拜耳法分解降溫系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)改造

毛 鵬

(中鋁山東工程技術(shù)有限公司， 山東 淄博 255052)

0 前言

澳大利亞鋁土礦質(zhì)量穩(wěn)定，經(jīng)濟性相對較好，但因礦石中有機碳含量相對較高，會對生產(chǎn)設(shè)備的運行帶來不利影響[1]。某鋁業(yè)公司為了進(jìn)一步提升產(chǎn)品品質(zhì)，在拜耳法生產(chǎn)氧化鋁的過程中逐步使用澳大利亞鋁土礦替代其它進(jìn)口鋁土礦，并且通過技術(shù)攻關(guān)，基本消除了澳礦中的有機物對生產(chǎn)設(shè)備運行帶來的影響。但由于在初期使用澳礦時，因其帶入的有機碳在拜爾法流程中不斷富集，逐步升高至析出臨界，使得種分分解降溫系統(tǒng)結(jié)疤嚴(yán)重，而且通過堿煮亦不能完全清除結(jié)疤，導(dǎo)致降溫系統(tǒng)運行成本升高。因此，需要進(jìn)行技術(shù)改造，以實現(xiàn)分解降溫系統(tǒng)的優(yōu)化節(jié)能。

1 拜耳法分解降溫系統(tǒng)生產(chǎn)現(xiàn)狀

1.1 拜耳法分解降溫系統(tǒng)的基本原理

拜耳法鋁酸鈉溶液主要含鋁酸鈉、氫氧化鈉溶液，以及少量的碳酸鈉及有機物等。鋁酸鈉溶液種分的驅(qū)動力是鋁酸鈉溶液的過飽和度[2]，不同濃度下的氫氧化鈉溶液，氧化鋁飽和濃度與分解溫度的關(guān)系如圖1所示。由圖1可知，溫度是影響氧化鋁過飽和度的重要因素，而拜耳法分解率和分解產(chǎn)出率主要取決于氧化鋁過飽和度,產(chǎn)品粒度和強度也直接與氧化鋁過飽和度的控制相關(guān)，因此，分解降溫系統(tǒng)設(shè)施的配置和優(yōu)化，直接影響拜耳法生產(chǎn)氧化鋁的分解產(chǎn)出率和循環(huán)熱能的提高，同時也關(guān)系到產(chǎn)品質(zhì)量的控制。

圖1 氧化鋁飽和濃度與分解溫度的關(guān)系

拜耳法分解降溫系統(tǒng)主要是按照種分分解的要求，利用鋁酸鈉溶液的過飽和度隨溫度改變而發(fā)生變化的原理，通過間接熱交換設(shè)施，進(jìn)行分解過程溫度控制，進(jìn)而實現(xiàn)對種分過程的技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)和產(chǎn)品質(zhì)量的控制[3]。

1.2 拜耳法分解降溫系統(tǒng)的設(shè)備狀況

某鋁業(yè)公司拜耳法氧化鋁生產(chǎn)線分解降溫系統(tǒng)的降溫設(shè)施主要包括附聚降溫和中間降溫設(shè)施。

1.2.1 附聚降溫設(shè)備

附聚降溫的主要設(shè)備為3組寬流道板式換熱器，每組分兩級降溫，其中一級換熱器換熱面積S=340 m2，二級換熱器換熱面積S=121 m2。正常運行時，只能開2組，另1組需要通過堿煮提高換熱效率。自生產(chǎn)線使用澳礦后，設(shè)備結(jié)疤嚴(yán)重，換熱效率明顯降低。

1.2.2 中間降溫設(shè)備

中間降溫的主要設(shè)備為4臺寬流道板式換熱器，其中3臺換熱面積S=340 m2,1臺換熱面積S=185 m2；另有7臺螺旋板換熱器，其中2臺換熱面積S=100 m2,2臺換熱面積S=150 m2，2臺換熱面積S=200 m2，1臺換熱面積S=250 m2。降溫設(shè)施因換熱器類型及規(guī)格不統(tǒng)一，運轉(zhuǎn)效率低，再加上生產(chǎn)線使用澳礦后，結(jié)疤嚴(yán)重，而且內(nèi)部流道磨損、變形，堿煮周期明顯縮短，多數(shù)已不能使用，且螺旋板換熱器使用周期更短，經(jīng)常產(chǎn)生漏料事故，造成維護和動力運行費用升高，分解率降低。

