為此，將進料方式調整為Ⅴ效、Ⅵ效各進料50%，很好地緩解Ⅵ效霧沫分離能力不足的問題，避免跑堿現(xiàn)象的發(fā)生。

(2)當對第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(理論上兩者真空值應該一致)，則判斷大氣冷凝器蓖板堵塞，必須在酸洗的同時打開大氣冷凝器的孔門進行檢查清理。

(3)在霧沫分離室噴淋設施尚未投入使用之前，可臨時使用冷凝水進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。

改進后，Ⅵ效泛汽含堿由原來的0.5 g/L降低至0.1 g/L，效果明顯。

4 結論

在拜耳法生產氧化鋁的實踐中，通過提高原液溫度、優(yōu)化加熱管結疤酸洗工藝、增大加熱室面積等一系列改進措施，降低了管式降膜蒸發(fā)器的汽耗，提高了其運行效率。只有不斷探索和總結，強化技術管理，才能降低生產成本，實現(xiàn)氧化鋁生產中的節(jié)能減排。

[1] 畢詩文.氧化鋁生產工藝[M].北京:化學工業(yè)出版社,2006.

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

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

[4] 胡運忠.管- 板式降膜蒸發(fā)器在氧化鋁生產中的應用研究[J].化工技術與開發(fā)，2012，(8)：51-53.

[5] 陳昕.降低管式降膜蒸發(fā)器汽耗的探討與應用[J].冶金經濟與管理，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：濕法冶金過程優(yōu)化控制。

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