王寶奎

(沈陽鋁鎂設(shè)計(jì)研究院有限公司，遼寧 沈陽 110001)

隨著我國氧化鋁產(chǎn)量的大幅增加,氧化鋁價(jià)格持續(xù)走低,氧化鋁生產(chǎn)企業(yè)利潤被不斷壓縮。為了生存發(fā)展,提高技術(shù)水平是必然之選。氧化鋁生產(chǎn)流程中種子分解是重要環(huán)節(jié)之一,其大量應(yīng)用的種分槽是一種大型的攪拌槽,隨著氧化鋁單線產(chǎn)能從100萬噸向200萬噸方向發(fā)展,對(duì)種分槽進(jìn)行大型化并配備高性能攪拌裝置成為必然趨勢(shì),這對(duì)于降低能耗、提高產(chǎn)出率、降低運(yùn)行成本、提升利潤意義很大。

1 工作原理及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)[1-4]

種分槽的工作原理是,將降溫后精液添加氫氧化鋁晶種,在種分槽內(nèi)進(jìn)行充分?jǐn)嚢杌旌?停留一定的時(shí)間,完成分解反應(yīng)析出氫氧化鋁。為了提高分解率,分解反應(yīng)在高固含條件下進(jìn)行。由于種分槽容積大,料漿固含高,在槽底部很容易產(chǎn)生沉淀,因此對(duì)攪拌裝置提出了很高的要求,表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:

(1)要保證料漿中固體顆粒和溶液充分接觸,均勻混合,加快晶粒長大,從而加速分解反應(yīng),槽內(nèi)料漿無明顯分層,槽內(nèi)上下料漿固含差需<10%;

(2)要有足夠的循環(huán)流量,使氫氧化鋁顆粒充分懸浮防止沉淀;

(3)在保證顆粒懸浮的前提下,盡量減輕槳葉葉片對(duì)氫氧化鋁晶粒的剪切,以利于氫氧化鋁晶粒生長;

(4)攪拌裝置包括電機(jī)、減速機(jī)、攪拌槳等要有很高的可靠性和使用壽命,以保證種分槽可連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。

2 種分槽攪拌系統(tǒng)的發(fā)展過程、現(xiàn)狀及存在的問題

國內(nèi)早期種分槽的攪拌方式為空氣攪拌,以壓縮空氣作為介質(zhì),通入種分槽中心的提料管,使提料管內(nèi)不斷形成密度小于管外漿液的氣、液、固三相混合物,利用管內(nèi)外密度差驅(qū)動(dòng)漿液在槽內(nèi)循環(huán)而達(dá)到攪拌混合目的?？諝鈹嚢璺绞叫实汀⒛芎母?、料漿分層嚴(yán)重、易結(jié)疤,在攪拌過程中還會(huì)讓料漿吸收較多的二氧化碳?？諝鈹嚢枋椒N分槽在我國氧化鋁生產(chǎn)初期曾經(jīng)發(fā)揮過重要的作用。

機(jī)械攪拌種分槽采用軸流式機(jī)械攪拌,由羅馬尼亞奧拉迪亞氧化鋁廠于1970年設(shè)計(jì)提出并投入使用。我國二十世紀(jì)八十年代,由山西鋁廠二期工程φ14×30 m種分槽引進(jìn)法國ROBIN公司的TPM及HPM混合槳式攪拌技術(shù)。其弱點(diǎn)是攪拌強(qiáng)度不足,料漿上下層固含差不夠理想。國內(nèi)以HPM槳為原型進(jìn)行國產(chǎn)化,推出了CBY攪拌槳。

二十世紀(jì)九十年代,平果鋁廠的種分槽引進(jìn)了德國EKATO的Intermig攪拌裝置。這種槳的槳葉分為內(nèi)外兩層,當(dāng)槳葉旋轉(zhuǎn)時(shí),內(nèi)外槳葉同時(shí)產(chǎn)生兩個(gè)不同的液體流動(dòng)方向,有利于料漿混合。國產(chǎn)化后改進(jìn)了槳葉形狀并加長了底槳的尺寸稱之為改進(jìn)型Intermig攪拌槳,沉淀有所改善但仍然嚴(yán)重。

