李志國(guó)

(沈陽鋁鎂設(shè)計(jì)研究院有限公司,遼寧 沈陽 110001)

溶出和蒸發(fā)是拜耳法氧化鋁生產(chǎn)中主要的蒸汽用戶,其中蒸發(fā)消耗蒸汽通常占總蒸汽量的30%左右,不同的礦石品位,運(yùn)營(yíng)理念以及蒸發(fā)工藝都對(duì)蒸發(fā)汽耗有著顯著的影響。廣義的蒸發(fā)有自然蒸發(fā)和沸騰蒸發(fā)兩種[1],其中沸騰蒸發(fā)又分為TVR蒸發(fā)、MVR蒸發(fā)、多效蒸發(fā)和多級(jí)閃蒸蒸發(fā)幾種,國(guó)內(nèi)蒸發(fā)的主體設(shè)備經(jīng)歷了從標(biāo)準(zhǔn)式列管蒸發(fā)器、自然循環(huán)列管式蒸發(fā)器、強(qiáng)制循環(huán)列管式蒸發(fā)器,到膜式蒸發(fā)器(板式降膜蒸發(fā)器、管式升膜蒸發(fā)器到管式降膜蒸發(fā)器)[1]的發(fā)展歷程,目前我國(guó)氧化鋁行業(yè)主要采用多效管式降膜蒸發(fā),世界范圍內(nèi)氧化鋁行業(yè)應(yīng)用比較多的是多效管式降膜蒸發(fā)和多級(jí)閃蒸蒸發(fā)[2]。 2021年中國(guó)進(jìn)口鋁土礦超過1億噸,越來越多的國(guó)內(nèi)氧化鋁企業(yè)逐漸轉(zhuǎn)為采用進(jìn)口礦生產(chǎn),中國(guó)鋁企業(yè)近年來也加大了走出去到海外礦源地建廠的步伐,對(duì)于國(guó)際上采用較多的多級(jí)閃蒸蒸發(fā)工藝的研究逐漸迫切起來。

國(guó)內(nèi)氧化鋁企業(yè)對(duì)于多效管式降膜蒸發(fā)進(jìn)行了很多研究,對(duì)于蒸發(fā)效數(shù)、物流流程走向等進(jìn)行了很多嘗試,取得了較好的效果,基于目前的材料與能源價(jià)格,設(shè)備供應(yīng)商的裝備水平,目前國(guó)內(nèi)新建項(xiàng)目主要以6～7效管式降膜蒸發(fā)器為主,汽水比在0.15～0.20[3-4],已投產(chǎn)七效管式降膜蒸發(fā)最大蒸水能力已達(dá)580 t/h。雖然管式降膜蒸發(fā)技術(shù)比較成熟,但是在生產(chǎn)使用中發(fā)現(xiàn)隨著蒸發(fā)的進(jìn)行,溶液堿濃度逐漸提高,溫度和堿濃度幾乎同時(shí)達(dá)到最高,造成了較為嚴(yán)重的堿脆問題,1、2效及過料管道經(jīng)常漏料,需要定期維護(hù),降低了系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)率,而多級(jí)閃蒸蒸發(fā)由于溶液堿濃度和溫度通常不同時(shí)達(dá)到苛刻條件,對(duì)于運(yùn)營(yíng)維護(hù)較為有利,但是多級(jí)閃蒸蒸發(fā)也有著蒸水能力小,汽水比高等固有的缺點(diǎn)。因此,有必要對(duì)不同的蒸發(fā)工藝進(jìn)行比較,尋找最佳的使用條件。

本文介紹了多級(jí)閃蒸蒸發(fā)的工藝流程和應(yīng)用案例,與管式降膜蒸發(fā)進(jìn)行了比較,并針對(duì)可能采用的三種多級(jí)閃蒸蒸發(fā)流程進(jìn)行了測(cè)算比較,以期為氧化鋁從業(yè)者選擇適宜的蒸發(fā)技術(shù)提供參考。

1 多級(jí)閃蒸蒸發(fā)

