赤泥漿液長距離管道輸送的換熱研究及應(yīng)用

田 侶，孔蓮蓮

(中鋁國際貴陽鋁鎂設(shè)計研究院有限公司，貴州 貴陽 550081)

0 引 言

近幾年，國內(nèi)新建氧化鋁廠為滿足環(huán)保等要求，通常將赤泥堆場選址在距離氧化鋁廠區(qū)較遠(yuǎn)的區(qū)域，赤泥壓濾車間建設(shè)在赤泥堆場附近。因此赤泥沉降分離及洗滌車間或赤泥泵房送出的赤泥漿液需經(jīng)過較長距離才能到達(dá)赤泥壓濾車間。選擇管道輸送時，赤泥輸送管線上的主要物料有3項：①從氧化鋁廠區(qū)到赤泥堆場的赤泥漿液；②從赤泥堆場附近壓濾車間返回的濾液；③從堆場返回的場壩回水。

這3種物料中場壩回水是室溫物料，輸送管道不需要保溫。赤泥漿液輸送管道若沒有進(jìn)行保溫，經(jīng)長距離輸送后，熱量在輸送過程中大量散失，甚至可能在到達(dá)赤泥壓濾車間時赤泥漿液溫度已降至環(huán)境溫度，返回的濾液溫度也與環(huán)境溫度相同，不需保溫。赤泥漿液輸送管道若進(jìn)行保溫，返回的濾液溫度相對較高，具體溫度與輸送距離及保溫材料有關(guān)。若返回濾液管道也進(jìn)行保溫，那么返回?zé)崴拒囬g時，將其加熱至洗水溫度所需的熱量較少；若返回濾液管道不保溫，則將其加熱至洗水溫度所需的熱量較多。但在進(jìn)行赤泥漿液長距離管道輸送時，因氧化鋁廠區(qū)和赤泥堆場距離遠(yuǎn)，赤泥輸送管線路由長，管道保溫耗材量大，成本高昂。

1 換熱需求的背景

為節(jié)約投資，當(dāng)赤泥漿液長距離管道輸送且廠址位于南方(管內(nèi)物料在冬季不會凍結(jié))時，為防止?fàn)C傷，需對管道進(jìn)行保溫，但因輸送距離較遠(yuǎn)，在到達(dá)赤泥壓濾車間后溫度較低，從赤泥壓濾返回的濾液溫度也較低，甚至趨于室溫。濾液返回?zé)崴竞?，進(jìn)入氧化鋁生產(chǎn)系統(tǒng)作為赤泥洗水使用，因其溫度低，為保證赤泥沉降分離洗滌效果，需對返回的濾液進(jìn)行加熱處理。傳統(tǒng)流程通常選用新蒸汽作為加熱媒介，也有通過將赤泥濾液加入末洗沉降槽進(jìn)行提溫[1]和利用稀釋槽二次乏汽加熱赤泥濾液的方法[2]。

綜上所述，送去赤泥壓濾車間的赤泥漿液熱量流失而返回的濾液需加熱。這2種物料一來一往，都位于氧化鋁廠區(qū)與赤泥堆場之間的管架線路上，且都是連續(xù)物料，在空間上和時間上保持完美一致。因此，若將這2種物料進(jìn)行換熱，即可將赤泥漿液流失的熱量進(jìn)行部分回收，用于加熱赤泥壓濾的返回濾液，降低能耗，具體流程設(shè)計見圖1。

圖1 赤泥漿液與壓濾濾液換熱設(shè)計工藝圖Fig.1 Process diagram illustrating the design of heat transfer between red mud slurry and pressure filtration filtrate

如圖1所示，熱側(cè)介質(zhì)為赤泥漿液，進(jìn)料溫度約為85 ℃，需冷卻至≤50 ℃以防止?fàn)C傷；冷側(cè)介質(zhì)為壓濾濾液，進(jìn)料溫度為室外溫度。通過換熱設(shè)備進(jìn)行換熱后，赤泥漿液溫度降低去赤泥壓濾車間，壓濾濾液溫度升高去熱水站。

2 換熱設(shè)備

2.1 換熱設(shè)備的選擇

氧化鋁工業(yè)中常用的換熱設(shè)備有板式換熱器和套管換熱器2種。常用板式換熱器主要有寬流道板式換熱器和螺旋板式換熱器2種；常用套管換熱器主要有單(多)套管換熱器和列管式換熱器2種。2種換熱器的使用情況對比見表1。

