李志国

(沈阳铝镁设计研究院有限公司,辽宁 沈阳 110001)

我国溶出最早采用原苏联50年代的技术和装备进行生产,其中预热部分采用列管式加热器,停留部分采用压煮溶出器;上世纪90年代先后投产的山西铝厂和平果铝厂引进了法国彼施涅铝业公司的“管道预热-压煮器加热溶出”的间接加热溶出技术及装备,郑州铝厂引进了德国VAW公司的“管道化间接加热溶出”技术及装备[1-3],这些工艺技术除了在溶出温度和停留时间等工艺参数上有区别之外,主要区别是采用的设备形式不同,但都是采用料浆闪蒸二次汽对进料料浆进行间接预热。

德国VAW公司的管道化溶出技术在常规的乏汽料浆换热、熔盐加热、管道停留之前设置了一级末闪出料料浆与进料低温料浆的料料间接换热,用以进一步降低出料温度,提高预热温度,改善溶出工序自身的热效率[4]。采用高温料浆直接预热低温进料料浆,流程比较简单,不需要通过料浆闪蒸降温,二次汽冷凝加热低温料浆的过程就实现了热量从高温料浆到低温料浆的传递,但是简化流程的同时闪蒸降温附带的蒸水收益就没有了,近几年国内部分氧化铝厂取消了料浆闪蒸系统,全部采用高温料浆和低温料浆换热,那么这种流程的经济性如何呢?本文主要侧重于从理论上分析了无闪蒸溶出流程相比有闪蒸流程的经济性,不考虑取消闪蒸对于投资的影响,以及是否有高效、经济的换热设备清理方式,以期从原理上分析该技术路线的经济性,为广大从业者借鉴。

1 理论分析

溶出就是在一定的温度和碱浓度下,将矿石中的氧化铝溶解到溶液中,并提供具有可以接受溶出分子比条件的溶出液供后续使用,具体的反应如式(1)所示。

(1)

有无闪蒸对于溶出的影响主要体现在完成溶出过程后的碱浓度是否增加,无闪蒸溶出流程下,在不通过额外蒸发补充系统蒸水的条件下,溶出过程的碱浓度体系保持不变,此时对于溶出过程没有直接影响,其影响主要体现在减少了赤泥洗涤用水;在通过蒸发过程补充蒸水的条件下,溶出过程的碱浓度增加,高碱浓度对于金属腐蚀有害,但对于溶出过程总体来说是有利的。

也就是说从理论上来说取消闪蒸过程对于溶出自身来说是可以接受的,但是到具体项目上要根据取消闪蒸后的差异测算对整个系统的影响,综合评估投资和经济性。

2 流程简述

无闪蒸溶出的新蒸汽和新蒸汽冷凝水加热、停留溶出流程和所采用的设备与有闪蒸溶出完全一致,停留溶出的高温出料料浆返回预热套管与进料低温原矿浆间接换热,这是最主要的差别,之后从稀释槽进入后续工序,其工艺流程框图如图1所示。

图1 无闪蒸溶出流程框图

3 两种流程对比

有闪蒸和无闪蒸溶出两种工艺流程的主要差异对比如表1所示。

表1 两种溶出流程差异对比

两种工艺由于换热方式的差异,造成了对于系统的不同影响:

(1) 有无闪蒸,最直观的变化就是,无闪蒸溶出流程取消了料浆闪蒸槽、二次汽冷凝水闪蒸槽及配套的蒸汽管道、阀门等,简化了流程,对于设备投资及运行电耗的影响。

(2) 传热方式不同,会造成传热温差、传热系数的变化,需要考察对于换热设备投资和运行功率的影响。

(3) 溶出不蒸水,如果不通过蒸发补充不足部分,则赤泥洗水同比例减少,增加了赤泥附损;如果通过蒸发补充减少的溶出蒸水部分,则溶出过程碱浓度提高,溶出进料量降低,喂料泵功率降低,溶出汽耗降低,但同时蒸发汽耗增加。

4 无闪蒸对系统的影响分析

4.1 溶出汽耗

以某一具体的高浓度高温溶出为例,系统有闪蒸流程,进出溶出系统各部分热量分项占比如表2所示。

表2 进出溶出系统热量分项占比

由表2可知,新蒸汽(扣除冷凝水回水)提供给溶出过程的热量,主要用于料浆升温,二次汽冷凝水带走,化学反应热消耗和散热损失,其中影响最为显著的就是料浆离开溶出系统的温度,在无闪蒸条件下,由于系统的碱浓度较低,造成沸点升较低,溶出出料料浆的温度可以相对更低,更多的热量在溶出系统内部被二次利用,降低了溶出自身的汽耗;另外一个影响因素就是二次汽冷凝水,其对于溶出汽耗的影响,主要是离开溶出系统的温度与料浆不同,在有闪蒸时,二次汽冷凝水的温度较低,更多的热量被溶出自身二次利用,溶出汽耗相对较低,在考察某一具体过程的蒸汽消耗时需要进行针对性的计算以确定以上两个因素的综合影响。

4.2 溶液沸点升

溶液的沸点升与溶液的碱浓度和温度密切相关,系统的碱浓度体系,以及在溶出过程中是否发生闪蒸改变碱浓度,都会对溶液的沸点升产生显著的影响,沸点升反过来又会影响闪蒸二次蒸汽的温度,进而对传热温差、传热面积产生影响,以某一具体项目为例,图2～图4分别列出了低温溶出、低浓度高温溶出和高浓度高温溶出在有无闪蒸条件下各级闪蒸出料沸点升的变化。

