分析氧化鋁蒸發(fā)工藝技術(shù)節(jié)能降耗的工藝途徑

李 永，吳呈祥，張宗娥，孫娟娟，常 娟

（龍口東海氧化鋁有限公司，山東 煙臺(tái) 264000）

自進(jìn)入21世紀(jì)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，冶金行業(yè)中氧化鋁工業(yè)進(jìn)入全新時(shí)期，據(jù)統(tǒng)計(jì)我國(guó)氧化鋁產(chǎn)能已經(jīng)超過(guò)世界氧化鋁總產(chǎn)量的50%[1]。我國(guó)氧化鋁多采用拜耳法工藝，其優(yōu)點(diǎn)是工藝流程短、成本低等。隨著蒸發(fā)工藝技術(shù)不斷的改進(jìn)，在化工、造紙、食品等領(lǐng)域多有應(yīng)用。在氧化鋁生產(chǎn)中，蒸汽冷凝水、赤泥洗水、氫氧化鋁洗水及非生產(chǎn)水進(jìn)入流程后，循環(huán)母液濃度降低，致使生產(chǎn)波動(dòng)。蒸發(fā)的主要目的是排除流程中多余的水分，使母液濃縮至生產(chǎn)配制原液的要求，保持循環(huán)系統(tǒng)中的液量平衡，同時(shí)，以結(jié)晶的形式排出原料中攜帶的碳酸鹽及其它雜質(zhì)。

近年來(lái)，氧化鋁生產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)趨于成熟，在自動(dòng)化、節(jié)能化方面蒸發(fā)工序的設(shè)備和工藝有進(jìn)一步的發(fā)展。本文對(duì)氧化鋁行業(yè)中蒸發(fā)發(fā)展歷史及蒸發(fā)工藝流程的不斷改進(jìn)，探討蒸發(fā)工藝節(jié)能降耗的主要途徑。

1 蒸發(fā)設(shè)備發(fā)展史

蒸發(fā)設(shè)備的革新?lián)Q代是氧化鋁蒸發(fā)工序發(fā)展的主要表現(xiàn)。我國(guó)氧化鋁起步初期到如今，使用過(guò)標(biāo)準(zhǔn)式蒸發(fā)器、自然循環(huán)蒸發(fā)器、強(qiáng)制蒸發(fā)器、管式降膜蒸發(fā)器。早期工業(yè)生產(chǎn)中多使用標(biāo)準(zhǔn)式蒸發(fā)器。其加熱室是用多個(gè)垂直細(xì)管組成，在加熱室正中有直徑較大的循環(huán)管一個(gè)，由于中間循環(huán)管和加熱管的密度差的作用，溶液由粗管下降，細(xì)管上升，做循環(huán)運(yùn)動(dòng)。在當(dāng)時(shí)標(biāo)準(zhǔn)式蒸發(fā)器應(yīng)用廣泛，但其加熱面積受限、蒸汽消耗大、傳熱系數(shù)小，不符合易結(jié)晶溶液使用，因此，現(xiàn)如今標(biāo)準(zhǔn)式蒸發(fā)器已經(jīng)被淘汰。自然循環(huán)蒸發(fā)器，加熱室內(nèi)管路長(zhǎng)達(dá)9m，單臺(tái)蒸發(fā)的效率較高，能夠滿足大部分氧化鋁使用，由于其加熱室設(shè)計(jì)在蒸發(fā)室外部，有利于管束的清洗和更換，但是熱度損失高，蒸汽損耗較大，我國(guó)現(xiàn)在還有部分氧化鋁廠在使用此種蒸發(fā)器。強(qiáng)制蒸發(fā)器是為了解決自然循環(huán)蒸發(fā)器加熱管輸結(jié)疤、結(jié)晶析出及傳熱系數(shù)降低而改進(jìn)的一種蒸發(fā)器。在溶液循環(huán)管進(jìn)入蒸發(fā)器前加裝循環(huán)泵，循環(huán)泵可加快溶液循環(huán)速度，從而降低結(jié)疤生成速度，大大提高傳熱效率，其缺點(diǎn)是動(dòng)力需求大，設(shè)備易損耗。

蒸發(fā)工序中的汽耗是降低整個(gè)氧化鋁生產(chǎn)成本的關(guān)鍵，降膜蒸發(fā)器逐漸替代以上汽耗較高的蒸發(fā)器。降膜蒸發(fā)器又分為板式和管式兩種，板式降膜蒸發(fā)器起初是用在造紙行業(yè)當(dāng)中，經(jīng)過(guò)工業(yè)改進(jìn)后，現(xiàn)如今在氧化鋁等行業(yè)也有較為廣泛的應(yīng)用。板式降膜蒸發(fā)器由加熱板、筒體、液膜分離器、布膜器等組成，其核心元件加熱板是用2mm的不銹鋼板焊接加工制成。其工作原理是蒸汽進(jìn)入后在內(nèi)側(cè)冷凝，溶液順著加熱板壁呈膜狀下降，下降過(guò)程板片熱量持續(xù)蒸發(fā)溶液，二次蒸汽從板片間隙上升排出，通過(guò)液膜分離室進(jìn)入下一效循環(huán)。其優(yōu)點(diǎn)是蒸發(fā)強(qiáng)度大，傳熱效果好，汽耗低。但缺點(diǎn)也很明顯，加熱板造價(jià)高、易損、更換難度大等。