表1 板式換熱器及套管換熱器使用情況比較[3-4]Tab.1 Comparison of plate heat exchangers and double-pipe heat exchanger usage[3-4]

如表1所示，當(dāng)進(jìn)行長距離輸送時，赤泥漿液管道的壓力較大(可達(dá)10 MPa)，且因含有固體顆粒磨損也較大，因此盡管板式換熱器的占地小，傳熱系數(shù)高，價格更低廉，但板式換熱器的設(shè)備結(jié)構(gòu)不適用于赤泥漿液的換熱。而套管換熱器構(gòu)造簡單、能耐高壓，傳熱面積的選擇比較方便，雙方的介質(zhì)可作嚴(yán)格的逆流，有利于傳熱[5]，且不易堵塞，檢修及清洗也較方便，更適用于赤泥漿液的換熱。

2.2 換熱流程的考慮

套管換熱器有多種換熱方式，如順流，逆流，混流，或幾種流態(tài)結(jié)合等，具體選擇取決于介質(zhì)特性和經(jīng)濟指標(biāo)。赤泥漿液與壓濾濾液換熱設(shè)計中，赤泥漿液作為熱介質(zhì)位于內(nèi)管，赤泥壓濾濾液作為冷介質(zhì)位于外管。外管冷介質(zhì)底部進(jìn)料，頂部出料，從而使熱介質(zhì)和冷介質(zhì)充分換熱。換熱器可置于氧化鋁廠區(qū)內(nèi)管網(wǎng)支架上，盡可能靠近赤泥沉降車間和熱水站車間，減少熱量流失，也方便檢修。

因傳熱系數(shù)小，當(dāng)選用套管進(jìn)行換熱時，為增大傳熱面積，可選擇多套管或列管式換熱器。多套管換熱器和列管式換熱器示意見圖2-4。

圖2 多套管換熱器組示意圖Fig.2 Schematic diagram of multiple-tube heat exchangers

圖3 三套管換熱器截面設(shè)計示意圖Fig.3 Cross-section design schematic diagram of three sets of tube heat exchangers

圖4 列管式換熱器示意圖Fig.4 Schematic diagram of a tube-and-shell heat exchanger

多套管換熱器和列管式換熱器的使用情況比較見表2。

表2 多套管換熱器與列管式換熱器使用情況比較Tab.2 Comparison of multi-tube heat exchangers and tube-and-shell heat exchangers usage

由表2可知：赤泥漿液和壓濾濾液的換熱設(shè)備更適宜選擇多套管換熱器。

3 工業(yè)應(yīng)用

以某氧化鋁廠為例，進(jìn)行管道換熱計算。該氧化鋁廠區(qū)年產(chǎn)110萬t，距離赤泥堆場25 km，赤泥量為145 t/h，赤泥漿液固含35 %，溫度85 ℃，漿液比熱2.98 kJ/℃.kg，赤泥輸送管線上管道無保溫。沉降車間采用隔膜泵輸送赤泥漿液，隔膜泵出口壓力8.0 MPa。返回濾液103 t/h，溫度35 ℃，濾液比熱3.93 kJ/℃.kg，壓力3.0 MPa。赤泥漿液與壓濾濾液套管換熱計算見下表3。

表3 赤泥漿液與壓濾濾液的換熱計算Tab.3 Calculation of heat exchange between red mud slurry and pressure filtration filtrate

如表3所示，返回濾液經(jīng)換熱后可提升約55 ℃，經(jīng)計算，此換熱可節(jié)省新蒸汽(180 ℃)消耗約7.74 t/h，蒸汽成本按93元/t計算可得，每年可節(jié)省約5 990萬元。此時，赤泥漿液溫度尚未降至防燙傷溫度(≤ 50℃)，可繼續(xù)與新水進(jìn)行換熱。

4 結(jié) 語

赤泥漿液長距離管道輸送的換熱設(shè)計是一種氧化鋁廠赤泥漿液長距離輸送中的熱回收工藝的方法，將拜耳法氧化鋁廠的赤泥輸送管線上的赤泥漿液和赤泥壓濾返回濾液進(jìn)行套管換熱，利用赤泥漿液和赤泥壓濾返回濾液之間的溫差，將赤泥漿液的熱能回收利用。該設(shè)計取消了赤泥輸送管線上赤泥漿液和壓濾濾液管道的保溫，通過2種流體間的換熱，既延長了赤泥壓濾車間壓濾機濾布的使用壽命，又減少了蒸汽的使用量，流程簡單、投入成本低，運行過程無任何能耗。