氧化鋁蒸發(fā)工序節(jié)能降耗途徑探討

1、高等學(xué)校工程熱物理第十六屆全國(guó)學(xué)術(shù)會(huì)議論文集 編號(hào):B-100026 氧化鋁蒸發(fā)工序節(jié)能降耗途徑探討李時(shí)民,彭小奇,張建智,宋彥坡,武春陽(yáng)(中南大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙,410083摘 要:蒸發(fā)工序是氧化鋁生產(chǎn)的重要工序之一,其能耗的高低直接制約了氧化鋁生產(chǎn)工業(yè)的發(fā)展。本文主要從升級(jí)設(shè)備、優(yōu)化工藝及應(yīng)用系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)三個(gè)主要途徑,討論了氧化鋁蒸發(fā)工序節(jié)能降耗的方法。關(guān)鍵詞:氧化鋁;蒸發(fā)工序;節(jié)能降耗前言蒸發(fā)是將溶液加熱至沸騰,使其中的部分溶劑汽化并被移除,以提高溶液中溶質(zhì)濃度的操作。被蒸發(fā)的溶液由不揮發(fā)性的溶質(zhì)和揮發(fā)性的溶劑組成。蒸發(fā)是重要的化工單元之一,尤其在氧化鋁制造行業(yè)。氧化鋁

2、蒸發(fā)工序的主要任務(wù)是:排出氧化鋁生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的多余水分,保證水分的平衡;濃縮生產(chǎn)過(guò)程中的循環(huán)母液,使堿液循環(huán)使用;結(jié)晶析出母液中的部分鹽類,達(dá)到除雜的目的,從而確保氧化鋁生產(chǎn)的正常進(jìn)行。隨著氧化鋁生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大,蒸發(fā)工序能耗的高低制約了氧化鋁生產(chǎn)工業(yè)的發(fā)展。據(jù)第十屆氧化鋁技術(shù)信息交流會(huì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),蒸發(fā)能耗約占氧化鋁生產(chǎn)能耗的20% 25%,汽耗占總汽耗的48%52%,占生產(chǎn)成本的10%12%1。為了降低氧化鋁生產(chǎn)蒸發(fā)工序的能耗,各氧化鋁廠和研究機(jī)構(gòu)主要從升級(jí)設(shè)備、優(yōu)化工藝以及應(yīng)用系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)等方面來(lái)開(kāi)展和推進(jìn)氧化鋁生產(chǎn)的節(jié)能降耗工作2,3。1升級(jí)設(shè)備自20世紀(jì)60年代以來(lái),我國(guó)氧化鋁蒸發(fā)工

3、藝設(shè)備的發(fā)展,大致經(jīng)歷的過(guò)程為:中央循環(huán)管式蒸發(fā)器、自然循環(huán)蒸發(fā)器、強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)器;管式升膜蒸發(fā)器、管式降膜蒸發(fā)器、板式降膜蒸發(fā)器等?？梢钥闯?發(fā)展歷程大致經(jīng)歷了從循環(huán)式到非循環(huán)式(單程式、非膜式到膜式的一系列改進(jìn)和創(chuàng)新過(guò)程?；痦?xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)資助項(xiàng)目(60634020, 湖南教育廳科技資助項(xiàng)目(08W0031.1循環(huán)式、非膜式的蒸發(fā)設(shè)備中央循環(huán)管式蒸發(fā)器,是最常見(jiàn)的短管蒸發(fā)器,它主要由加熱室、蒸發(fā)室、中央循環(huán)管和除沫器組成。它適用于粘度適中,結(jié)垢不嚴(yán)重,及腐蝕性不大的場(chǎng)合。有結(jié)晶析出時(shí)增設(shè)攪拌器2 。由于中央循環(huán)管式蒸發(fā)器加熱面積受到限制,逐漸不能滿足大工業(yè)生產(chǎn)的需求。20世紀(jì)末