20世紀(jì)末，我過(guò)首次引進(jìn)了法國(guó)GEA-KESTNER公司的管式降膜蒸發(fā)器，21世紀(jì)初期我國(guó)實(shí)現(xiàn)管式降膜蒸發(fā)器的國(guó)產(chǎn)化，大大降低了氧化鋁建設(shè)成本[2]。其工作原理是將預(yù)熱過(guò)的溶液由頂部的布膜器進(jìn)入加熱室內(nèi)的加熱管內(nèi)，沿管壁形成液膜，利用管壁傳遞的熱量汽化蒸發(fā)，二次蒸汽也隨之進(jìn)入汽液分離室，通過(guò)液膜分離器除去夾帶的雜質(zhì)和泡沫，進(jìn)入下一效循環(huán)往復(fù)。其與板式降膜蒸發(fā)器有同樣的優(yōu)點(diǎn)，傳熱系數(shù)高、汽耗低等，但是管式降膜蒸發(fā)器的造價(jià)便宜，加熱管具有可更換性，是氧化鋁建設(shè)的首選設(shè)備。

2 蒸發(fā)工藝流程概述

在未引進(jìn)降膜蒸發(fā)器以前，我國(guó)所使用最多的為自然循環(huán)蒸發(fā)器。該設(shè)備對(duì)有效溫差的要求較高，因此，限制了多效蒸發(fā)的數(shù)量，大部分采用三效逆流蒸發(fā)，蒸發(fā)產(chǎn)能僅為60t/h左右，且汽水比率高，蒸發(fā)效率低下，汽耗大[3]。管式降膜蒸發(fā)器消除了有效溫差損失的困難，因此，由三效蒸發(fā)改為六效蒸發(fā)，產(chǎn)能更高，汽耗降低。近年來(lái)，新建氧化鋁廠，以六效管式降膜蒸發(fā)器，四效閃蒸器，加兩段出料結(jié)合的流程工藝。強(qiáng)制效循環(huán)可根據(jù)礦石和生產(chǎn)特點(diǎn)增加或減少。以山東某氧化鋁廠六效蒸發(fā)器組工藝為例：蒸發(fā)原液一部分進(jìn)入原液閃蒸器，經(jīng)過(guò)VI效和V效蒸發(fā)后出料泵打出；另一部分進(jìn)入Ⅳ效后逐級(jí)蒸發(fā)，Ⅰ效蒸發(fā)器出料后溶液進(jìn)入四級(jí)閃蒸器閃蒸，由末級(jí)閃蒸器出料完成，部分進(jìn)入強(qiáng)制效排鹽。Ⅰ效加熱室使用的新蒸汽絕壓在0.6MPa左右，加熱后物料在Ⅰ效分離室閃蒸出二次蒸汽。Ⅰ效二次蒸汽進(jìn)入Ⅱ效蒸發(fā)器加熱物料，以此逐級(jí)進(jìn)行，VI效的二次蒸汽在水冷器內(nèi)與循環(huán)水直接冷凝。新蒸汽冷凝水進(jìn)行多級(jí)閃蒸充分利用余熱；各效二次蒸汽冷凝水在本效冷凝罐內(nèi)收集，在下一效冷凝水罐閃蒸利用余熱。通過(guò)監(jiān)測(cè)新蒸汽及二次蒸汽冷凝水的電導(dǎo)率自動(dòng)調(diào)節(jié)三通閥門，把合格水和不合格水送往不同的水槽。合格水供電廠鍋爐使用，不合格水送往其他工序。

3 蒸發(fā)工序節(jié)能降耗的途徑

3.1 過(guò)飽和蒸汽的處理

熱電廠為了降低蒸汽輸送過(guò)程中的損耗及避免水擊效應(yīng)，會(huì)將過(guò)飽和蒸汽的方式進(jìn)行遠(yuǎn)距離輸送[4]。蒸發(fā)工序如果直接使用過(guò)飽和蒸汽對(duì)設(shè)備和傳熱系數(shù)會(huì)有以下兩方面的影響。①加快管壁結(jié)疤速度和設(shè)備損耗。蒸發(fā)原液中含有鋁硅酸鈉，由于過(guò)飽和溫度遠(yuǎn)高于飽和溫度，因此，鋁硅酸鈉在加熱管壁上析出速度加快，隨時(shí)間增長(zhǎng)在管壁上形成質(zhì)地堅(jiān)硬的結(jié)疤，降低傳熱效率，如不及時(shí)清理還會(huì)造成管道堵塞，而頻繁的清理導(dǎo)致設(shè)備損耗加快。②過(guò)飽和蒸汽換熱表面溫度呈階梯式下降，加熱室材質(zhì)發(fā)生熱應(yīng)力，長(zhǎng)此以往會(huì)導(dǎo)致加熱室泄露，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。