另外國內(nèi)某些鋁廠也引進(jìn)了美國萊寧公司的導(dǎo)流筒攪拌裝置,該攪拌裝置存在以下幾點(diǎn)不足:① 結(jié)構(gòu)復(fù)雜,安裝困難,槽內(nèi)結(jié)構(gòu)件多,易結(jié)疤,清理困難;② 啟動(dòng)、停車等操作復(fù)雜;③ 料漿固含一般不大于500 g/L,底部結(jié)疤較多;④ 槽體中液面位置不能低于某一高度,否則槳葉接觸不到液體,攪拌系統(tǒng)就無法工作;⑤ 能耗高于槳式攪拌。國內(nèi)新建種分槽已不再使用這種攪拌裝置。

某一時(shí)期國內(nèi)現(xiàn)有種分槽攪拌裝置幾乎全部都是改進(jìn)型Intermig攪拌裝置,也有少量的CBY攪拌裝置,這兩種攪拌裝置存在以下問題: 攪拌強(qiáng)度不夠,沉淀嚴(yán)重,年形成結(jié)疤高度達(dá)3 m以上; 能耗指標(biāo)不夠理想; 攪拌扭矩大,當(dāng)用于Φ14 m、Φ16 m大型種分槽時(shí),常規(guī)減速機(jī)無法滿足其扭矩要求,需專門定制減速機(jī),費(fèi)用高昂,制約了種分槽大型化的進(jìn)程。

3 高性能種分槽攪拌裝置的設(shè)計(jì)[5-7]

國內(nèi)外大型種分槽攪拌技術(shù)進(jìn)展緩慢,一方面因?yàn)榇笮头N分槽攪拌裝置開發(fā)難度大;另一方面,傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法、比例放大法等不能從本質(zhì)上揭示流場(chǎng)內(nèi)部真實(shí)情況及攪拌過程的運(yùn)作機(jī)理。近年來,CFD模擬仿真技術(shù)在攪拌裝置的設(shè)計(jì)中開始應(yīng)用,但關(guān)鍵問題是模擬結(jié)果必須要能真實(shí)地反映實(shí)際情況,否則獲得的結(jié)果沒有任何實(shí)際意義。

從2008年開始,我們做了大量的基礎(chǔ)工作,通過小型實(shí)驗(yàn)槽和大型工業(yè)攪拌槽的測(cè)試、Fluent軟件模擬驗(yàn)證,取得了以下幾方面重要的技術(shù)成果,為高性能攪拌裝置及種分槽大型化提供了強(qiáng)有力的設(shè)計(jì)開發(fā)依據(jù),具體情況如下:

(1)獲得了用于fluent模擬仿真的準(zhǔn)確數(shù)學(xué)模型,開發(fā)成功高性能攪拌模擬仿真技術(shù)[11]。經(jīng)大量的實(shí)驗(yàn)測(cè)試和工業(yè)應(yīng)用證明,模擬計(jì)算值和測(cè)試值的誤差較小,平均誤差為3.2%,高于工程計(jì)算精度5%的要求。

(2)獲得了攪拌槳的優(yōu)化設(shè)計(jì)規(guī)律,軟件模擬結(jié)合實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明,攪拌槳葉片存在最優(yōu)的槳葉/槽體直徑比、葉片離底間距和葉片層間距、底層攪拌槳和上層攪拌槳最優(yōu)直徑比。攪拌槳在最優(yōu)狀態(tài)下,能耗顯著降低,攪拌性能獲得顯著提升[8-9]。

(3)開發(fā)多種節(jié)能型高性能攪拌槳型,如下圖所示。

HSG型槳為底層槳,槳葉弧面的軸線與回轉(zhuǎn)面夾角為0度,如圖1所示。HQG型槳為上層槳,槳葉弧面的軸線與回轉(zhuǎn)面成一夾角,如圖2所示。HBJG型槳既可以用作底層槳也可以作上層槳,槳葉弧面逐漸扭轉(zhuǎn),如圖3所示。