2 拜耳法分解降溫系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化方案

2.1 降溫設(shè)備選型設(shè)計

某鋁業(yè)公司拜耳法氧化鋁生產(chǎn)線，分解溫度控制條件要求首槽溫度控制在58～62 ℃，末槽出料溫度控制在51～55 ℃，分解時間為50 h。自生產(chǎn)線使用澳礦后，因設(shè)備結(jié)疤等原因，分解首槽溫度只能控制到65～70 ℃，末槽出料溫度只能控制到58～63 ℃，嚴(yán)重影響了分解溫度控制；同時，造成種分分解工藝只能采用一段法分解，增加了運行費用?；谏鲜鲈?，對分解降溫系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行選型設(shè)計。

設(shè)計所需換熱器的理論總換熱面積通過以下公式進(jìn)行計算：

S0=Q/(K0Δt)

(1)

式中：S0——換熱器理論總換熱面積，m2；

Q——換熱器換熱量，kW；

K0——換熱器傳熱系數(shù)，kW/m2·℃；

Δt——平均溫度差，℃。

其中，

Δt=[(t3-t2)-(t4-t1)]/ln[(t3-t2)/(t4-t1)]

(2)

式中：t1、t2——冷側(cè)入口、出口溫度，℃；

t3、t4——熱側(cè)入口、出口溫度，℃；

其中，

Q=cVnρ(t3-t4)/3 600

(3)

式中：c——漿液比熱容，kJ/kg·℃；

V——熱側(cè)液體流量，m3/h；

n——種分分解種子系數(shù)；

ρ——漿液比重，kg/m3。

2.1.1 附聚降溫?fù)Q熱能力計算

附聚降溫共3組寬流道板式換熱器，因原有換熱器換熱面積不統(tǒng)一，一級、二級換熱相互有制約，再加上使用澳礦后，換熱器結(jié)疤嚴(yán)重，設(shè)計停用121 m2換熱器。換熱器的換熱效率按90%計算，則現(xiàn)有換熱器的有效換熱面積S=340×3×90%=918 m2。

本次優(yōu)化設(shè)計流程，采用母液與鋁酸鈉漿液進(jìn)行換熱，設(shè)計參數(shù)見表1。將相關(guān)設(shè)計參數(shù)代入公式(1)～(3)進(jìn)行計算，總換熱面積S0=2 020.57 m2。

表1 母液與鋁酸鈉漿液換熱過程的設(shè)計參數(shù)

綜上所述，附聚降溫?fù)Q熱能力不足，理論需增加換熱面積S0-S=1 102.57 m2。根據(jù)生產(chǎn)實際需要及設(shè)備性能對比，選用340 m2寬流道板式換熱器，則

理論需增加換熱器1 102.57/340=3.24臺?？紤]到在生產(chǎn)過程中，換熱器需要輪流進(jìn)行堿煮，設(shè)計新增加5臺340 m2寬流道板式換熱器與原有3臺340 m2寬流道板式換熱器分4組(每組2臺)使用，正常生產(chǎn)時開3組，另1組進(jìn)行堿煮提高換熱效率。

2.1.2 中間降溫?fù)Q熱能力計算

中間降溫共11臺換熱器，其中3臺340 m2、1臺185 m2寬流道板式換熱器，其它7臺均為螺旋板換熱器，且大小不一。因185 m2寬流道板式換熱器和螺旋板換熱器面積小，設(shè)備使用時間較長，換熱效率低，不易檢修，再加上使用澳礦后，結(jié)疤嚴(yán)重，設(shè)計停用185 m2寬流道板式換熱器和7臺螺旋板換熱器。則現(xiàn)有換熱器有效換熱面積S=340×3×90%=918 m2

本次優(yōu)化設(shè)計流程，采用循環(huán)水與鋁酸鈉漿液進(jìn)行換熱，設(shè)計參數(shù)見表2。將相關(guān)設(shè)計參數(shù)代入公式(1)～(3)進(jìn)行計算，總換熱面積S0=2 343.71 m2。

表2 循環(huán)水與鋁酸鈉漿液換熱過程的設(shè)計參數(shù)

