两种七效蒸发两段进料流程的选择研究.pdf

年第 期轻金属 收稿日期：氧化铝 氟化盐两种七效蒸发两段进料流程的选择研究李志国（沈阳铝镁设计研究院有限公司，辽宁 沈阳 ）摘要：母液蒸发是氧化铝生产中重要的耗能工序之一，国内氧化铝行业对于多效管式降膜蒸发的参数、流程和装备开展了大量的研究工作。本文介绍了 、效进料的逆流蒸发和 、效进料的错流蒸发的工艺流程，对两种流程进行了对比分析，分别测算了两种流程下各闪蒸设备的蒸水量、进料温度和沸点升，各效蒸发器的算数温差和换热面积，并通过对循环水热损失的测算分析，得到了两种流程下的新蒸汽消耗，给出了使用条件，为开展新工厂设计以及在产工厂生产调节提供了可行的技术路线。关键词：七效蒸发；两段进料；逆流；错流；选择中图分类号：；文献标识码：文章编号：（）：（，）：，：；年中国氧化铝建成产能为 万吨，实际产量 万吨，年新增产能较多，总计新增 万吨，近年来的新建产能基本上都是拜耳法，采用了行业内最新的技术和装备，单位产品氧化铝的能源消耗较低。溶出和蒸发是拜耳法氧化铝生产中主要的蒸汽用户，其中蒸发消耗蒸汽通常占总蒸汽量的 左右 。主流蒸发采用多效管式降膜蒸发器，蒸发效数最多达到了 效，已投产的七效管式降膜蒸发最大器组蒸水能力达 ，业内技术人员围绕蒸发效数、原液闪蒸、分段蒸发、分体式蒸发器、高效布膜器、高效气液分离器，以及自压回水、新蒸汽和二次汽冷凝水综合利用等 开展了大量的研究工作。本文介绍了 、效进料逆流蒸发和 、效进料错流蒸发两种不同的七效蒸发两段进料的工艺流程，并对两种流程进行了测算比较，给出了蒸水量、进料温度、沸点升、算数温差、传热面积、汽水比和蒸汽消耗等比较结果，方便氧化铝行业从业者深入理解这两种不同的两段进料流程。流程简述在两种七效蒸发两段进料流程中，蒸发原液都是从蒸发的末端进入系统，依次通过各效蒸发器、各级自蒸发器完成蒸水过程，其主要差别是，、效进料错流蒸发流程中，从 效进料的蒸发原液依次通过 效、效完成蒸发过程（蒸汽的流向和物料的流向相同）作为一段出料母液，与通过 效蒸发器和 级自蒸发器完成蒸发过程（蒸汽的流向和物料的流向相反）的二段出料母液混合后作为合格蒸发母液出料；而 、效进料逆流蒸发流程中，从 效进料的蒸发原液依次通过原液闪蒸器、效、效完成蒸发过程（蒸汽的流向和物料的流向相反）作为一段出料母液，与通过 效蒸发器和 级自蒸发器完成蒸发过程（蒸汽的流向和物料的流向相反）的二段出料母液混合后作为合格蒸发母液出料，其工艺流程框图如图 所示。李志国：两种七效蒸发两段进料流程的选择研究 年第 期1 5-?6?7?1 4-?1 4-?1 5-?6?7?a-、?56b 57-、?图 七效蒸发流程框图 两种流程对比两种工艺由于进料点的差异，造成了对于系统的不同影响，如表 所示：（）蒸发原液温度与蒸发末端的温度相比较高，可以通过设置原液闪蒸，先闪蒸出一部分二次蒸汽作为末效蒸发器的加热蒸汽，提高系统的蒸水能力，闪蒸出的二次蒸汽在蒸发系统中回收的次数越少，相同蒸水量的换热面积需求越小，系统热损失也越高；（）蒸发系统的温度制度是均匀变化的，而一段蒸发出料点的差异，带来的是出料温度的变化，从效出料温度较低，从溶液中可以闪蒸出更多的热量在系统内部利用，需要更多的蒸发器换热面积来吸收；反之，从 效出料温度较高，从溶液中可以闪蒸出更少的热量在系统内部利用，需要更少的蒸发器换热面积来吸收；表 、效进料错流蒸发和 、效进料逆流蒸发两种工艺流程差异对比项目、效进料错流蒸发、效进料逆流蒸发进料点、效进料、效进料蒸发流程错流蒸发逆流蒸发原液闪蒸无有出料点自、效出料自、效出料蒸发原液温度 进一段蒸发温度 一段出料温度 进二段蒸发温度 二段出料温度 混合出料温度 （）不同的蒸发母液出料温度，通过影响溶出系统的传热温差，进而影响溶出系统的热工制度，如果现有溶出系统的热平衡维持在较好水平，出料温度已经很低，则低温蒸发母液所提高溶出传热温差带来的溶出新蒸汽消耗降低的效果会打折扣；反之，在现有溶出系统热工制度不理想的情况下，低温蒸发母液所提高的溶出传热温差带来溶出新蒸汽消耗的效果会比较显著，但是最大值不会超过蒸发系统损失的热量，即溶出和蒸发的综合新蒸汽消耗会增加。测算基准保持蒸发原液浓度和温度不变，蒸发母液浓度不变，单位体积蒸发原液蒸水量相同，蒸发原液 通过蒸发，两段进料比例各占 ，新蒸汽冷凝水闪蒸三次在系统内利用后返回热电厂。