熱分析在氧化鋁蒸發(fā)工序節(jié)能降耗中的應用

熱分析在氧化鋁蒸發(fā)工序節(jié)能降耗中的應用

例如，蒸發(fā)作為一個重要的化工單元過程，在促進氧化鋅生產(chǎn)中發(fā)揮著重要作用。其作用在于排除流程中多余的水分,保持生產(chǎn)中液量的平衡,使母液蒸發(fā)濃縮到符合溶出鋁土礦配制原礦漿的要求。據(jù)第十屆氧化鋁技術(shù)信息交流會數(shù)據(jù)統(tǒng)計,蒸發(fā)能耗約占生產(chǎn)能耗的20%~25%,汽耗占總汽耗的48%~52%,占生產(chǎn)成本的10%~12%,可見,蒸發(fā)工序能耗的高低直接制約了氧化鋁工業(yè)的發(fā)展。因此,實現(xiàn)氧化鋁蒸發(fā)工序的節(jié)能降耗具有重要意義?？茖W分析和評價能耗狀況是實現(xiàn)節(jié)能降耗的基礎(chǔ)。為了確定能量系統(tǒng)中能量損失的性質(zhì)、大小與分布,提高能量的利用率,有必要對系統(tǒng)用能水平進行深入分析。能量分析方法通常有熱分析和分析2種:熱分析以熱效率為基本準則來揭示能量在“數(shù)量”上轉(zhuǎn)換、傳遞、利用和損失的情況;分析綜合考慮了能的“數(shù)量”和“品質(zhì)”2個屬性,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),它以效率為基本準則來揭示損失的環(huán)節(jié)和部位,可以對系統(tǒng)或裝置的用能狀況進行更科學深入的分析和評價。吳復忠等建立了煉鐵系統(tǒng)鐵前工序的分析模型,分析了各個工序的效率、損失,指出各工序的節(jié)能方向和途徑;楊洛鵬等建立了噴射器低溫多效蒸發(fā)海水淡化系統(tǒng)的數(shù)學模型,計算分析了各種溫度損失隨溫度的變化,實現(xiàn)了系統(tǒng)的優(yōu)化運行。能量分析方法已經(jīng)成功應用于鋼鐵、化工行業(yè),然而在氧化鋁等有色冶金行業(yè)中還很少應用。對氧化鋁蒸發(fā)工序進行能量分析,可以全面地評價工序的用能水平,科學地診斷用能薄弱環(huán)節(jié),正確判斷節(jié)能潛力的大小、部位和限度,從而為有針對性地采取的節(jié)能降耗措施提供科學指導。1效蒸發(fā)器的蒸汽閃蒸濃縮某廠氧化鋁蒸發(fā)工序采用的是四效逆流三級閃蒸的管式降膜蒸發(fā)系統(tǒng)。其工藝流程如圖1所示:蒸發(fā)原液大部分由泵送至Ⅳ效蒸發(fā)器,小部分送至Ⅲ效蒸發(fā)器,經(jīng)Ⅳ-Ⅲ-Ⅱ-Ⅰ效蒸發(fā)器逆流逐級加熱,再經(jīng)三級閃蒸器閃蒸濃縮后,由過料泵送出;新蒸汽進入Ⅰ效蒸發(fā)器對料液進行加熱,Ⅰ效至Ⅲ效蒸發(fā)器的二次蒸汽分別作下一效蒸發(fā)器的熱源,Ⅳ效(末效)蒸發(fā)器的二次蒸汽降溫后排出;(1),(2)和(3)級閃蒸器的二次蒸汽和Ⅰ,Ⅱ和Ⅲ效蒸發(fā)器的小部分二次蒸汽分別通入ⅰ,ⅱ和ⅲ效預熱器,與預熱器內(nèi)的溶液混合,對溶液進行加熱;Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ和Ⅳ效蒸發(fā)器的冷凝水分別通入1,2,3和4效冷凝水自蒸發(fā)器,自蒸發(fā)產(chǎn)生的部分乏汽分別作為各效蒸發(fā)器的熱源,其冷凝水匯入一次水泵后排出。2發(fā)熱分析及蒸發(fā)工藝熱分析的科學基礎(chǔ)是熱力學第一定律。第一定律指出:一個體系的能量總量不變,但在體系內(nèi)可以進行轉(zhuǎn)換和傳遞。2.1能流系統(tǒng)的散熱量的回收圖2所示為某廠蒸發(fā)工序流程圖。