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反循环蒸发技术在氧化铝生产中的开发与应用

王庆娜

中国铝业股份有限公司(山东)国际贸易有限公司,中国铝业股份有限公司山东铝业股份有限公司氧化铝厂 山东淄博255052,山东淄博255052

摘 要：

针对强制循环蒸发器循环液量大、设备操作复杂、工艺条件不易控制、汽耗高、长时间高浓度操作结垢速度快运转率低等不足之处, 通过改变循环泵的安装方式, 将其传统的蒸发室切向进料方式改变为轴向进料, 改变了物料的流向, 实现蒸发室物料的反循环运转。结合在烧结法氧化铝生产实际应用中遇到的情况说明了反循环蒸发器在操作中的生产条件控制及应注意的事项。试验研究表明:反循环结晶蒸发技术, 在氧化铝生产母液蒸发工序推广应用, 可以有效的延缓强制循环蒸发器加热管结疤速度, 延长清理周期, 提高传热效率, 提高设备的运转率及生产能力, 达到节约费用, 提高产能, 降低消耗, 提高效益目的。

关键词：

强制循环蒸发器;反循环;提产降耗;烧结法氧化铝生产;

中图分类号： TF821

收稿日期：2006-09-01

Development and Application of Counterflow Evaporation Technique in Production of Alumina

Abstract：

Traditional forced circulation evaporator has disadvantages such as high circulating flow, complicated operation, high consumption of vapor, speedy coating after long time high concentration operation and low running time.Counter circulating of material in evaporating chamber by changing the installation of circulating pumps to shift the feeding method from tangential direction to axial was discussed.Several points which should be paid attention to according to the examples in soda-lime method alumina production were explained.According to our tests, this technique will cut down the speed of coating in the heating tubes of evaporators, extend running cycle, improve diathermancy, efficiency and capacity, thus can save cost and consumption, and improve capacity and benefit.

Keyword：

forced circulation evaporator;counterflow circulation;improve capacity and save cost;

Received： 2006-09-01

随着氧化铝生产规模的不断扩大, 能源消耗的高低逐渐成为工业生产规模进一步提高的制约因素, 对于氧化铝生产来说尤其如此。 蒸发工序作为平衡氧化铝生产液量的主要工序, 是氧化铝生产中的耗汽大户, 蒸汽消耗占整个氧化铝生产汽耗的40%以上, 蒸发成本占整个氧化铝生产的10%左右, 因此如何降低蒸汽的消耗, 是降低蒸发成本的关键, 也是降低氧化铝生产成本的关键。

目前, 氧化铝生产主要有烧结法、 拜耳法两种生产方式, 无论拜耳法生产还是烧结法生产, 蒸发工序都是必不可少的, 二者都面临着提高蒸发器蒸水能力、 降低蒸水汽耗。 拜耳法蒸发生产的物料主要是种分母液, 烧结法主要是碳分母液, 二者因蒸发的物料不同选用的蒸发器也不尽相同。 对于烧结法蒸发生产来说由于碳分母液的沸点升高、 粘度较大, 其面临的蒸发任务更加严峻, 选择好的设备、 合适的蒸发工艺成为每个氧化铝厂所面临的一道难题。

我国氧化铝生产行业蒸发设备主要是标准式蒸发器和外加热强制循环蒸发器, 都是属于能耗高, 运转率低的设备, 尤其是强制循环蒸发器, 作为主要的浓缩设备和结晶蒸发设备, 其运转率的高低和效率的高低直接制约氧化铝生产的液量平衡。

由于我厂降本提产的需要, 熟料窑产能不能满足要求, 提高其产能的关键在于降低料浆水分, 这就要求蒸发器能够尽量提高蒸发浓度, 实现结晶蒸发, 在现有蒸发能力条件下, 高浓度结晶蒸发意味着缩短运转周期, 增加汽耗, 进而形成恶性循环。

通过“反循环结晶蒸发技术在烧结法生产氧化铝中开发与应用”项目的技术创新, 不仅可以提高蒸发器的运转周期, 实现结晶蒸发, 降低料浆水分、 节能降耗, 还能够进一步提升我公司技术创新的水平, 满足可持续发展的需要; 同时也填补了国内同行业结晶蒸发技术的空白, 具有较高的经济效益和社会效益, 在中铝公司推广应用后将进一步提高中国铝业股份有限公司的科技发展水平 [1] 。

1 概 述

1.1 蒸发工序生产状况

山东铝业股份有限公司氧化铝厂蒸发工序担负着蒸发氧化铝厂碳分原液、 种分原液及第二氧化铝厂部分种分原液的任务。 碳分母液主要用于配料使用, 与矿石、 石灰、 煤粉等进行混合进入原料磨后产出料浆, 料浆入三车间进行烧结。 料浆水份决定着熟料的烧成成本, 随着产量提高和成本不断降低的要求, 蒸发工序已成为制约氧化铝降本提产的瓶颈。 尤其是在降低料浆水份提高熟料窑产能方面, 要求蒸发能够实现结晶蒸发, 这就使蒸发器运转周期缩短、 效率大幅降低, 从而影响整个氧化铝生产的顺利进行。

