中鋁山東有限公司六效管式降膜蒸發(fā)器共有 7 組，主要有蒸發(fā)能力 165t/h 一組、200 t/h 一組、150 t/h 一組、東線130 t/h 兩組、120 t/h 一組、65 t/h 一組。其中 165t/h 組用于化學品氧化鋁母液蒸發(fā)，其余六組均用于氧化鋁母液蒸發(fā)。

從表 1 中可以看出，現(xiàn)有蒸發(fā)器均為六效蒸發(fā)加四級閃蒸逆流換熱工藝流程，主要存在問題 ：蒸汽利用率低，汽耗偏高，平均汽耗在 0.275t- 汽 /t- 水 ；蒸發(fā)原液（即種分母液）進效溫度較低，只有 75℃左右，生產(chǎn)系統(tǒng)熱量綜合利用率低。

 

六效蒸發(fā)器原進料流程為逆流流程，原液由蒸發(fā)器六效進入，并用泵逐級輸送到下一效，新蒸汽加入第一效，一效溶液自壓至一級至四級閃蒸罐，逐級降溫減壓，自蒸發(fā)產(chǎn)生二次蒸汽分別送入與其壓力相應的各效蒸發(fā)器的液室，經(jīng)四級閃蒸后生產(chǎn)出合格濃度的蒸發(fā)母液。在蒸發(fā)器逆流流程運行時，原液溫度的提高，使六效液室產(chǎn)生過量的二次蒸汽進入大氣冷凝器，當不能再增加冷凝器的循環(huán)水量時，蒸發(fā)器系統(tǒng)的真空就要降低，各效溶液的壓力及沸點跟著也要升高，此時會影響蒸發(fā)器組的經(jīng)濟運行，原液溫度達到 75℃以上時尤為明顯，造成以上現(xiàn)象的主要原因是蒸發(fā)器系統(tǒng)的熱負荷分配不合理。

將“六效蒸發(fā)”改為“七效蒸發(fā)”，蒸發(fā)汽耗可由平均汽耗 0.275t- 汽 /t- 水降至 0.225t- 汽 /t- 水，年節(jié)約蒸汽31.8 萬噸。

 

1  蒸發(fā)器的效數(shù)的選擇

蒸發(fā)工序濃縮的種分母液一般采用管式降膜蒸發(fā)器，這也是我國氧化鋁行業(yè)成熟的應用技術。七效蒸發(fā)器組一般采用逆流換熱，兩段進料蒸發(fā)方式。蒸發(fā)器的節(jié)能效果主要體現(xiàn)蒸汽的多次利用，采用的效數(shù)越多，蒸汽被利用的次數(shù)也越多，也就越節(jié)能，但效數(shù)的多少又受到效間有效溫差變小的約束。

 

中鋁山東有限公司拜耳法氧化鋁生產(chǎn)使用的鋁土礦是三水鋁石，相比一水硬鋁石礦，濃縮種分母液的濃度低，采用“六效蒸發(fā)”已應用成熟，效間平均有效溫差在 8℃～ 9℃。改為“七效蒸發(fā)”運行后，效間平均有效溫差在 7℃～ 8℃。效間有效溫差、效間濃度差，對“七效蒸發(fā)”運行，工藝技術是可行的。

 

除了 65t/h 蒸發(fā)器組由于場地的限制，無法進行七效改造，其余六組蒸發(fā)器全部由“六效蒸發(fā)”改為“七效蒸發(fā)”，根據(jù)現(xiàn)有蒸發(fā)器組布置，新增的一效作新Ⅰ效，并同步實施蒸發(fā)原液換熱和蒸發(fā)原液進料改造。

 

2  建設方案

2.1  蒸發(fā)工藝

在保持現(xiàn)有設備繼續(xù)使用的條件下，通過在每組蒸發(fā)器增加一臺 I 效管式降膜蒸發(fā)器，由六效蒸發(fā)改為七效蒸發(fā)，使平均汽耗由 0.275t- 汽 /t- 水降至 0.225t- 汽 /t- 水。七效管式降膜蒸發(fā)器（每噸水）蒸發(fā)物料平衡、熱平衡如下 ：