蒸發(fā)工序中存在3種能流(見圖2):(1)輸入能流Hin:包括第1類載體(新蒸汽)和第2類載體(原液)所含的熱量;(2)回收自用能流Hrecycling:本工序回收自用的熱量,主要包括Ⅰ,Ⅱ和Ⅲ效蒸發(fā)器所產(chǎn)生的二次蒸汽和(1),(2)和(3)級閃蒸器閃蒸的二次蒸汽所含的熱量,以及1,2,3和4效冷凝水自蒸發(fā)器閃蒸的二次蒸汽所含的熱量。(3)輸出能流Hout:包括本工序產(chǎn)生母液所含的熱量Hproducts,Ⅳ效蒸發(fā)器產(chǎn)生二次蒸汽所含的熱量,各效冷凝水自蒸發(fā)器外排冷凝水所含的熱量,以及系統(tǒng)散熱量。蒸發(fā)工序的熱平衡關(guān)系式如下:簡化得:2.2計算2.2.1料液的用量和密度式中:m表示料液;i-j表示4效蒸發(fā)器、3效預熱器、3級閃蒸器、4級冷凝水罐;iFm-j為料液的質(zhì)量流量,kg/h;iV-mj為料液的體積流量,m3/h;ρmi-j為料液的密度,kg/m3;cp為料液的比熱容,kJ/(kg·K);tmi-j為料液的溫度,℃。2.2.2飽和蒸汽f式中:v表示飽和蒸汽;iW-vj為飽和蒸汽的質(zhì)量流量,kg/h;ihv-j為飽和蒸汽的比焓,kJ/kg。2.2.3冷凝水式中:iW-wj為飽和冷凝水的質(zhì)量流量,kg/h;ihw-j為飽和冷凝水的比焓,kJ/kg。3有效能能力能是在給定的環(huán)境條件下系統(tǒng)能量理論上能轉(zhuǎn)換為有用功的那部分能量,也稱為有效能。熱力學第二定律指出:能量的轉(zhuǎn)化和傳遞具有方向性,有的能量可以全部轉(zhuǎn)化為有效能量,而有的能量只能部分轉(zhuǎn)化為有效能量,也即能量在“品質(zhì)”上是有差異的,不同形式的能量間的轉(zhuǎn)換存在“不等價”現(xiàn)象。3.1回用二次蒸汽產(chǎn)生的損失的計算圖3所示為蒸發(fā)工序流圖。蒸發(fā)工序中存在5種流(見圖3):(1)輸入流Ex,in:包括第1類載體(新蒸汽)和第2類載體(原液)所含的。(2)回收自用流Ex,recycling:本工序回收自用的,主要包括Ⅰ,Ⅱ和Ⅲ效蒸發(fā)器所產(chǎn)生二次蒸汽所含的,(1),(2)和(3)級閃蒸器閃蒸二次蒸汽所含的,1,2,3和4效冷凝水自蒸發(fā)器閃蒸二次蒸汽所含的。(3)內(nèi)部損失流Ex,in-losses:包括傳熱損失、混合損失和流動過程損失。(4)外部損失流Ex,out-losses:包括散熱損失,Ⅳ效蒸發(fā)器產(chǎn)生二次蒸汽所含的,各效冷凝水自蒸發(fā)器外排冷凝水所含的。(5)輸出流Ex,products:本工序母液所含的。蒸發(fā)工序的平衡關(guān)系式如下:簡化得:3.2計算3.2.1空氣中微量元素的測定選用修正的龜山-吉田環(huán)境模型,死態(tài)條件為:T0=298.15K,p0=0.1MPa;空氣中含有的各種元素以空氣相應的組成氣體為基準物,以飽和濕空氣的摩爾成分為基準物成分;其他元素以含有該元素的、最穩(wěn)定的純物質(zhì)(液態(tài)或固態(tài))為其基準物。3.2.2環(huán)境因子t,p的比物理熱力學系統(tǒng)的是指系統(tǒng)經(jīng)可逆過程達到與環(huán)境處于完全熱力學平衡狀態(tài)時所能獲得的理論最大有用功。一般對工業(yè)過程進行分析時,物料的主要是物理和化學。(1)物理物理是指系統(tǒng)相對于環(huán)境因溫度和壓力的不同而具有的。料液在狀態(tài)(T,p)下的比物理為:式中:V0為物料的比體積,m3/kg;T和T0分別為工況溫度和環(huán)境基準溫度,K;p和p0分別為工況壓力和環(huán)境基準壓力,MPa。(2)化學化學是指混合物系統(tǒng)相對于環(huán)境因化學成分和濃度的不同而具有的。包括由該物質(zhì)與環(huán)境反應物反應產(chǎn)生環(huán)境生成物所獲得的反應,還包括由反應產(chǎn)生的環(huán)境生成物濃度擴散到非約束死態(tài)時的擴散。