采用二段蒸发工艺流程后, 外加热强制循环蒸发器在高浓度二段结晶蒸发过程中的重要性日益凸显。

1.2 强制循环蒸发器的工艺条件及局限性

改进前, Ⅶ组蒸发器平均每小时加汽14.85 t, 一效汽室压力为0.234 MPa。 流量显示每小时进料量为75 m3·h-1, 进料浓度为130 g·L-1, 出料浓度为230 g·L-1 (比重大于1.34) , 蒸水量为33 m3·h-1, 蒸水单耗为0.45 吨 (汽) /t (H2O) , 如表1。

强制循环蒸发器具有循环速度大、 物料在管外沸腾、 不易结垢的优点, 但其自身又有局限性: 为了提高循环速度必须采用大循环量设备、 设备操作复杂、 工艺条件不易控制、 汽耗高、 长时间高浓度操作结垢速度快运转率低。

2 外加热强制反循环蒸发技术开发与应用研究

2.1 基础条件

本项目的提出是基于我厂近50年的蒸发生产经验以及前期二段蒸发结晶析盐项目的实施。

2.1.1 内部条件

我公司在60年代曾采用标准式蒸发器实现了蒸发结晶析盐干法输送配料生产的流程, 为现在实施的二段结晶析盐提供了大量的结晶蒸发经验, 为“反循环结晶蒸发技术研究”奠定了基础。 2003年我公司成功实施了两组分配料富矿烧结流程切换, 蒸发首次实现了碳分蒸发母液的高浓度结晶蒸发, 促进了我公司结晶析盐蒸发技术的发展。 尤其是在对比了外加热强制循环蒸发器、 管式降膜蒸发器、 标准式蒸发器、 板式蒸发器的工艺控制条件及操作后, 确定了外加热强制循环蒸发器的二段蒸发器地位, 为“反循环结晶蒸发技术研究”项目的研究实施提供了第一手资料。

2.1.2 外部条件

蒸发有结晶析出的物料, 现食盐、 无机盐、 隔膜法烧碱、 磷酸、 磷胺等, 国内外广泛采用外加热式强制循环蒸发器。 其中尤以制盐行业应用最为广泛, 且已成功应用了反循环结晶技术, 使其运转周期大大增长。

2.2 关于轴流泵

作为强制循环蒸发器的核心设备, 轴流泵的性能和运行一直是强制循环蒸发器存在的薄弱环节。 我厂的强制循环蒸发器长期以来一直使用卧式轴流泵, 长期以来, 一直存在着参数不达标、 效率低、 汽蚀、 轴封泄漏、 检修周期短等弊病。 为此, 考察了工业泵公司及引进轴流泵的盐业公司。 经专家论证, 确定引进慢速、 低比转数、 悬挂式轴流泵。

2.3 反循环结晶蒸发技术的应用 [1]

“反循环结晶蒸发的技术研究”项目关键技术内容为改变蒸发器传统的切向进料正循环方式, 通过改变循环泵的安装方式, 来改变物料流向, 实现蒸发器物料的反循环运转。 示意图见图1, 2。

表1 改造前Ⅶ组蒸发器操作工艺参数一览表Table 1 Ⅶ set evaporate machine operation craft parameter before reforming

日期 一效压力 二效压力 三效压力 冷却水温 比重 总蒸汽压力 蒸汽流量
汽室 液室 汽室 液室 汽室 液室 进口 出口
9.8 0.20 0.03 0.03 0.044 0.044 0.078 33 47 1.34 0.56 24
9.12 0.24 0.03 0.03 0.048 0.046 0.078 34 46 1.34 0.61 23
9.13 0.26 0.03 0.03 0.042 0.042 0.078 33 48 1.31 0.68 22
9.14 0.24 0.03 0.03 0.041 0.041 0.079 33 48 1.33 0.66 23
9.15 0.20 0.02 0.02 0.044 0.04 0.077 33 46 1.33 0.62 23
9.16 0.25 0.04 0.03 0.04 0.044 0.068 33 48 1.33 0.68 22
9.16 0.21 0.02 0.02 0.044 0.044 0.078 33 46 1.33 0.56 24
9.21 0.22 0.02 0.02 0.044 0.044 0.078 33 46 1.30 0.68 22
9.21 0.30 0.02 0.02 0.048 0.048 0.078 33 46 1.30 0.70 22
9.21 0.22 0.03 0.03 0.042 0.042 0.078 33 44 1.34 0.62 23
平均 0.234 1.33 22.80