1.1 工藝流程

典型的多級(jí)閃蒸蒸發(fā)的工藝流程框圖如圖1所示,蒸發(fā)原液從中間進(jìn)料,經(jīng)過第一段二次汽預(yù)熱后進(jìn)入新蒸汽加熱段,采用新蒸汽加熱至蒸發(fā)溫度,進(jìn)入第一段閃蒸(多級(jí)),閃蒸的二次蒸汽作為第一段二次汽預(yù)熱段的加熱蒸汽,進(jìn)入第二段閃蒸(多級(jí)),閃蒸的二次汽作為第二段二次汽預(yù)熱的加熱蒸汽,出料進(jìn)入第三段閃蒸(多級(jí)),閃蒸的二次蒸汽進(jìn)入大氣冷凝器或其他降溫設(shè)施冷卻,不凝氣采用真空抽走,出料進(jìn)入第二段二次汽預(yù)熱,提高溫度后作為合格蒸發(fā)母液,送后續(xù)工序使用。

圖1 多級(jí)閃蒸蒸發(fā)流程框圖

1.2 應(yīng)用案例

多級(jí)閃蒸蒸發(fā)技術(shù)在氧化鋁行業(yè)的部分應(yīng)用案例如表1所示。

表1 多級(jí)閃蒸蒸發(fā)應(yīng)用案例

2 多級(jí)閃蒸蒸發(fā)與管式降膜蒸發(fā)比較

2.1 主體設(shè)備及流程

兩種蒸發(fā)技術(shù)的主體設(shè)備及流程有類似之處,也存在較多差異,主體設(shè)備及流程的對(duì)比如表2所示。

表2 主體設(shè)備及流程對(duì)比表

2.2 優(yōu)劣勢(shì)分析

由于兩種蒸發(fā)技術(shù)在設(shè)備和流程上的差異,造成了兩種蒸發(fā)技術(shù)各有其優(yōu)缺點(diǎn),兩種蒸發(fā)技術(shù)的傳熱溫差不同造成更多的二次蒸汽在多級(jí)閃蒸蒸發(fā)流程中無法被回收利用,汽水比較高;多級(jí)閃蒸蒸發(fā)沒有降膜蒸發(fā)器的循環(huán)泵,大大降低了單位換熱面積的蒸水能力,器組蒸水能力有限,但也正是由于沒有功率較高的循環(huán)泵導(dǎo)致單位蒸水的電耗較低;由于流程差異導(dǎo)致系統(tǒng)中堿濃度和溫度的分布不同,多級(jí)閃蒸蒸發(fā)中溫度最高點(diǎn)的堿濃度較低,而降膜蒸發(fā)溫度最高點(diǎn)的堿濃度較高,多級(jí)閃蒸蒸發(fā)相比管式降膜蒸發(fā)對(duì)設(shè)備的堿腐蝕要小得多,兩種蒸發(fā)技術(shù)的主要優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比如表3所示。

表3 兩種蒸發(fā)技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比表

3 方案測(cè)算

多級(jí)閃蒸蒸發(fā)受限于其蒸水能力,在礦石品質(zhì)好,單位產(chǎn)品蒸水需求不高的氧化鋁廠得到了較多應(yīng)用,如表1所列。若考慮在單位蒸水需求較高的氧化鋁廠使用,則需要將部分或全部蒸發(fā)母液返回第三段閃蒸或返回蒸發(fā)原液進(jìn)口以提高蒸水能力,以下分別對(duì)這三種方案進(jìn)行測(cè)算。

3.1 計(jì)算條件

三個(gè)方案的主要流程及計(jì)算條件如表4所示。

表4 計(jì)算條件

3.2 計(jì)算結(jié)果

3.2.1 溫度分布

三個(gè)方案中蒸發(fā)原液,第一段二次汽預(yù)熱、新蒸汽及冷凝水預(yù)熱、閃蒸出料、第二段預(yù)熱的溫度分布如圖2所示。

圖2 溫度分布

由圖2可知,基準(zhǔn)方案和出料大循環(huán)方案溫度分布基本相同,出料小循環(huán)方案,由于改變了10閃之后的運(yùn)行條件,10閃后的溫度相比基準(zhǔn)方案降低較多,合格蒸發(fā)母液出料溫度也降低了。