由于蒸發(fā)工序中無化學反應,理論和實際中各組分都近似質(zhì)量守恒,因此,實際分析中可以不計入反應項。料液的比化學為:式中:?mn為料液中第n種組分的質(zhì)量摩爾分數(shù),mol/kg;rn為料液中第n種組分的活度因子,可由NaOH-NaAl(OH)4-Na2CO3-H2O體系的活度系數(shù)計算模型獲得。3.2.3飽和蒸汽比和比熵式中:ievj為飽和蒸汽比,kJ/kg;ihvj和svi-j分別為飽和蒸汽的比焓和比熵,kJ/kg;h0和s0分別為基準溫度下飽和蒸汽的比焓和比熵,h0=2546.54kJ/kg,s0=8.5568kJ/kg。3.2.4計算結(jié)果表明，平凝水式中:iewj為飽和冷凝水比,kJ/kg;ihwj和swi-j分別為飽和冷凝水的比焓和比熵,kJ/kg。3.2.5般難以利用或不利用經(jīng)系統(tǒng)或裝置表面散失到環(huán)境中的能量。這類能量雖然具有,但一般難以利用或不利用。若系統(tǒng)或裝置表面溫度為Tsurroud,散失的熱量為QL,則相應的損失EL,out-losses為:(2)外排冷凝水、內(nèi)排二次蒸汽流經(jīng)系統(tǒng)或裝置的排出物所攜帶的能量如果直接排到環(huán)境中,則構(gòu)成“外部損失”,如外排冷凝水、外排二次蒸汽;但是其中的部分能量一般是可以回收利用的,這時就不能將其當成“損失”,如冷凝水罐的閃蒸二次蒸汽等。3.2.6內(nèi)部損失在不可逆過程中,能量的一部分將不能被利用,并因此造成可用能的損失。蒸發(fā)工序中,比較典型的有下面3種損失。(1)蒸發(fā)過程損失冷、熱2種流體之間的傳熱通?？偸窃谟袦夭畹臈l件下進行的,而且冷、熱流體本身又有摩阻耗散,因而就伴有不可逆損失。傳熱過程損失是由于傳熱溫差的存在而引起的,蒸發(fā)工序中,這種損失主要發(fā)生在蒸發(fā)器內(nèi)。傳熱過程損失為:式中:TH和TL分別為冷和熱流體的平均溫度,K。冷、熱流體的平均溫度Tm為:式中:Tb和Te分別為流體的初態(tài)溫度和末態(tài)溫度,K。(2)預熱器內(nèi)混合物質(zhì)2種或多種物質(zhì)的混合過程是高度不可逆的。在絕熱條件下,混合過程必導致熵的增加,引起的損失。絕熱混合過程可以是參數(shù)不同的同種物質(zhì)之間的混合,也可以是不同物質(zhì)之間的混合;而不同物質(zhì)混合時,參數(shù)可以相同,也可以不同;相互混合的幾種物質(zhì)既可以是流動的,也可以是靜止的?；旌线^程中,兩股流體不發(fā)生化學反應,雖然混合過程沒有能量損失,但仍有損失,這種損失主要發(fā)生在預熱器內(nèi)?；旌线^程損失為:式中:1EPH,E2PH和E3PH分別為混合前流體1、流體2和混合后流體3的物理;1ECH,E2CH和E3CH分別為混合前流體1、流體2和混合后流體3的化學。(3)蒸發(fā)工序損失由于機械的不可逆因素,比如流體的黏性流動等所引起的損失,稱為流動過程損失。蒸發(fā)工序中,這種損失主要包括料液及飽和蒸汽在系統(tǒng)或裝置的流動過程中的損失。料液的流動過程損失為:飽和蒸汽的流動過程損失為:式中:Rg為摩爾氣體常數(shù)。3.3料液的比熱容和比熵式(1)料液的密度式中:ρNK,ρA和ρNC分別為料液中苛性堿、氧化鋁、碳酸堿的質(zhì)量濃度,g/L。(2)料液的比熱容(3)飽和蒸汽的比焓和比熵式中:tvi-j為飽和蒸汽的溫度,℃。(4)飽和冷凝水的比焓和比熵式中:twi-j為飽和冷凝水的溫度,℃。3.4物料衡算的基本過程熱平衡測試是衡量熱工設(shè)備技術(shù)水平和經(jīng)濟性、了解其能量利用率的重要步驟。iV-mj,tmi-j,tvi-j,twi-j,ρNK,ρA和ρNC等物性參數(shù)必須通過熱平衡測試才能獲得。物料衡算可以確定蒸發(fā)工序過程或設(shè)備輸入及輸出的物料的流量,它是能量分析的前提。