图1 正循环方式 Fig.1 Circulating way

图2 反循环方式 Fig.2 Counter circulating way

反循环时, 蒸发室中的主要流向有原来切向改为轴向, 有效地克服了切向正循环操作时有害的固相内分级现象, 使过饱和度最高的沸腾区中能悬浮足够的晶体, 因而可以抑止可能出现的过大成核速度, 以减缓蒸发室壁结疤速度; 其次, 反循环时, 外循环的晶体量减少, 特别是通过循环泵和加热室的大晶体较少, 不仅减少了晶体与叶轮碰撞机会, 抑止二次成核, 并且使料液经加热室时升温产生的细晶溶解效果更加有效, 减缓了加热室结疤速度; 第三, 利用加热管上方液柱静压引起的沸点升高, 阻止加热管内任何处料液沸腾造成的析盐, 并且不会增加静压温差损失。

3 实现反循环的技术关键

3.1 防止循环泵的汽蚀

由正循环改为反循环后, 与循环泵入口相连的是阻力大的加热室, 造成泵进口压力的下降。 如果蒸发器的有效汽蚀余量NPSHa降到循环泵的必需汽蚀余量NPSHr时, 泵将发生汽蚀而无法正常工作。 在蒸发器改为反循环时, 必须校对计算, 保证NPSHa-NPSHr至少有0.5 m的富余量。 其中NPSHa要按蒸发室的最低液位和最大循环量计算; NPSHr要用循环泵可能的运行流量范围内的最大NPSHr值。 这就要求在选用循环泵时, 要选择抗汽蚀性能高的循环泵。

3.2 准确控制蒸发室液位

蒸发器的液位决不能低于切向出料管得上沿, 否则蒸汽进入循环料液, 引起蒸发器强烈震动; 而液位过高, 会增大短路温差损失, 并增加二次蒸汽的雾沫夹带量。 蒸发器传统的切向进料正循环方式, 在蒸发器低浓度 (饱和浓度以下) 操作时, 蒸发器罐壁结疤问题并不严重。 随着氧化铝工艺流程的不断改进, 工艺指标的不断优化和产量的不断提高, 蒸发器所扮演的角色也发生了改变, 由原来的低浓度蒸发平衡液量, 变为结晶高浓度 (饱和浓度以上) 蒸发平衡液量, 同时为优化指标创造条件。

4 实现反循环后的技术经济效果

4.1 采取反循环蒸发后, 解决了正循环蒸发时的几个问题

解决了蒸发器罐壁结疤速度快的问题, 大大延长了蒸发器清洗周期; 避免了出现热短路, 增大了传热有效温差, 提高了蒸发器的生产能力; 杜绝了漩涡损失, 减少了循环泵的功率能耗, 延长了循环泵的效率和使用寿命; 实现了强制循环蒸发器的高浓度结晶蒸发, 满足了现在的生产工艺要求。

4.2 主要技术经济指标

根据Ⅶ组蒸发器流量显示每小时进料量为78 m3·h-1, 进料浓度为130 g·L-1, 出料浓度为240 g·L-1 (比重为1.35) , 蒸水量为36 m3·h-1, 蒸水单耗为0.40吨 (汽) /t (H2O) ; 平均每小时加汽14.4 t, 一效汽室压力到0.227 MPa, 如表2。

通过反循环结晶蒸发技术的研究和应用后, 强制循环蒸发器蒸水汽耗由原来的0.45 t/t (水) 降到0.40 t/t (水) , 蒸水能力由33提高到36 m3·h-1, 清洗周期由原来的20 d延长至90 d, 按运转率50%计算, 年节创效益73.95万元。

表2 改造后Ⅶ组反循环蒸发器操作工艺参数一览Table 2 A versa circulating evaporation machine operation craft parameter after reforming

日期 一效压力 二效压力 三效压力 冷却水温 比重 总蒸汽压力 蒸汽流量
汽室 液室 汽室 液室 汽室 液室 进口 出口
11.1 0.20 0.03 0.03 0.036 0.036 0.078 33 47 1.34 0.56 23
11.3 0.24 0.035 0.035 0.036 0.036 0.074 33 48 1.34 0.60 24
11.4 0.22 0.030 0.030 0.040 0.040 0.076 33 46 1.34 0.58 22
11.5 0.24 0.03 0.03 0.042 0.042 0.078 33 46 1.34 0.68 21
11.8 0.25 0.03 0.03 0.040 0.04 0.078 33 47 1.34 0.70 20
11.10 0.22 0.03 0.03 0.04 0.040 0.078 33 45 1.34 0.56 23
11.11 0.24 0.03 0.03 0.040 0.040 0.078 33 47 1.34 0.62 22
11.13 0.21 0.03 0.03 0.038 0.038 0.074 34 45 1.34 0.74 21
11.14 0.24 0.03 0.03 0.038 0.038 0.074 34 46 1.34 0.70 23
11.15 0.21 0.03 0.03 0.038 0.038 0.074 33 44 1.34 0.74 20
平均 0.227 1.34 21.9

参考文献

[1] 山东铝业股份有限公司.外加热强制反循环蒸发器[P].中国专利号:ZL2005 2 0081602.0, 20060419