無閃蒸溶出主要經(jīng)濟指標測算

李志國

(沈陽鋁鎂設計研究院有限公司,遼寧 沈陽 110001)

我國溶出最早采用原蘇聯(lián)50年代的技術和裝備進行生產(chǎn),其中預熱部分采用列管式加熱器,停留部分采用壓煮溶出器;上世紀90年代先后投產(chǎn)的山西鋁廠和平果鋁廠引進了法國彼施涅鋁業(yè)公司的“管道預熱-壓煮器加熱溶出”的間接加熱溶出技術及裝備,鄭州鋁廠引進了德國VAW公司的“管道化間接加熱溶出”技術及裝備[1-3],這些工藝技術除了在溶出溫度和停留時間等工藝參數(shù)上有區(qū)別之外,主要區(qū)別是采用的設備形式不同,但都是采用料漿閃蒸二次汽對進料料漿進行間接預熱。

德國VAW公司的管道化溶出技術在常規(guī)的乏汽料漿換熱、熔鹽加熱、管道停留之前設置了一級末閃出料料漿與進料低溫料漿的料料間接換熱,用以進一步降低出料溫度,提高預熱溫度,改善溶出工序自身的熱效率[4]。采用高溫料漿直接預熱低溫進料料漿,流程比較簡單,不需要通過料漿閃蒸降溫,二次汽冷凝加熱低溫料漿的過程就實現(xiàn)了熱量從高溫料漿到低溫料漿的傳遞,但是簡化流程的同時閃蒸降溫附帶的蒸水收益就沒有了,近幾年國內(nèi)部分氧化鋁廠取消了料漿閃蒸系統(tǒng),全部采用高溫料漿和低溫料漿換熱,那么這種流程的經(jīng)濟性如何呢?本文主要側(cè)重于從理論上分析了無閃蒸溶出流程相比有閃蒸流程的經(jīng)濟性,不考慮取消閃蒸對于投資的影響,以及是否有高效、經(jīng)濟的換熱設備清理方式,以期從原理上分析該技術路線的經(jīng)濟性,為廣大從業(yè)者借鑒。

1 理論分析

溶出就是在一定的溫度和堿濃度下,將礦石中的氧化鋁溶解到溶液中,并提供具有可以接受溶出分子比條件的溶出液供后續(xù)使用,具體的反應如式(1)所示。

(1)

有無閃蒸對于溶出的影響主要體現(xiàn)在完成溶出過程后的堿濃度是否增加,無閃蒸溶出流程下,在不通過額外蒸發(fā)補充系統(tǒng)蒸水的條件下,溶出過程的堿濃度體系保持不變,此時對于溶出過程沒有直接影響,其影響主要體現(xiàn)在減少了赤泥洗滌用水;在通過蒸發(fā)過程補充蒸水的條件下,溶出過程的堿濃度增加,高堿濃度對于金屬腐蝕有害,但對于溶出過程總體來說是有利的。

也就是說從理論上來說取消閃蒸過程對于溶出自身來說是可以接受的,但是到具體項目上要根據(jù)取消閃蒸后的差異測算對整個系統(tǒng)的影響,綜合評估投資和經(jīng)濟性。

2 流程簡述

無閃蒸溶出的新蒸汽和新蒸汽冷凝水加熱、停留溶出流程和所采用的設備與有閃蒸溶出完全一致,停留溶出的高溫出料料漿返回預熱套管與進料低溫原礦漿間接換熱,這是最主要的差別,之后從稀釋槽進入后續(xù)工序,其工藝流程框圖如圖1所示。

圖1 無閃蒸溶出流程框圖

3 兩種流程對比

有閃蒸和無閃蒸溶出兩種工藝流程的主要差異對比如表1所示。

表1 兩種溶出流程差異對比

兩種工藝由于換熱方式的差異,造成了對于系統(tǒng)的不同影響:

(1) 有無閃蒸,最直觀的變化就是,無閃蒸溶出流程取消了料漿閃蒸槽、二次汽冷凝水閃蒸槽及配套的蒸汽管道、閥門等,簡化了流程,對于設備投資及運行電耗的影響。

(2) 傳熱方式不同,會造成傳熱溫差、傳熱系數(shù)的變化,需要考察對于換熱設備投資和運行功率的影響。

(3) 溶出不蒸水,如果不通過蒸發(fā)補充不足部分,則赤泥洗水同比例減少,增加了赤泥附損;如果通過蒸發(fā)補充減少的溶出蒸水部分,則溶出過程堿濃度提高,溶出進料量降低,喂料泵功率降低,溶出汽耗降低,但同時蒸發(fā)汽耗增加。