iF-mj,iWv-j和iW-wj等參數(shù)必須通過物料衡算才能獲得。4效率低下效率就是收益量與支出量之比,主要有熱效率和效率2種。4.1生產(chǎn)力在氧化鋁蒸發(fā)工序中,熱效率ηt是指實際收益熱量與所提供熱量之比,即:4.2效率和加快相結(jié)合的基本理論效率是衡量系統(tǒng)或裝置熱力學完善度的重要指標,它表明了系統(tǒng)中可用能的利用程度。效率越高,表示系統(tǒng)中不可逆因素所引起的損失越小。在氧化鋁蒸發(fā)工序中,效率ηex是指整個工序在進行轉(zhuǎn)換過程中,收益與支付之比,即:效率與熱效率有著本質(zhì)的不同。熱效率計算的能量是等價的,不考慮其品位的高低,而效率計算的能量是不等價的,考慮了其品位的高低。熱效率從數(shù)量上說明了有多少能量轉(zhuǎn)變成有用功,效率從質(zhì)量上說明了有多少可用能被實際利用。所以,效率和熱效率相結(jié)合,可以完整反映出系統(tǒng)或裝置的熱力學完善度。對氧化鋁蒸發(fā)工序進行能量分析,從平衡表中可以獲得系統(tǒng)或裝置的熱效率和效率,評價工序的用能水平;從能流圖和流圖中可以看出系統(tǒng)或裝置的能量流向,準確把握工序的用能情況;針對熱效率小、效率小的高能耗單元環(huán)節(jié),能夠正確地判斷工序節(jié)能潛力的大小、部位和限度,確定出用能薄弱環(huán)節(jié)、節(jié)能的主攻方向,增強節(jié)能降耗措施的針對性。5實例分析以國內(nèi)某鋁廠某年的測試數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),運用本文方法,具體分析氧化鋁蒸發(fā)工序的用能狀況。5.1蒸發(fā)工序能流圖表1所示為某廠蒸發(fā)工序熱分析結(jié)果。圖4所示為某廠蒸發(fā)工序能流圖。系統(tǒng)熱量損失Qlosses=152871.211MJ/h,折算成標準煤(?Hul=29260kJ/kg)為:5.2蒸發(fā)工序流圖表2所示為某廠蒸發(fā)工序分析表。圖5所示為某廠蒸發(fā)工序流圖。系統(tǒng)熱量損失Elosses=36140.634MJ/h,折算成標準煤(?Hul=29260kJ/kg)為:5.3蒸發(fā)器內(nèi)部損失(1)整個蒸發(fā)工序的熱效率(僅為30.67%)和效率(僅為15.85%)都很低,熱損失嚴重,用能水平低,節(jié)能潛力巨大。(2)熱損失為Qlosses=152871.211MJ/h,相當于5224.58kg/h的標準煤。熱損失表現(xiàn)為:4個冷凝水自蒸發(fā)器熱損失占26.33%;Ⅳ效蒸發(fā)器二次蒸汽熱損失占42.71%。(3)損失為Elosses=36140.634MJ/h,相當于1235.15kg/h的標準煤。損失表現(xiàn)為:(1)外部損失:4個冷凝水自蒸發(fā)器損失占16.95%;Ⅳ效蒸發(fā)器二次蒸汽損失占13.95%;(2)內(nèi)部損失:混合過程損失占0.51%;傳熱過程損失占31.79%;流動過程損失占20.88%。(4)從熱分析的角度看:熱損失嚴重的高能耗裝置主要是冷凝水自蒸發(fā)器和Ⅳ效蒸發(fā)器,應重點對其進行分析改進。提高熱效率的途徑主要是設(shè)法利用冷凝水和二次蒸汽的熱量。如果將冷凝水用于直接采暖或繼續(xù)閃蒸利用,則熱效率可大幅度提高;如果將Ⅳ效二次蒸汽用于預熱原液,熱效率也可以大幅度提高。(5)從分析的角度看:損失嚴重的裝置也是冷凝水自蒸發(fā)器和Ⅳ效蒸發(fā)器,提高效率的途徑與提高熱效率的途徑相同,雖然熱損失在“數(shù)量”上很大,占69.04%,但從“質(zhì)量”上來說,僅僅占30.90%,所以,節(jié)能潛力相對不足;損失更嚴重的是蒸發(fā)器內(nèi)傳熱過程的不