核算结果 设备差异 蒸水量以单位体积蒸发原液计，各效蒸发器和各级闪蒸器蒸水量及累积蒸水量，以及蒸水比例分别如图、图 所示。由图 、图 可以看出，错流蒸发流程由于没有设置原液闪蒸器少蒸水 ，、效多蒸水 ，前效蒸水降低 ，两个流程中 级自蒸发器的蒸水量差别不大，错流蒸发流程略多，蒸水向末端低温段转移明显。以逆流蒸发流程蒸水量作为基准，错流蒸发流程蒸水量相比基准值的变化如表 所示。表 错流蒸发流程相比逆流蒸发流程各级蒸水量变化效 效效效效效效自自自自 注：表中百分数为错流蒸发相比逆流蒸发流程蒸水量变化比例 年第 期轻金属 706050403020100?/(/)kg m3?7?6?5?4?3?2?1?3?4?2?1?050100150200250?/(/)kg m357、?56、?57、?(?)56、?(?)图 两种蒸发流程各级蒸水量及累积蒸水量57、?56、?57、?(?)56、?(?)0102030405060708090100?/%051015202530?/%?7?6?5?4?3?2?1?3?4?2?1?图 两种蒸发流程各级蒸水比例及累积蒸水比例由表 可知，两种蒸发流程中按照变化的比例来看，影响程度由大到小的顺序依次为：效 效 效 效 效 效 效 自 自，如果要在两个流程之间实现自由切换，尤其需要在设计之初的基准设计方案之外考虑变化超过 的设备能力的预留。各级新蒸汽冷凝水自蒸发和二次汽冷凝水自蒸发水量和累计水量分别如图 、图 所示。由图 、图 可以看出，由于蒸发消耗的新蒸汽量降低了，错流蒸发的新蒸汽冷凝水自蒸发水量少；由于进入水冷器损失的二次蒸汽冷凝水更多，返回蒸发系统自身回收利用的水量更少，错流蒸发流程二次蒸汽冷凝水自蒸发的水量更少，各级水量的变化趋势较为平缓。进料温度及沸点升各效蒸发器和各级闪蒸器的进料温度以及溶液沸点升如图 、图 所示。由图 、图 可以看出，一段蒸发由于进料点的差异导致各效蒸发器进料温度有差异；各级自蒸发器的沸点升基本不变，错流蒸发流程由于需要在各效蒸发器和各级自蒸发器蒸发的水量相比逆流蒸发更多，因此，各级由于浓缩带来的沸点升均匀增加，而 效作为逆流蒸发流程的出料点，其浓度和温度57、?56、?57、?(?)56、?(?)3 50.2.003 00.2 50.1 50.1 00.0 50.0 00.?/(/)kg m31?2?3?0 00.1 00.2 00.3 00.4 00.5 00.6 00.7 00.8 00.9 00.?/(/)kg m3图 两种蒸发流程各级新蒸汽冷凝水自蒸发水量及累积蒸水量57、?56、?57、?(?)56、?(?)1?2?3?4?5?4 00.3 50.3 00.2 50.2 00.1 50.1 00.0 50.0 00.?/(/)kg m30 00.2 00.4 00.6 00.8 00.10 00.12 00.?/(/)kg m3图 两种蒸发流程各级二次蒸汽冷凝水自蒸发水量及累积蒸水量57、?56、?/170150130110907050?7?6?5?4?3?2?1?1?2?3?4?图 两种蒸发流程各级进料温度变化5、?756、?7?6?5?4?3?2?1?1?2?3?4?7 00.8 00.9 00.10 00.11 00.12 00.13 00.14 00.?/图 两种蒸发流程各级沸点升变化 李志国：两种七效蒸发两段进料流程的选择研究 年第 期均较高，因此沸点升较高。整体来看，逆流蒸发流程的平均沸点升高于错流蒸发流程。算数温差和传热面积各效蒸发器的算数温差和蒸发器换热面积分别如图 、图 所示。57、?56、?7?6?5?4?3?2?1?/2 00.2 50.3 00.3 50.4 00.4 50.5 00.5 50.6 00.6 50.7 00.图 两种蒸发流程各效算数温差变化5、?756、?7?6?5?4?3?2?1?4000500060007000800090001000011000120001300014000?/m2图 两种蒸发流程各效蒸发器面积变化由图 、图 可以看出，错流蒸发流程各效的算数温差平均降低 ，而各效总换热面积降低 ，具体到换热面积分布上看，前 效换热面积基本不变，后两效换热面积降低 ，折算到全部换热面积为 。