綜上，中間降溫需理論增加換熱面積S0-S=1 425.71 m2。根據(jù)生產(chǎn)實際需要及設(shè)備性能對比，選用340 m2寬流道板式換熱器，則理論需增加換熱器1 425.71/340=4.19臺?？紤]到在生產(chǎn)過程中，換熱器需要輪流進(jìn)行堿煮，則設(shè)計新增5臺340 m2寬流道板式換熱器，與原有的3臺340 m2寬流道板式換熱器共同使用，正常生產(chǎn)時開7臺，另1臺進(jìn)行堿煮提高換熱效率。

2.2 工藝流程優(yōu)化改造

2.2.1 降溫流程改造

根據(jù)降溫設(shè)備設(shè)計選型，結(jié)合生產(chǎn)實際情況，拆除原有停用的換熱器，合理優(yōu)化布置新增換熱器；改造縮短物料運輸距離，避免物料循環(huán)環(huán)節(jié)交叉多、遠(yuǎn)距離輸送等造成的浪費；檢查和恢復(fù)設(shè)備及管道保溫，減少散熱損失；檢查更換降溫系統(tǒng)缺失或損壞的檢測儀表，如溫度計、壓力表等，確保降溫設(shè)施按照操作要求穩(wěn)定運行。

2.2.2 循環(huán)水流程改造

根據(jù)降溫流程改造情況，優(yōu)化改造循環(huán)水流程。附聚降溫改用母液降溫，改造一級、二級換熱器冷側(cè)流程與熱側(cè)逆流運行，提升換熱效果；同時，優(yōu)化中間降溫循環(huán)水流程，避免物料循環(huán)環(huán)節(jié)交叉，減少長距離運輸，完善保溫減少熱損失，完善溫度、壓力等測量儀表，穩(wěn)定循環(huán)水供應(yīng)。

2.2.3 堿煮流程改造

根據(jù)降溫流程改造情況，優(yōu)化改造原有的堿煮流程。將附聚降溫?fù)Q熱器和中間降溫?fù)Q熱器的堿煮流程相互獨立配置；徹底清理原有堿煮管道，對漏料以及結(jié)疤嚴(yán)重的管道進(jìn)行更換；新增換熱器增加堿煮流程；完善堿煮流程保溫措施，減少熱損失。

3 節(jié)能優(yōu)化改造效果

通過對某鋁業(yè)公司拜耳法氧化鋁生產(chǎn)線降溫系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能優(yōu)化設(shè)計改造，并跟蹤測量分解降溫系統(tǒng)一年的溫度梯度控制指標(biāo)，首槽溫度為56～65 ℃，末槽出料溫度為48～55 ℃，滿足分解過程對溫度控制的要求；跟蹤檢測產(chǎn)品氫氧化鋁粒度-45 μm<15%，滿足質(zhì)量要求。

經(jīng)統(tǒng)計，節(jié)能優(yōu)化改造后，拜耳法分解降溫系統(tǒng)單位鋁酸鈉溶液電耗降低0.316 kWh/m3，汽耗降低0.003 t/m3，按照電費0.55元/kWh、蒸汽費用105元/t、生產(chǎn)線處理鋁酸鈉溶液流量1 102 m3/h、年運行8 000 h計算，則年降低運行費用(0.316×0.55+0.003×105)×1 102×8 000=430.93萬元。而項目年增加折舊費52.76萬元(考慮5%殘值)，則每年綜合節(jié)約成本430.93-52.76=378.17萬元。

4 結(jié)束語

使用澳大利亞鋁土礦生產(chǎn)拜耳法氧化鋁可提高產(chǎn)品品質(zhì)，但在生產(chǎn)過程中，因礦石中有機碳在流程中富集，給生產(chǎn)設(shè)備的運行帶來不利影響。在控制生產(chǎn)流程中有機碳含量的基礎(chǔ)上，通過對拜耳法分解降溫系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計節(jié)能優(yōu)化改造，達(dá)到了對種分分解過程技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)和產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行有效控制的目的。在今后的設(shè)計研究過程中，除了對換熱器的換熱面積進(jìn)行核算設(shè)計之外，還可以在換熱器本身的換熱效率以及換熱器運行過程中的結(jié)疤預(yù)防和處理等方面進(jìn)行深入研究探討，以實現(xiàn)持續(xù)節(jié)能改進(jìn)。