图2 低温溶出各级闪蒸出料沸点升变化

图3 低浓度高温溶出各级闪蒸出料沸点升变化

图4 高浓度高温溶出各级闪蒸出料沸点升变化

由图2～图4分析可知,系统的碱浓度越高、温度越高,沸点升越高,而高浓度高温溶出条件下,相比低温溶出,有无闪蒸过程对于各级闪蒸出料沸点升的影响最为显著,最大达到了7℃。

4.3 传热温差

由于传热过程由蒸汽冷凝传热变为料浆和料浆逆流或顺流传热,其传热温差的计算方式有差异,以低温溶出末闪匹配第一级预热为例,进行相关计算如下:

根据《传热学》[5],顺流和逆流传热的对数温差计算采用式(2)。

(2)

式中:Δtm——对数温差,℃;

Δtmax——热端温差,℃;

Δtmin——冷端温差,℃。

逆流传热对数温差为:Δt1=[(120-88)-(112-79)]/ln[(120-88)/(112-79)]=32.50℃

并流传热对数温差为:Δt2=[(120-79)-(112-88)]/ln[(120-79)/(112-88)]=31.74℃

蒸汽冷凝传热温差为:

由蒸汽冷凝传热变为逆流传热,传热温差增加79%;变为并流传热,传热温差增加75%,对于传热过程来说是比较有利的,无论是采用顺流还是逆流对于对数传热温差的增幅影响有限。传热温差的差异,将带来相同换热效果下换热面积的差异,进而影响换热部分的投资和喂料泵功率。

4.4 传热系数

根据《化工原理》[6]中的方法,按照式(3)分别计算蒸汽冷凝换热,料浆和料浆换热的传热系数。

(3)

式中:αi、αo——管内外侧对流传热系数,

W/(m2·℃);

Rsi、Rso——管内外侧污垢热阻,

(m2·℃)/W;

b——厚度,m;

λ——热导率,W/(m·℃)。

根据计算可知料浆和料浆传热系数/蒸汽冷凝传热系数等于65%,改为料浆和料浆换热后对于传热过程来说是不利的,传热系数降低35%。传热系数的差异,将带来相同换热效果下换热面积的差异,进而影响换热部分的投资和喂料泵功率的变化。

5 经济性分析

5.1 低温溶出

5.1.1 系统总蒸水不变

采用无闪蒸流程后,溶出蒸水通过蒸发补充,保持系统总蒸水不变,此时各部分的蒸汽消耗见图5。

图5 各部分蒸汽消耗

由图5分析可知,无闪蒸流程单纯对比溶出自身汽耗是降低的,但是如果需要蒸发多蒸水则溶出和蒸发的总蒸汽消耗是增加的。

5.1.2 系统总蒸水降低

如果不考虑通过增加蒸发蒸水量来保持系统总蒸水不变,则全厂蒸水量下降,此时各部分的蒸汽消耗图6。

图6 各部分蒸汽消耗

此时溶出自身汽耗下降,溶出和蒸发总汽耗也下降,同时赤泥洗水减少,由此造成的赤泥附碱损失增加为6.86 kg/t-AO。按照蒸汽单价80元/t,片碱2624元/t计算,损失的碱成本为18元/t-AO,降低的蒸汽成本为1.28元/t-AO,此种运行方式不经济。

5.2 高温溶出

5.2.1 系统总蒸水不变

采用无闪蒸流程后,溶出蒸水通过蒸发补充,保持系统总蒸水不变,此时各部分的蒸汽消耗见图7、图8。

图7 低浓度高温溶出各部分蒸汽消耗

图8 高浓度高温溶出各部分蒸汽消耗

由图7、图8分析可知,无闪蒸流程单纯对比溶出自身汽耗是降低的,但是如果需要蒸发多蒸水则溶出和蒸发的总蒸汽消耗是增加的。

5.2.2 系统总蒸水降低

如果不考虑通过增加蒸发蒸水量来保持系统总蒸水不变,则全厂蒸水量下降,此时各部分的蒸汽消耗见图9、图10。

图9 低浓度高温溶出各部分蒸汽消耗

图10 高浓度高温溶出各部分蒸汽消耗

由图9、图10分析可知,此时溶出自身汽耗下降,总蒸汽消耗也下降,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当,此时无法运行,因此不做增加附碱损失与蒸汽消耗之间的经济测算分析。在实际运行过程中,不能将某一具体工厂所有高温溶出生产线全部改为无闪蒸流程,此时对于赤泥洗涤的影响过大,生产上无法实现。

6 结论及建议

在相同条件下,保持系统蒸水量不变,无闪蒸溶出流程相比有闪蒸溶出流程综合蒸汽消耗更高;降低低温溶出时全系统蒸水量,带来的附碱损失高于降低蒸汽消耗的收益;高温溶出时,不采用蒸发补偿系统蒸水不足的方案,对于赤泥洗水的影响过大,不具有可实施性。

(1) 单纯从蒸汽消耗角度分析,无闪蒸流程在溶出工序的蒸汽消耗是降低的,但是从全厂的角度来看,蒸汽总消耗是增加的。

(2) 无闪蒸流程由于降低了系统的沸点升,可以允许出料温度更低一些而不沸腾,由此带来了溶出汽耗降低的可能性。

(3) 矿石品质好,系统蒸水需求小的低温溶出,为了简化流程可以考虑采用无闪蒸流程。

(4) 在产氧化铝厂一般设计年限较长,换热面积普遍不足,如果解决了套管结疤清洗问题,可以用来作为补充溶出换热面积不足的一个折中选项。