4、,國(guó)內(nèi)混聯(lián)法氧化鋁生產(chǎn)主要用外熱式自然循環(huán)蒸發(fā)器。這種蒸發(fā)器的加熱管較長(zhǎng)(7m9 m,循環(huán)管沒(méi)有受到蒸汽的加熱,溶液的循環(huán)速度可到0.80.9m/s。但是這種蒸發(fā)器不宜蒸發(fā)有結(jié)晶析出的物料3。強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)與自然循環(huán)蒸發(fā)器類似,它的料液的循環(huán)流動(dòng)是依靠強(qiáng)制循環(huán)泵,管內(nèi)的流速可達(dá)到25m/s1,是自然循環(huán)速度的1.74倍,傳熱效率比自然循環(huán)大幾倍;強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)器屬于管外濃縮,能很好地適應(yīng)有固體析出條件下的蒸發(fā)。不足之處就是循環(huán)量大(約為進(jìn)料量的30倍、動(dòng)力消耗大(每平方米加熱面要0.31.8KW、維護(hù)工作量大3。它常用于物料粘度大、有結(jié)晶析出和易結(jié)疤溶液的蒸發(fā)。1.2非循環(huán)式、膜式的蒸發(fā)設(shè)

5、備管式升膜蒸發(fā)器,加熱室是由一根或數(shù)根垂直長(zhǎng)管組成,通常加熱管徑為25 50mm,管長(zhǎng)與管徑之比為100150。管式升膜蒸發(fā)器加熱管內(nèi)的二次蒸汽應(yīng)具有較高速度,通常,常壓時(shí)管上端出口處速度以保持2050m/s為宜;減壓時(shí),速度可達(dá)100 160m/s1。它適宜處理蒸發(fā)量較大,熱敏性,粘度不大及易起沫的溶液,但不適于高粘度、有晶體析出和易結(jié)垢的溶液。管式降膜膜蒸發(fā)器,主要由布膜器、加熱室、分離室、循環(huán)泵等部件組成。加熱室是與外熱式自然循環(huán)蒸發(fā)器類似,由加熱管和布膜器組成。該蒸發(fā)器的優(yōu)點(diǎn)在于傳熱效率高、投資低、加熱管的可換性強(qiáng)、利于清理檢修,可多效作業(yè),汽耗低;但不適用于有大量結(jié)晶析出的溶液蒸發(fā),

6、且布膜器的防堵、防結(jié)垢要求高。升降膜蒸發(fā)器,主要由預(yù)熱器、升膜加熱室、降膜加熱室、分離室等部件組成。這類蒸發(fā)器適于處理粘度變化大的溶液?？梢钥闯?氧化鋁行業(yè)蒸發(fā)工藝設(shè)備的發(fā)展,都是是以提高蒸水能力、降低汽耗為目標(biāo)的。2優(yōu)化工藝蒸發(fā)是一個(gè)十分復(fù)雜的過(guò)程,蒸發(fā)器的蒸發(fā)能力受設(shè)備內(nèi)壓力、溫度、蒸汽和溶液流動(dòng)狀態(tài)以及整個(gè)體系傳熱系數(shù)等許多因素的影響。目前各個(gè)鋁廠都面臨著提高蒸發(fā)器蒸水能力、降低汽耗的嚴(yán)峻形勢(shì),在升級(jí)設(shè)備的基礎(chǔ)上,改造現(xiàn)有流程工藝和開(kāi)發(fā)應(yīng)用新工藝成為每個(gè)氧化鋁廠所面臨的一道難題。2.1改造現(xiàn)有流程工藝某氧化鋁廠采用燒結(jié)法生產(chǎn)氧化鋁,蒸發(fā)設(shè)備采用的是強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)器。強(qiáng)制循環(huán)具有很多優(yōu)點(diǎn),但