消耗指标 循环水损失末效二次汽进入水冷器，通过循环水吸收后，热量随循环回水散失到环境中，两种蒸发流程末效蒸水量及占总蒸水占比，吨铝循环水用量及折算为新蒸汽损失量分别如图 、图 所示。由图 、图 可以看出，错流蒸发出料温度低的影响大于设置原液闪蒸的影响，综合作用下，逆流蒸发流程的末效蒸水的绝对量和占总蒸水的比例更多，向环境的损失也更大，从全厂视角来看，将向环境散失的热量降到最低对于提高系统热效率的有益的。57、?56、?6664626058565452?/(/)kg m3?/%27262524232221图 两种蒸发流程末效蒸水量及占总蒸水占比变化57、?56、?3130292827262524?/(/-)t t Al O23?/(/)kg Al O23520540560580600620640660680图 两种蒸发流程吨铝循环水用量及折算为新蒸汽损失量 蒸汽消耗两种蒸发流程下，蒸发汽水比，蒸发自身的新蒸汽消耗，以及由于蒸发母液出料温度差异带来的溶出新蒸汽消耗差异如图 所示。780760740720700680660640620600?/(/-)kg t Al O2357、?56、?0 205.0 200.0 195.0 190.0 185.0 180.0 175.?/(/)t t?图 两种蒸发流程下汽水比、吨铝蒸发新蒸汽消耗和溶出差值汽耗由图 可知，采用错流蒸发流程在蒸发自身蒸汽消耗降低 ，即，吨铝消耗降低 ；同时由（下转第 页）年第 期轻金属（）在叶滤机正常运行情况下，叶滤机石灰乳添加量多少不会导致产品中氧化钙含量的明显升高。（）石灰乳的粒度、晶粒大小跟石灰活性度密切相关。石灰活性度越高，石灰乳晶粒越细。在合成助滤剂 时，未完全反应的细小颗粒的 可以透过滤布进入到产品中导致产品中氧化钙升高，并且很难通过工业检测精液浮游物的手段发现。（）活性度越高的石灰，在合成 时，更易生成中间产物单碳酸铝钙、碳酸铝钙，阻碍 初晶的长大。使得合成 存在大量亚微米颗粒。这些细颗粒透过叶滤机滤布进入到产品中造成氧化钙含量升高。用于合成叶滤机助滤剂 的石灰活性度应选择普通竖窑生产的活性度在 之间的石灰最佳。参考文献：杨重愚 轻金属冶金学 北京：冶金工业出版社 ：胡秋华石灰烧成质量对石灰拜耳法生产的影响 郑州：第十届中国科协年会科技创新与工业强市战略论坛论文汇编 李剑、赵文浩、李长荣 影响炼钢用石灰活性的因素分析 冶金丛刊，（）：，：潘明亮、方正 拜耳法助滤剂研制 轻金属，（）：（责任编辑葛 辉）?（上接第 页）于降低了混合出料温度，溶出蒸汽消耗增加，整体蒸汽消耗增加 ，即吨铝新蒸汽消耗增加 。结论建议两种蒸发工艺流程所需的各效蒸发器的换热面积不同，所需的蒸发循环水量不同，导致自身蒸发汽水比（新蒸汽消耗）不同，出料温度不同导致溶出新蒸汽消耗和热工制度不同，两种蒸发工艺流程各有优缺点，在新设计工厂以及在进行实际工厂生产调节时，应考虑不同的影响因素，方便达到预期目标，并根据需求变化在流程之间进行切换：（）逆流蒸发由于降低了向环境的散热，提高了整个系统的热效率，虽然在蒸发工序自身的蒸汽消耗增加了 ，但是考虑到溶出工序蒸汽消耗，相比错流蒸发时降低了 ，溶出和蒸发整体的新蒸汽消耗降低了 ，在新设计工厂时应优先采用，此时的设备选型对于可能发生的生产调节比较有利。（）为了降低循环水负荷和新蒸汽消耗，提高整个系统的热效率，可以采用 、效进料的逆流蒸发流程，此时需要重点核算 效蒸发器和溶出预热套管换热面积，进两段蒸发原液的比例可以通过换热面积富裕量进行测算。（）在产工厂的蒸发和溶出换热面积已经确定，由于超负荷运行等原因通常其能力都比较紧张，因此，此时可以通过采用 、效进料的错流蒸发流程，降低蒸发新蒸汽消耗，改善溶出运行环境，此时需要重点核算蒸发循环水量（增加 ）和溶出新蒸汽套管换热面积，具体分配比例可以通过现有换热面积反算。参考文献：李志国多级闪蒸蒸发在氧化铝生产中的应用探讨 轻金属，（）：张志斌等蒸发技术在氧化铝行业中的应用 湿法冶金，（）：唐时健，李晓莉氧化铝厂母液蒸发高效、节能设计探讨 轻金属，（）：梁立强提高蒸发装置产能的方法研究 轻金属，（）：齐东华，王会兴适用于氧化铝生产的两种七效管式降膜蒸发流程的对比研究 轻金属，（）：唐时健，李晓莉氧化铝生产中不同母液蒸发流程的比较 轻金属，（）：陈国华氧化铝厂母液蒸发工艺选型分析 轻金属，（）：（责任编辑葛 辉）