氧化铝蒸发工序节能降耗途径探讨

1、高等学校工程热物理第十六届全国学术会议论文集 编号:B-100026 氧化铝蒸发工序节能降耗途径探讨李时民,彭小奇,张建智,宋彦坡,武春阳(中南大学 能源科学与工程学院,湖南 长沙,410083摘 要:蒸发工序是氧化铝生产的重要工序之一,其能耗的高低直接制约了氧化铝生产工业的发展。本文主要从升级设备、优化工艺及应用系统节能技术三个主要途径,讨论了氧化铝蒸发工序节能降耗的方法。关键词:氧化铝;蒸发工序;节能降耗前言蒸发是将溶液加热至沸腾,使其中的部分溶剂汽化并被移除,以提高溶液中溶质浓度的操作。被蒸发的溶液由不挥发性的溶质和挥发性的溶剂组成。蒸发是重要的化工单元之一,尤其在氧化铝制造行业。氧化铝

2、蒸发工序的主要任务是:排出氧化铝生产过程中产生的多余水分,保证水分的平衡;浓缩生产过程中的循环母液,使碱液循环使用;结晶析出母液中的部分盐类,达到除杂的目的,从而确保氧化铝生产的正常进行。随着氧化铝生产规模的不断扩大,蒸发工序能耗的高低制约了氧化铝生产工业的发展。据第十届氧化铝技术信息交流会统计数据,蒸发能耗约占氧化铝生产能耗的20% 25%,汽耗占总汽耗的48%52%,占生产成本的10%12%1。为了降低氧化铝生产蒸发工序的能耗,各氧化铝厂和研究机构主要从升级设备、优化工艺以及应用系统节能技术等方面来开展和推进氧化铝生产的节能降耗工作2,3。1升级设备自20世纪60年代以来,我国氧化铝蒸发工

3、艺设备的发展,大致经历的过程为:中央循环管式蒸发器、自然循环蒸发器、强制循环蒸发器;管式升膜蒸发器、管式降膜蒸发器、板式降膜蒸发器等。可以看出,发展历程大致经历了从循环式到非循环式(单程式、非膜式到膜式的一系列改进和创新过程。基金项目:国家自然科学基金重点资助项目(60634020, 湖南教育厅科技资助项目(08W0031.1循环式、非膜式的蒸发设备中央循环管式蒸发器,是最常见的短管蒸发器,它主要由加热室、蒸发室、中央循环管和除沫器组成。它适用于粘度适中,结垢不严重,及腐蚀性不大的场合。有结晶析出时增设搅拌器2 。由于中央循环管式蒸发器加热面积受到限制,逐渐不能满足大工业生产的需求。20世纪末

4、,国内混联法氧化铝生产主要用外热式自然循环蒸发器。这种蒸发器的加热管较长(7m9 m,循环管没有受到蒸汽的加热,溶液的循环速度可到0.80.9m/s。但是这种蒸发器不宜蒸发有结晶析出的物料3。强制循环蒸发器的结构与自然循环蒸发器类似,它的料液的循环流动是依靠强制循环泵,管内的流速可达到25m/s1,是自然循环速度的1.74倍,传热效率比自然循环大几倍;强制循环蒸发器属于管外浓缩,能很好地适应有固体析出条件下的蒸发。不足之处就是循环量大(约为进料量的30倍、动力消耗大(每平方米加热面要0.31.8KW、维护工作量大3。它常用于物料粘度大、有结晶析出和易结疤溶液的蒸发。1.2非循环式、膜式的蒸发设

5、备管式升膜蒸发器,加热室是由一根或数根垂直长管组成,通常加热管径为25 50mm,管长与管径之比为100150。管式升膜蒸发器加热管内的二次蒸汽应具有较高速度,通常,常压时管上端出口处速度以保持2050m/s为宜;减压时,速度可达100 160m/s1。它适宜处理蒸发量较大,热敏性,粘度不大及易起沫的溶液,但不适于高粘度、有晶体析出和易结垢的溶液。管式降膜膜蒸发器,主要由布膜器、加热室、分离室、循环泵等部件组成。加热室是与外热式自然循环蒸发器类似,由加热管和布膜器组成。该蒸发器的优点在于传热效率高、投资低、加热管的可换性强、利于清理检修,可多效作业,汽耗低;但不适用于有大量结晶析出的溶液蒸发,

6、且布膜器的防堵、防结垢要求高。升降膜蒸发器,主要由预热器、升膜加热室、降膜加热室、分离室等部件组成。这类蒸发器适于处理粘度变化大的溶液。可以看出,氧化铝行业蒸发工艺设备的发展,都是是以提高蒸水能力、降低汽耗为目标的。2优化工艺蒸发是一个十分复杂的过程,蒸发器的蒸发能力受设备内压力、温度、蒸汽和溶液流动状态以及整个体系传热系数等许多因素的影响。目前各个铝厂都面临着提高蒸发器蒸水能力、降低汽耗的严峻形势,在升级设备的基础上,改造现有流程工艺和开发应用新工艺成为每个氧化铝厂所面临的一道难题。2.1改造现有流程工艺某氧化铝厂采用烧结法生产氧化铝,蒸发设备采用的是强制循环蒸发器。强制循环具有很多优点,但