圖1 HSG型攪拌槳

圖2 HQG型攪拌槳

圖3 HBJG型攪拌槳

對(duì)于攪拌槳葉片,功率準(zhǔn)數(shù)和剪切越低越好,流量準(zhǔn)數(shù)越大越好,有利于降低能耗,提高混合效果。以上攪拌槳類型為國內(nèi)外首創(chuàng),葉片幾何尺寸經(jīng)多次優(yōu)化,并在工業(yè)應(yīng)用中測(cè)試驗(yàn)證滿足要求后作為定型產(chǎn)品,性能全面優(yōu)于改進(jìn)型Intermig攪拌槳和CBY攪拌槳,具體情況見表1。

表1 種分槽不同類型攪拌槳性能對(duì)比

圖4是Intermig和CBY攪拌槳截面形狀,圖5是HSG/HQG/HBJG型槳葉片截面形狀。HSG槳特點(diǎn)阻力系數(shù)小,排量大,適用于底層槳,徑向作用范圍大,有利于消除槽底邊角處沉淀;HQG型槳徑向尺寸小、軸向尺寸長,液流被匯聚集中,增大軸向作用范圍,而其本身軸向尺寸加長,進(jìn)一步加大了軸向作用范圍,有效減少了槳葉層數(shù)。HBJG在HQG型槳基礎(chǔ)上對(duì)槳葉弧面逐漸扭轉(zhuǎn),能夠產(chǎn)生更好的柱形導(dǎo)流區(qū),軸向作用范圍更大。HSG、HQG便于加工,而HBJG加工制造復(fù)雜一些。

圖4 Intermig和CBY攪拌槳葉片截面形狀

圖5 HSG/HQG/HBJG攪拌槳葉片截面形狀

(4)最優(yōu)化的料漿攪拌流動(dòng)路徑,能夠有效降低能耗提高攪拌均勻度。如圖6、7所示,分別為料漿流動(dòng)路徑優(yōu)化和未優(yōu)化的矢量圖和攪拌均勻度云圖,優(yōu)化后均勻度提高,而未優(yōu)化的底部固體顆粒體積分?jǐn)?shù)明顯增加。

圖6 優(yōu)化的料漿流動(dòng)路徑和攪拌均勻度

圖7 未優(yōu)化的料漿流動(dòng)路徑和攪拌均勻度

4 應(yīng)用對(duì)比

相同的工藝條件下,針對(duì)以下幾種規(guī)格的種分槽攪拌裝置性能進(jìn)行對(duì)比見表2和表3,規(guī)格都是Φ14 m情況下,HSG/HQG攪拌裝置的各項(xiàng)性能指標(biāo)(功率、槽底結(jié)疤和固含差)都遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于改進(jìn)型Intermig攪拌裝置,甚至連Φ16 m HSG/HQG攪拌裝置的性能指標(biāo)都優(yōu)于Φ14 m改進(jìn)型Intermig攪拌裝置,可見HSG/HQG攪拌裝置的優(yōu)勢(shì)非常明顯。

HSG/HQG攪拌裝置Φ16 m、Φ14 m和Intermig攪拌裝置的綜合性能如表3所示。

表3 不同規(guī)格種分槽HSG/HQG和Intermig攪拌裝置的綜合性能

5 結(jié) 論

該技術(shù)2014年通過了中國有色金屬工業(yè)協(xié)會(huì)的鑒定,達(dá)到國際領(lǐng)先水平;2015年獲得中國有色金屬工業(yè)協(xié)會(huì)科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。已在中鋁系統(tǒng)各企業(yè)、信發(fā)集團(tuán)、國家電投集團(tuán)等公司所屬氧化鋁廠的Φ14 m種分槽新建和改造項(xiàng)目上,應(yīng)用了新型高性能攪拌技術(shù);在中鋁系統(tǒng)各企業(yè)、信發(fā)集團(tuán)、東方希望集團(tuán)等公司所屬的氧化鋁廠Φ16 m種分槽新建項(xiàng)目上,應(yīng)用了該技術(shù)。以上項(xiàng)目均已投產(chǎn),使用效果顯示,攪拌效果良好,運(yùn)行穩(wěn)定,能耗顯著降低,槽底部結(jié)疤明顯減少,達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)效果。

新型種分槽攪拌技術(shù)的應(yīng)用,將為種分槽大型化、節(jié)能降耗及降低種分槽沉淀等提供理想的解決方案。