7、其自身又有局限性:設(shè)備操作復(fù)雜、工藝條件不易控制、汽耗高、結(jié)垢速度快、運(yùn)轉(zhuǎn)率低。為了實(shí)現(xiàn)降本提產(chǎn)的目標(biāo),該廠積極進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新,通過(guò)改造現(xiàn)有流程工藝,采用反循環(huán)結(jié)晶蒸發(fā)技術(shù)4,5。其技術(shù)關(guān)鍵為:改變蒸發(fā)器傳統(tǒng)的切向進(jìn)料正循環(huán)方式,通過(guò)改變循環(huán)泵的安裝方式,來(lái)改變物料流向,實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)器物料的反循環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)。通過(guò)改進(jìn):蒸發(fā)室中的流向由切向改為軸向,減少了循環(huán)時(shí)的晶體量,減緩了結(jié)疤速度,延長(zhǎng)了蒸發(fā)器清洗周期;加熱管上方液柱靜壓引起了沸點(diǎn)升高,阻止加熱管內(nèi)析鹽現(xiàn)象,避免了出現(xiàn)熱短路,增大了傳熱有效溫差,提高了生產(chǎn)能力;減少了循環(huán)泵的功率能耗,延長(zhǎng)了循環(huán)泵的效率和使用壽命。2.2開(kāi)發(fā)應(yīng)用新工藝國(guó)內(nèi)氧化鋁生產(chǎn)主要

8、用自然循環(huán)蒸發(fā)器、強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)器等。雖然經(jīng)過(guò)不斷改進(jìn),但仍存在噸水汽耗高、結(jié)垢嚴(yán)重、蒸發(fā)能力低等諸多弊端。針對(duì)這些,中州鋁廠開(kāi)發(fā)并應(yīng)用了目前世界上拜耳法種分母液蒸發(fā)的先進(jìn)流程:降膜蒸發(fā)與閃速自蒸發(fā)相結(jié)合6,10。圖1為四效逆流三級(jí)閃蒸的管式降膜蒸發(fā)工序: 圖 1 工藝流程圖該蒸發(fā)工序應(yīng)用了新的設(shè)備:預(yù)熱器使料液的溫度提高,濃度降低,緩解了結(jié)疤現(xiàn)象;閃蒸器提供了流體迅速汽化和汽液分離的空間,通過(guò)減壓,使流體在閃蒸器內(nèi)沸騰,從而實(shí)現(xiàn)汽液部分分離。新型蒸發(fā)工序獲得了滿意的工藝指標(biāo):(1蒸發(fā)器組蒸發(fā)能力:150 t-H2O/h,最大170 t-H2O/h;(2汽耗0.32 t/t-H2O;(3蒸發(fā)母液

9、出料全堿濃度N t280 g·L-1。3應(yīng)用系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)近幾十年來(lái),氧化鋁蒸發(fā)工序的能耗一直呈逐年下降趨勢(shì),我們?cè)诠?jié)能降耗方面已經(jīng)取得了很大的進(jìn)步,主要是從升級(jí)設(shè)備、優(yōu)化工藝方面入手。然而在節(jié)能減排工作中遇到了幾個(gè)問(wèn)題:首先,蒸發(fā)工序采用的蒸發(fā)設(shè)備都是根據(jù)各廠特定工藝出發(fā),故各個(gè)設(shè)備之間都是互相聯(lián)系的,一般不能隨意更改;其次,設(shè)備一般都比較昂貴,廢棄原有生產(chǎn)設(shè)備一般都不切實(shí)際;第三,設(shè)備一般都比較龐大,要想在原系統(tǒng)上增加某些設(shè)備在空間上一般難以實(shí)現(xiàn)。近期,人們把節(jié)能降耗工作提高到系統(tǒng)節(jié)能的高度,開(kāi)辟了一條新的節(jié)能思路,是氧化鋁生產(chǎn)節(jié)能工作的一個(gè)較大進(jìn)展。將系統(tǒng)論應(yīng)用于流程工業(yè)進(jìn)行宏觀