4 無閃蒸對系統(tǒng)的影響分析

4.1 溶出汽耗

以某一具體的高濃度高溫溶出為例,系統(tǒng)有閃蒸流程,進出溶出系統(tǒng)各部分熱量分項占比如表2所示。

表2 進出溶出系統(tǒng)熱量分項占比

由表2可知,新蒸汽(扣除冷凝水回水)提供給溶出過程的熱量,主要用于料漿升溫,二次汽冷凝水帶走,化學反應熱消耗和散熱損失,其中影響最為顯著的就是料漿離開溶出系統(tǒng)的溫度,在無閃蒸條件下,由于系統(tǒng)的堿濃度較低,造成沸點升較低,溶出出料料漿的溫度可以相對更低,更多的熱量在溶出系統(tǒng)內(nèi)部被二次利用,降低了溶出自身的汽耗;另外一個影響因素就是二次汽冷凝水,其對于溶出汽耗的影響,主要是離開溶出系統(tǒng)的溫度與料漿不同,在有閃蒸時,二次汽冷凝水的溫度較低,更多的熱量被溶出自身二次利用,溶出汽耗相對較低,在考察某一具體過程的蒸汽消耗時需要進行針對性的計算以確定以上兩個因素的綜合影響。

4.2 溶液沸點升

溶液的沸點升與溶液的堿濃度和溫度密切相關,系統(tǒng)的堿濃度體系,以及在溶出過程中是否發(fā)生閃蒸改變堿濃度,都會對溶液的沸點升產(chǎn)生顯著的影響,沸點升反過來又會影響閃蒸二次蒸汽的溫度,進而對傳熱溫差、傳熱面積產(chǎn)生影響,以某一具體項目為例,圖2～圖4分別列出了低溫溶出、低濃度高溫溶出和高濃度高溫溶出在有無閃蒸條件下各級閃蒸出料沸點升的變化。

圖2 低溫溶出各級閃蒸出料沸點升變化

圖3 低濃度高溫溶出各級閃蒸出料沸點升變化

圖4 高濃度高溫溶出各級閃蒸出料沸點升變化

由圖2～圖4分析可知,系統(tǒng)的堿濃度越高、溫度越高,沸點升越高,而高濃度高溫溶出條件下,相比低溫溶出,有無閃蒸過程對于各級閃蒸出料沸點升的影響最為顯著,最大達到了7℃。

4.3 傳熱溫差

由于傳熱過程由蒸汽冷凝傳熱變?yōu)榱蠞{和料漿逆流或順流傳熱,其傳熱溫差的計算方式有差異,以低溫溶出末閃匹配第一級預熱為例,進行相關計算如下:

根據(jù)《傳熱學》[5],順流和逆流傳熱的對數(shù)溫差計算采用式(2)。

(2)

式中:Δtm——對數(shù)溫差,℃;

Δtmax——熱端溫差,℃;

Δtmin——冷端溫差,℃。

逆流傳熱對數(shù)溫差為:Δt1=[(120-88)-(112-79)]/ln[(120-88)/(112-79)]=32.50℃

并流傳熱對數(shù)溫差為:Δt2=[(120-79)-(112-88)]/ln[(120-79)/(112-88)]=31.74℃

蒸汽冷凝傳熱溫差為:

由蒸汽冷凝傳熱變?yōu)槟媪鱾鳠?傳熱溫差增加79%;變?yōu)椴⒘鱾鳠?傳熱溫差增加75%,對于傳熱過程來說是比較有利的,無論是采用順流還是逆流對于對數(shù)傳熱溫差的增幅影響有限。傳熱溫差的差異,將帶來相同換熱效果下?lián)Q熱面積的差異,進而影響換熱部分的投資和喂料泵功率。

4.4 傳熱系數(shù)

根據(jù)《化工原理》[6]中的方法,按照式(3)分別計算蒸汽冷凝換熱,料漿和料漿換熱的傳熱系數(shù)。

(3)

式中:αi、αo——管內(nèi)外側(cè)對流傳熱系數(shù),

W/(m2·℃);

Rsi、Rso——管內(nèi)外側(cè)污垢熱阻,

(m2·℃)/W;

b——厚度,m;