3.2.2 各級(jí)閃蒸沸點(diǎn)升和閃蒸汽量

三個(gè)方案各級(jí)閃蒸的沸點(diǎn)升分布和閃蒸汽量分布如圖3、圖4所示。

圖3 沸點(diǎn)升分布

圖4 各級(jí)閃蒸汽量分布

由圖3可知,無論是出料小循環(huán)還是出料大循環(huán),都提高了溶液的運(yùn)行濃度,造成了沸點(diǎn)升增加;由圖4可知,出料大循環(huán)方案均勻增加了各級(jí)閃蒸的蒸汽量,而出料小循環(huán)方案,由于出料返回至10閃,為了達(dá)到相同的蒸水能力,后兩級(jí)閃蒸汽量增加較多。

3.2.3 各級(jí)預(yù)熱對(duì)數(shù)溫差和換熱面積

三個(gè)方案各級(jí)預(yù)熱對(duì)數(shù)溫差和換熱面積分布如圖5、圖6所示。

圖5 各級(jí)預(yù)熱對(duì)數(shù)溫差分布

圖6 各級(jí)預(yù)熱面積分布

由圖5可知,出料大循環(huán)方案,由于溶液濃度增加帶來的沸點(diǎn)升均勻增加,對(duì)數(shù)溫差也均勻降低,出料小循環(huán)方案由于更多的熱量被循環(huán)水帶走,提高了對(duì)數(shù)傳熱溫差,與之相對(duì)應(yīng)的。從圖6可以看出,出料大循環(huán)方案的換熱面積均勻增加,出料小循環(huán)方案第二段預(yù)熱的換熱面積大大降低。

3.2.4 經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

三個(gè)方案經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比如圖7所示。

圖7 經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比

由圖6、圖7可知,出料大循環(huán)方案通過大幅度增加換熱面積實(shí)現(xiàn)了蒸發(fā)強(qiáng)度的增加,同時(shí)經(jīng)濟(jì)性略有降低;出料小循環(huán)方案則是通過循環(huán)水損失了大量的熱,實(shí)現(xiàn)了在降低換熱面積的同時(shí)增加了蒸發(fā)強(qiáng)度,此時(shí)的汽水比僅表明蒸發(fā)本身的經(jīng)濟(jì)性提高,考慮到全系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性是劣化的。

4 前景展望及建議

通過上述比較分析可知,多級(jí)閃蒸蒸發(fā)由于避免了堿濃度和溫度同時(shí)達(dá)到較高值,可以解決目前氧化鋁生產(chǎn)中管式降膜蒸發(fā)高溫效面臨的堿脆漏料問題,操作也比較簡(jiǎn)單,不需要大量的溶液循環(huán),但其經(jīng)濟(jì)性相比管式降膜蒸發(fā)略低,器組蒸水能力略低,可以在采用高品質(zhì)三水鋁石型鋁土礦、單位產(chǎn)品蒸水需求不高的情況下使用。

在單位產(chǎn)品蒸水需求不高的情況下,可以選擇多級(jí)閃蒸的基準(zhǔn)方案,從而提高運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性;在系統(tǒng)蒸水需求較高的情況下,可以選擇出料大循環(huán)方案,通過增加設(shè)備投入實(shí)現(xiàn)較高蒸水能力,而不明顯降低經(jīng)濟(jì)性;只有在氧化鋁廠中有較多免費(fèi)的熱源需要低溫冷源時(shí)可以選擇出料小循環(huán)方案。

多級(jí)閃蒸蒸發(fā)相比管式降膜蒸發(fā)有著明顯的優(yōu)缺點(diǎn),在應(yīng)用多級(jí)閃蒸蒸發(fā)技術(shù)時(shí)需揚(yáng)長(zhǎng)避短,盡可能提高其蒸水能力,充分發(fā)揮其出料溫度可調(diào)的優(yōu)勢(shì)。如:多級(jí)閃蒸系統(tǒng)的蒸水能力是由蒸發(fā)原液加熱的最高溫度和閃蒸出料的最低溫度決定的,這個(gè)溫差應(yīng)盡可能大,提高運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性;出料小循環(huán)方案可以比較便捷的降低蒸發(fā)母液出料溫度。