10、分析,以達(dá)到節(jié)能減排目標(biāo)的方法,稱為流程工業(yè)的系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)。系統(tǒng)節(jié)能與傳統(tǒng)意義上的節(jié)能的主要區(qū)別在于:系統(tǒng)節(jié)能不僅研究單體設(shè)備的節(jié)能,更注重各個(gè)工序間、整個(gè)流程、甚至整個(gè)企業(yè)的節(jié)能,即重視工序、車間以及企業(yè)間的相互制約和協(xié)調(diào)。3.1過(guò)程能量?jī)?yōu)化所謂過(guò)程能量?jī)?yōu)化,就是以能量系統(tǒng)為主線,研究能流與物流的最佳結(jié)合關(guān)系,用多種技術(shù)集成,實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化技術(shù)條件的一種科學(xué)方法7。它是利用計(jì)算機(jī)技術(shù),經(jīng)過(guò)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程積累的數(shù)據(jù)進(jìn)行反復(fù)的比較、模擬、測(cè)算(物流、熱流、能流的分布狀況,尋找最佳設(shè)計(jì)、最佳工況,提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本。常用的研究方法和工具主要有:應(yīng)用數(shù)學(xué)建模、模擬分析、優(yōu)化;計(jì)算機(jī)科學(xué)和技術(shù);最優(yōu)化

11、技術(shù)。以中州鋁廠四效逆流三級(jí)閃蒸的管式降膜蒸發(fā)工序?yàn)槔?蒸發(fā)工序包含蒸發(fā)器、預(yù)熱器、閃蒸器、冷凝水罐等單元設(shè)備。通過(guò)分析整個(gè)氧化鋁蒸發(fā)工序的能量供求關(guān)系,蒸發(fā)工序的系統(tǒng)節(jié)能工作首先應(yīng)該考慮流程參數(shù)優(yōu)化,進(jìn)而達(dá)到節(jié)能降耗的目的。然而優(yōu)化流程操作參數(shù),主要通過(guò)兩個(gè)方面:工業(yè)試驗(yàn)和過(guò)程仿真。前者耗時(shí)耗力耗材,而蒸發(fā)工序又不涉及化學(xué)反應(yīng),對(duì)于相變和傳熱的分析相對(duì)簡(jiǎn)單,應(yīng)用數(shù)學(xué)建模8或流程仿真軟件9對(duì)蒸發(fā)工序進(jìn)行仿真模擬,是滿足工業(yè)生產(chǎn)實(shí)時(shí)性要求的一種較好的工藝優(yōu)化控制方法。所以過(guò)程能量?jī)?yōu)化技術(shù),對(duì)氧化鋁生產(chǎn)的節(jié)能降耗具有重要的意義。 3.2能量分析方法基本的能量分析方法包括熱分析、熵分析和火用分析。熱

12、分析是建立在熱力學(xué)第一定律的基礎(chǔ)上,以熱效率為基本準(zhǔn)則,來(lái)分析和評(píng)價(jià)能量有效利用狀況,揭示能量傳遞和轉(zhuǎn)換過(guò)程中的“數(shù)量”關(guān)系;熵分析是建立在熱力學(xué)第二定律的基礎(chǔ)上,通過(guò)對(duì)熱力學(xué)體系進(jìn)行熵平衡計(jì)算,分析熵產(chǎn)的大小、分布及其影響因素,確定熵產(chǎn)與不可逆損失的關(guān)系,作為評(píng)價(jià)過(guò)程不完善性與改進(jìn)過(guò)程的依據(jù)?；鹩梅治鍪菍崃W(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律相結(jié)合,火用是衡量做功能力大小的統(tǒng)一尺度,它不僅可以反映能量的數(shù)量,更重要的是可以反映能量的品質(zhì)(即做功能力,也就是綜合考慮了能的“數(shù)量”和“品質(zhì)”兩個(gè)屬性。能量的火用值越大,則其可以轉(zhuǎn)化為有用功的數(shù)量越多,做功能力越強(qiáng);能級(jí)越高,能量的價(jià)值越高,有用程度也越大