2.1.1  計算條件

原液量 ：F1=6662kg/t-H2O ；原液比熱 :C0=3.55kj/kg· ℃ ；原 液 溫 度 ：80 ℃ ；各 效 冷 凝 水 的 比 熱 ：C0=4.186kj/kg℃ ；各效熱利用系數(shù) ：I 效～ III 效 0.96、IV效～ VII 效 0.98 ；加熱蒸汽 ：0.5Mpa、T 飽 =152℃ ; 末效真空度 ： 0.075Mpa。

 

2.1.2  主要物料流量見表 2

2.1.3  計算熱量結(jié)果見表 3

2.2.1  管式降膜蒸發(fā)器

管式降膜蒸發(fā)器由加熱蒸發(fā)室、分配盤、汽液分離室、除霧器、循環(huán)管等部分構成。并配套冷凝器、循環(huán)泵、過料泵、冷凝水泵等。其結(jié)構如下圖所示。

 

降膜蒸發(fā)工藝 ：需蒸發(fā)的物料通過進料泵從降膜蒸發(fā)器頂部進入，走蒸發(fā)管內(nèi)（管程），物料通過布膜器以膜狀分布到換熱管內(nèi)，物料在憑借引力流下管腔時被管外的蒸汽加熱，達到蒸發(fā)溫度后產(chǎn)生蒸發(fā)，物料連同二次蒸汽從管內(nèi)流下以薄膜的形式蒸發(fā)。二次蒸汽送入降膜加熱室殼程作為加熱蒸汽。降膜加熱室殼程有板塊，引導二次蒸汽，冷凝和排出不可以冷凝的氣體。而在過程中把本身熱能經(jīng)過管壁從外傳到管內(nèi)蒸發(fā)中的物料，通過換熱后二次蒸汽冷凝成水排出降膜蒸發(fā)器外。

 

降膜蒸發(fā)系統(tǒng)的特點 ：降膜式蒸發(fā)器的料液是從蒸發(fā)器的頂部加入，在重力作用下沿管壁成膜狀下降，并在此過程中蒸發(fā)增濃，在其底部得到濃縮液。降膜式蒸發(fā)器可以蒸發(fā)濃度較高、粘度較大（例如在0.05~0.45Ns/m2范圍內(nèi)）物料；由于溶液在單程型蒸發(fā)器中呈膜狀流動，傳熱系數(shù)較高 ；停留時間短，不易引起物料變質(zhì)，適于處理熱敏性物料 ；液體滯留量小，降膜蒸發(fā)器可以根據(jù)能量供應、真空度、進料量、濃度等的變化而采取快速運作 ；由于工藝流體僅在重力作用下流動，而不是靠高溫差來推動，可以使用低溫差蒸發(fā) ；降膜蒸發(fā)器適用于發(fā)泡性物料蒸發(fā)濃縮，由于料液在加熱管內(nèi)成膜狀蒸發(fā)，即形成汽液分離，同時在效體底部，料液大部份即被抽走，只有少部份料液與所有二次蒸汽進入分離器強化分離，料液整過程沒有形成太大沖擊，避免了泡沫的形成。關于蒸發(fā)器的選擇具體如下 ：蒸發(fā)器節(jié)能改造，采用新增加 I 效蒸發(fā)器，現(xiàn)有 I 效蒸發(fā)器為 II 效 , 其他依此類推。主要原因一是現(xiàn)有 I 效蒸發(fā)器長期處于較高濃度和較高溫度工況下，設備狀況處于不利狀態(tài) ；二是本次改造可充分利用 I效蒸發(fā)器旁邊的強制循環(huán)蒸發(fā)器和減溫減壓器的框架位置，只需要加固和將減溫減壓器移位即可，土建投資大幅度下降。關于新增 I 效蒸發(fā)器面積選擇，根據(jù)目前蒸發(fā)器長期運行情況看，由于 I 效蒸發(fā)器長期處于較高濃度和較高溫度工況下，因結(jié)垢速度等因素影響，相比其他效始終處于不利工況下，適當增加 I 效蒸發(fā)器面積可有利于始終保持蒸發(fā)器溫差、壓力等操作參數(shù)的穩(wěn)定，有利于提高蒸發(fā)器組的運轉(zhuǎn)率和穩(wěn)定性，因此本次增加 I 效管式降膜蒸發(fā)器，其換熱面積按現(xiàn)有 I 效蒸發(fā)器換熱面積的約 110% 進行配置。