為避免過(guò)飽和蒸汽對(duì)蒸發(fā)器以及生產(chǎn)上的影響，在新蒸汽進(jìn)入蒸發(fā)器之前，加減溫減壓器，即使用蒸發(fā)合格水與過(guò)飽和蒸汽換熱，將溫度降至飽和蒸汽范圍內(nèi)，維持蒸發(fā)器高效率運(yùn)作。

3.2 結(jié)疤清洗有利于傳熱效率的提升

蒸發(fā)過(guò)程中，原液內(nèi)含有的二氧化硅、碳酸鈉、硫酸鈉在高溫下很容易附著在加熱管壁上，形成堅(jiān)硬的結(jié)疤，嚴(yán)重影響傳熱效率[5]。對(duì)結(jié)疤的定期清洗能顯著提升傳熱效率。其中，碳酸鈉和硫酸鈉可使用水清洗排出，具體步驟為：排空蒸發(fā)器內(nèi)的溶液，利用閥門切換進(jìn)溶液管為進(jìn)水管，蒸汽加熱水至90℃左右，進(jìn)行循環(huán)清洗7h左右，排出殘?jiān)?。鋁硅酸鈉會(huì)形成鋁硅渣結(jié)疤可使用酸液進(jìn)行清洗，通過(guò)閥門隔離需要酸洗的設(shè)備，將8%的硫酸添加緩蝕劑后，進(jìn)入酸洗流程開始清洗，完成后廢酸回收。

另外，絮凝劑、脫水機(jī)等表面活性劑在氧化鋁使用頻繁，有部分學(xué)者指出，阻垢劑在氧化鋁蒸發(fā)工序使用后，可使結(jié)疤松散脫落。阻垢劑在未來(lái)的發(fā)展與蒸發(fā)器結(jié)疤的去除契合度較高，對(duì)于節(jié)能降耗有積極的作用。

3.3 過(guò)料量的合理調(diào)節(jié)有利于降低成本

蒸發(fā)器以及附屬設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行老化后，蒸發(fā)效率下降。隨著生產(chǎn)的變化，蒸發(fā)器的溶液流量也要隨之調(diào)節(jié)，可有效減少運(yùn)行成本[6]。但是蒸發(fā)器附屬設(shè)備中的循環(huán)泵、過(guò)料泵多為普通電機(jī)，僅靠改變閥門開度調(diào)節(jié)物料流量，不僅浪費(fèi)人力，而且電機(jī)保持轉(zhuǎn)速不變，造成電力的浪費(fèi)，不能滿足生產(chǎn)需求。近年來(lái)，變頻技術(shù)在我國(guó)應(yīng)用廣泛，通過(guò)改變電機(jī)頻率可降低電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到調(diào)節(jié)泵流量的目的。隨著生產(chǎn)需要流量需求變小，通過(guò)變頻技術(shù)與DCS系統(tǒng)的結(jié)合操作，可隨時(shí)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速降低流量，不僅節(jié)省人力，還節(jié)省大量的電力。

3.4 末效真空度的提高意義重大

在蒸發(fā)工序中，如果末效真空降低，會(huì)導(dǎo)致蒸發(fā)器壓力倍增，溶液的沸點(diǎn)也隨之升高，想要達(dá)到蒸發(fā)合格的原液就需要消耗更多的新蒸汽。真空度的維持是采用真空泵和冷水器相結(jié)合的方法，因此，冷水器的上水溫度和真空泵的運(yùn)行效率尤為重要，需要重點(diǎn)關(guān)注。

3.5 原液溫度增加和原液閃蒸器的應(yīng)用

母液蒸發(fā)是主要汽耗工序占總汽耗的一半以上[7]。在此方向上，很多企業(yè)會(huì)增加原液閃蒸器并提高原液的溫度來(lái)降低蒸汽消耗，即保持原液高溫進(jìn)入蒸發(fā)前，先于獨(dú)立的槽罐中進(jìn)行一次閃蒸工序，閃蒸后的蒸汽進(jìn)入末效，這樣可以更大限度的利用蒸汽，提高熱效率轉(zhuǎn)換，間接降低蒸汽消耗。

3.6 進(jìn)出料工序的改進(jìn)

蒸發(fā)器進(jìn)料方式可分為順流、逆流、混合流三種，大多氧化鋁廠為逆流進(jìn)料，但是全逆流進(jìn)料方式弊端明顯，不適合原液高濃度和高溫度的情況。因此，許多老舊蒸發(fā)工序?qū)θ媪鬟M(jìn)料方式進(jìn)行了兩段進(jìn)料、兩段出料的技改，技改完成運(yùn)行后，與前者相比，汽耗明顯下降，且溶液指標(biāo)控制更為方便。