13、。節(jié)能在很大程度上應(yīng)體現(xiàn)為“節(jié)火用”?；鹩眯适呛饬磕芰哭D(zhuǎn)換裝置和系統(tǒng)熱力學(xué)完善程度的統(tǒng)一指標(biāo)?；鹩眯试礁邉t表示能量的有效轉(zhuǎn)化率越高,能量轉(zhuǎn)換和利用過(guò)程損失也就越小10,11。以中州鋁廠四效逆流三級(jí)閃蒸的管式降膜蒸發(fā)工序?yàn)槔?彭小奇等12用火用分析方法在定性分析系統(tǒng)或裝置中火用的轉(zhuǎn)換、傳遞和損失的情況后,以規(guī)定的環(huán)境模型為基準(zhǔn),根據(jù)火用的概念及其計(jì)算方法,計(jì)算出物流或能流在工況狀態(tài)下的火用值,然后建立系統(tǒng)或裝置的火用平衡方程,進(jìn)而定量計(jì)算出系統(tǒng)或裝置的火用損失大小、部位,以及火用效率、熱力學(xué)完善度等準(zhǔn)則,從而揭示系統(tǒng)或裝置中火用損失的最大環(huán)節(jié)和部位,對(duì)系統(tǒng)或裝置的用能狀況作出科學(xué)深入的評(píng)價(jià)。

14、通過(guò)火用分析,可以了解能量系統(tǒng)的有效能的流向,了解有效能的損失情況,弄清楚裝置系統(tǒng)中火用損失大的薄弱環(huán)節(jié),為改進(jìn)設(shè)備和工藝制度,節(jié)約能源提供目標(biāo)和對(duì)策。尤其對(duì)于復(fù)雜的能量系統(tǒng),采用火用分析使不同質(zhì)的各種形式的能量,有了統(tǒng)一的衡量尺度,因此使得對(duì)能量系統(tǒng)的評(píng)價(jià)更加科學(xué)和準(zhǔn)確?；鹩梅治隹梢灾笇?dǎo)合理地按質(zhì)使用能量、避免和減少不可逆過(guò)程損失。4結(jié)語(yǔ)隨著氧化鋁產(chǎn)量的不斷提高,蒸發(fā)工序能耗所占的比重越來(lái)越大,蒸發(fā)工序節(jié)能降耗、降本提產(chǎn)已成為各個(gè)鋁廠的重要目標(biāo)。本文介紹了從升級(jí)設(shè)備、優(yōu)化工藝兩個(gè)途徑入手,在節(jié)能降耗方面已經(jīng)取得了很大的進(jìn)步;更強(qiáng)調(diào)了運(yùn)用火用分析等其他系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)來(lái)開(kāi)展和推進(jìn)氧化鋁蒸發(fā)工序的節(jié)

15、能降耗工作。參 1 2 3 考 文 獻(xiàn) 畢詩(shī)文, 于海燕, 等. 拜耳法生產(chǎn)氧化鋁. 北京：冶金工業(yè)出版社,2007 畢詩(shī)文, 于海燕. 氧化鋁生產(chǎn)工藝. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2006 孫克萍, 先晉聰, 宋強(qiáng)等. 我國(guó)氧化鋁業(yè)中蒸發(fā)裝置技術(shù)進(jìn)步及效能分析. 有色冶金. 2004(3: 43-45 4 楊紀(jì)倩, 王慶娜. 反循環(huán)蒸發(fā)技術(shù)在氧化鋁生產(chǎn)中的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用. 稀有金屬. 2006,30(12: 68-71 5 徐宏剛, 童曉輝. 反循環(huán)結(jié)晶蒸發(fā)技術(shù)在燒結(jié)法生產(chǎn)氧化鋁中開(kāi)發(fā)與應(yīng)用的研究. 中國(guó) 高新技術(shù)企業(yè)科技論壇. 2006: 73-75 6 7 李續(xù)平, 周在毅. 氧化鋁蒸發(fā)節(jié)能

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