 

2.2.2  循環(huán)泵、過料泵的選型

根據(jù)采用七效逆流加四級閃蒸工藝流程要求，新增 I 效蒸發(fā)器配套循環(huán)泵一臺，原 1 效蒸發(fā)器配過料泵各一臺 ；由于每一效的蒸汽壓力和流經(jīng)的液量均不相同 , 需要進行詳細的熱量和物料平衡計算 , 因此選擇泵的型號較多。其中循環(huán)泵流量按照加熱面積的 0.35 倍計算。綜合考慮各效實際過料量、效間壓差、管件數(shù)量、汽蝕余量要求等，初步選型結(jié)果見表 4。

 

3  主要建設內(nèi)容

3.1  六效蒸發(fā)改七效蒸發(fā)部分

每組蒸發(fā)器增加一臺蒸發(fā)器，擴建一跨鋼結(jié)構框架安裝新蒸發(fā)器，將“六效蒸發(fā)”改為“七效蒸發(fā)”，總共增加 6 臺 I效管式降膜蒸發(fā)器，總面積約 13150m2，同時增加凝水閃蒸罐、泵和管道等配套設施。

 

由于現(xiàn)場場地的限制，管式降膜蒸發(fā)器還是采用與原設計相同的一體化設計，一體式結(jié)構非常緊湊，由設備結(jié)構而造成的熱損失在熱平衡計算中幾乎可以不考慮。加熱室下部筒體 3.4~4.4m 插入分離室，因而易受到高溫、高堿濃度的堿蒸汽對筒體材質(zhì)的應力腐蝕，使筒體及下管板焊縫出現(xiàn)裂紋、泄漏 ；這種情況主要發(fā)生在 I 效，II 效出現(xiàn)這種情況很少，III 效以后基本不出現(xiàn)這種情況。為解決這個問題，對設備本體采取以下措施 ：對加熱室下部筒體及與下管板的焊縫嚴格認真的做好熱處理，消除卷板及焊接應力 ；對下部筒體再嚴密的包敷一層 δ8~10mm 厚的 316L不銹鋼板予以保護，將下部筒體以及下管板焊縫與堿蒸汽完全隔離。

 

3.2  增設板式換熱器

通過新上板式換熱器和寬流道換熱器，增加換熱面積，用蒸發(fā)原液先通過中間降溫換熱器與種分漿液進行熱交換，然后再通過精液降溫換熱器與精液進行熱交換，充分利用換熱器可將蒸發(fā)原液溫度提高至 80℃，實現(xiàn)蒸發(fā)汽耗的降低，進而降低氧化鋁制造成本。

 

4  經(jīng)濟效益分析

165t/h 蒸 發(fā) 器 用 于 化 學 品 氧 化 鋁， 年 蒸 水 量165×8760×90% ＝ 130 萬噸 ；其他蒸發(fā)器用于氧化鋁，年 蒸 水 量（170+130×3+120）×8760*85% ＝ 506 萬 噸 ；項目實施后蒸發(fā)汽耗可由平均汽耗 0.275t- 汽 /t- 水降至0.225t- 汽 /t- 水 ；年可節(jié)約新蒸汽（130+506）×（0.275-0.225）=31.8 萬 噸 ；蒸 汽 價 格 114.728 元 / 噸，年 節(jié) 約 蒸汽費用 31.8×114.728=3648.35 萬元 ；增加熱電廠成本 ：（12.95+2.78）×31.8=500.21 萬元 ；實際節(jié)約蒸汽費用為3648.35-500.21 ＝ 3148.14 萬元。

 

5  結(jié)論

工藝技術的選擇借鑒了鋁行業(yè)和相關行業(yè)的成功經(jīng)驗，是穩(wěn)妥、可靠的。蒸發(fā)六效改七效能夠達到降低汽耗和提高裝備水平的目的

 

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