λ——熱導率,W/(m·℃)。

根據(jù)計算可知料漿和料漿傳熱系數(shù)/蒸汽冷凝傳熱系數(shù)等于65%,改為料漿和料漿換熱后對于傳熱過程來說是不利的,傳熱系數(shù)降低35%。傳熱系數(shù)的差異,將帶來相同換熱效果下?lián)Q熱面積的差異,進而影響換熱部分的投資和喂料泵功率的變化。

5 經(jīng)濟性分析

5.1 低溫溶出

5.1.1 系統(tǒng)總蒸水不變

采用無閃蒸流程后,溶出蒸水通過蒸發(fā)補充,保持系統(tǒng)總蒸水不變,此時各部分的蒸汽消耗見圖5。

圖5 各部分蒸汽消耗

由圖5分析可知,無閃蒸流程單純對比溶出自身汽耗是降低的,但是如果需要蒸發(fā)多蒸水則溶出和蒸發(fā)的總蒸汽消耗是增加的。

5.1.2 系統(tǒng)總蒸水降低

如果不考慮通過增加蒸發(fā)蒸水量來保持系統(tǒng)總蒸水不變,則全廠蒸水量下降,此時各部分的蒸汽消耗圖6。

圖6 各部分蒸汽消耗

此時溶出自身汽耗下降,溶出和蒸發(fā)總汽耗也下降,同時赤泥洗水減少,由此造成的赤泥附堿損失增加為6.86 kg/t-AO。按照蒸汽單價80元/t,片堿2624元/t計算,損失的堿成本為18元/t-AO,降低的蒸汽成本為1.28元/t-AO,此種運行方式不經(jīng)濟。

5.2 高溫溶出

5.2.1 系統(tǒng)總蒸水不變

采用無閃蒸流程后,溶出蒸水通過蒸發(fā)補充,保持系統(tǒng)總蒸水不變,此時各部分的蒸汽消耗見圖7、圖8。

圖7 低濃度高溫溶出各部分蒸汽消耗

圖8 高濃度高溫溶出各部分蒸汽消耗

由圖7、圖8分析可知,無閃蒸流程單純對比溶出自身汽耗是降低的,但是如果需要蒸發(fā)多蒸水則溶出和蒸發(fā)的總蒸汽消耗是增加的。

5.2.2 系統(tǒng)總蒸水降低

如果不考慮通過增加蒸發(fā)蒸水量來保持系統(tǒng)總蒸水不變,則全廠蒸水量下降,此時各部分的蒸汽消耗見圖9、圖10。

圖9 低濃度高溫溶出各部分蒸汽消耗

圖10 高濃度高溫溶出各部分蒸汽消耗

由圖9、圖10分析可知,此時溶出自身汽耗下降,總蒸汽消耗也下降,但是赤泥洗水大幅度降低,赤泥洗水量和溶出蒸水量基本相當,此時無法運行,因此不做增加附堿損失與蒸汽消耗之間的經(jīng)濟測算分析。在實際運行過程中,不能將某一具體工廠所有高溫溶出生產(chǎn)線全部改為無閃蒸流程,此時對于赤泥洗滌的影響過大,生產(chǎn)上無法實現(xiàn)。

6 結(jié)論及建議

在相同條件下,保持系統(tǒng)蒸水量不變,無閃蒸溶出流程相比有閃蒸溶出流程綜合蒸汽消耗更高;降低低溫溶出時全系統(tǒng)蒸水量,帶來的附堿損失高于降低蒸汽消耗的收益;高溫溶出時,不采用蒸發(fā)補償系統(tǒng)蒸水不足的方案,對于赤泥洗水的影響過大,不具有可實施性。

(1) 單純從蒸汽消耗角度分析,無閃蒸流程在溶出工序的蒸汽消耗是降低的,但是從全廠的角度來看,蒸汽總消耗是增加的。

(2) 無閃蒸流程由于降低了系統(tǒng)的沸點升,可以允許出料溫度更低一些而不沸騰,由此帶來了溶出汽耗降低的可能性。

(3) 礦石品質(zhì)好,系統(tǒng)蒸水需求小的低溫溶出,為了簡化流程可以考慮采用無閃蒸流程。

(4) 在產(chǎn)氧化鋁廠一般設計年限較長,換熱面積普遍不足,如果解決了套管結(jié)疤清洗問題,可以用來作為補充溶出換熱面積不足的一個折中選項。