多級閃蒸蒸發(fā)在氧化鋁生產(chǎn)中的應(yīng)用探討

李志國

(沈陽鋁鎂設(shè)計研究院有限公司,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,運營理念以及蒸發(fā)工藝都對蒸發(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)和多級閃蒸蒸發(fā)幾種,國內(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)和多級閃蒸蒸發(fā)[2]。 2021年中國進(jìn)口鋁土礦超過1億噸,越來越多的國內(nèi)氧化鋁企業(yè)逐漸轉(zhuǎn)為采用進(jìn)口礦生產(chǎn),中國鋁企業(yè)近年來也加大了走出去到海外礦源地建廠的步伐,對于國際上采用較多的多級閃蒸蒸發(fā)工藝的研究逐漸迫切起來。

國內(nèi)氧化鋁企業(yè)對于多效管式降膜蒸發(fā)進(jìn)行了很多研究,對于蒸發(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格,設(shè)備供應(yīng)商的裝備水平,目前國內(nèi)新建項目主要以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)運轉(zhuǎn)率,而多級閃蒸蒸發(fā)由于溶液堿濃度和溫度通常不同時達(dá)到苛刻條件,對于運營維護(hù)較為有利,但是多級閃蒸蒸發(fā)也有著蒸水能力小,汽水比高等固有的缺點。因此,有必要對不同的蒸發(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,并針對可能采用的三種多級閃蒸蒸發(fā)流程進(jìn)行了測算比較,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 多級閃蒸蒸發(fā)

1.1 工藝流程

典型的多級閃蒸蒸發(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),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),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),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 多級閃蒸蒸發(fā)流程框圖

1.2 應(yīng)用案例

多級閃蒸蒸發(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 多級閃蒸蒸發(fā)應(yīng)用案例

2 多級閃蒸蒸發(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)備及流程的對比如表2所示。

表2 主體設(shè)備及流程對比表

2.2 優(yōu)劣勢分析

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,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閃蒸蒸發(fā)流程中無法被回收利用,汽水比較高;多級閃蒸蒸發(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,多級閃蒸蒸發(fā)中溫度最高點的堿濃度較低,而降膜蒸發(fā)溫度最高點的堿濃度較高,多級閃蒸蒸發(fā)相比管式降膜蒸發(fā)對設(shè)備的堿腐蝕要小得多,兩種蒸發(fā)技術(shù)的主要優(yōu)缺點對比如表3所示。

表3 兩種蒸發(fā)技術(shù)優(yōu)缺點對比表

3 方案測算

多級閃蒸蒸發(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,以下分別對這三種方案進(jìn)行測算。

3.1 計算條件

三個方案的主要流程及計算條件如表4所示。

表4 計算條件

3.2 計算結(jié)果

3.2.1 溫度分布

三個方案中蒸發(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 各級閃蒸沸點升和閃蒸汽量

三個方案各級閃蒸的沸點升分布和閃蒸汽量分布如圖3、圖4所示。

圖3 沸點升分布

圖4 各級閃蒸汽量分布

由圖3可知,無論是出料小循環(huán)還是出料大循環(huán),都提高了溶液的運行濃度,造成了沸點升增加;由圖4可知,出料大循環(huán)方案均勻增加了各級閃蒸的蒸汽量,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,后兩級閃蒸汽量增加較多。

3.2.3 各級預(yù)熱對數(shù)溫差和換熱面積

三個方案各級預(yù)熱對數(shù)溫差和換熱面積分布如圖5、圖6所示。

圖5 各級預(yù)熱對數(shù)溫差分布

圖6 各級預(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升均勻增加,對數(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,提高了對數(shù)傳熱溫差,與之相對應(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)

三個方案經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對比如圖7所示。

圖7 經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對比

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現(xiàn)了蒸發(fā)強度的增加,同時經(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,實現(xiàn)了在降低換熱面積的同時增加了蒸發(fā)強度,此時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,多級閃蒸蒸發(fā)由于避免了堿濃度和溫度同時達(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,可以選擇多級閃蒸的基準(zhǔn)方案,從而提高運行的經(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的熱源需要低溫冷源時可以選擇出料小循環(huán)方案。

多級閃蒸蒸發(fā)相比管式降膜蒸發(fā)有著明顯的優(yōu)缺點,在應(yīng)用多級閃蒸蒸發(fā)技術(shù)時需揚長避短,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。如:多級閃蒸系統(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,這個溫差應(yīng)盡可能大,提高運行的經(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。