7、其自身又有局限性:设备操作复杂、工艺条件不易控制、汽耗高、结垢速度快、运转率低。为了实现降本提产的目标,该厂积极进行技术创新,通过改造现有流程工艺,采用反循环结晶蒸发技术4,5。其技术关键为:改变蒸发器传统的切向进料正循环方式,通过改变循环泵的安装方式,来改变物料流向,实现蒸发器物料的反循环运转。通过改进:蒸发室中的流向由切向改为轴向,减少了循环时的晶体量,减缓了结疤速度,延长了蒸发器清洗周期;加热管上方液柱静压引起了沸点升高,阻止加热管内析盐现象,避免了出现热短路,增大了传热有效温差,提高了生产能力;减少了循环泵的功率能耗,延长了循环泵的效率和使用寿命。2.2开发应用新工艺国内氧化铝生产主要

8、用自然循环蒸发器、强制循环蒸发器等。虽然经过不断改进,但仍存在吨水汽耗高、结垢严重、蒸发能力低等诸多弊端。针对这些,中州铝厂开发并应用了目前世界上拜耳法种分母液蒸发的先进流程:降膜蒸发与闪速自蒸发相结合6,10。图1为四效逆流三级闪蒸的管式降膜蒸发工序: 图 1 工艺流程图该蒸发工序应用了新的设备:预热器使料液的温度提高,浓度降低,缓解了结疤现象;闪蒸器提供了流体迅速汽化和汽液分离的空间,通过减压,使流体在闪蒸器内沸腾,从而实现汽液部分分离。新型蒸发工序获得了满意的工艺指标:(1蒸发器组蒸发能力:150 t-H2O/h,最大170 t-H2O/h;(2汽耗0.32 t/t-H2O;(3蒸发母液

9、出料全碱浓度N t280 g·L-1。3应用系统节能技术近几十年来,氧化铝蒸发工序的能耗一直呈逐年下降趋势,我们在节能降耗方面已经取得了很大的进步,主要是从升级设备、优化工艺方面入手。然而在节能减排工作中遇到了几个问题:首先,蒸发工序采用的蒸发设备都是根据各厂特定工艺出发,故各个设备之间都是互相联系的,一般不能随意更改;其次,设备一般都比较昂贵,废弃原有生产设备一般都不切实际;第三,设备一般都比较庞大,要想在原系统上增加某些设备在空间上一般难以实现。近期,人们把节能降耗工作提高到系统节能的高度,开辟了一条新的节能思路,是氧化铝生产节能工作的一个较大进展。将系统论应用于流程工业进行宏观

10、分析,以达到节能减排目标的方法,称为流程工业的系统节能技术。系统节能与传统意义上的节能的主要区别在于:系统节能不仅研究单体设备的节能,更注重各个工序间、整个流程、甚至整个企业的节能,即重视工序、车间以及企业间的相互制约和协调。3.1过程能量优化所谓过程能量优化,就是以能量系统为主线,研究能流与物流的最佳结合关系,用多种技术集成,实现最优化技术条件的一种科学方法7。它是利用计算机技术,经过对生产过程积累的数据进行反复的比较、模拟、测算(物流、热流、能流的分布状况,寻找最佳设计、最佳工况,提高生产效率、降低生产成本。常用的研究方法和工具主要有:应用数学建模、模拟分析、优化;计算机科学和技术;最优化

11、技术。以中州铝厂四效逆流三级闪蒸的管式降膜蒸发工序为例,蒸发工序包含蒸发器、预热器、闪蒸器、冷凝水罐等单元设备。通过分析整个氧化铝蒸发工序的能量供求关系,蒸发工序的系统节能工作首先应该考虑流程参数优化,进而达到节能降耗的目的。然而优化流程操作参数,主要通过两个方面:工业试验和过程仿真。前者耗时耗力耗材,而蒸发工序又不涉及化学反应,对于相变和传热的分析相对简单,应用数学建模8或流程仿真软件9对蒸发工序进行仿真模拟,是满足工业生产实时性要求的一种较好的工艺优化控制方法。所以过程能量优化技术,对氧化铝生产的节能降耗具有重要的意义。 3.2能量分析方法基本的能量分析方法包括热分析、熵分析和火用分析。热

12、分析是建立在热力学第一定律的基础上,以热效率为基本准则,来分析和评价能量有效利用状况,揭示能量传递和转换过程中的“数量”关系;熵分析是建立在热力学第二定律的基础上,通过对热力学体系进行熵平衡计算,分析熵产的大小、分布及其影响因素,确定熵产与不可逆损失的关系,作为评价过程不完善性与改进过程的依据。火用分析是将热力学第一定律和热力学第二定律相结合,火用是衡量做功能力大小的统一尺度,它不仅可以反映能量的数量,更重要的是可以反映能量的品质(即做功能力,也就是综合考虑了能的“数量”和“品质”两个属性。能量的火用值越大,则其可以转化为有用功的数量越多,做功能力越强;能级越高,能量的价值越高,有用程度也越大

13、。节能在很大程度上应体现为“节火用”。火用效率是衡量能量转换装置和系统热力学完善程度的统一指标。火用效率越高则表示能量的有效转化率越高,能量转换和利用过程损失也就越小10,11。以中州铝厂四效逆流三级闪蒸的管式降膜蒸发工序为例,彭小奇等12用火用分析方法在定性分析系统或装置中火用的转换、传递和损失的情况后,以规定的环境模型为基准,根据火用的概念及其计算方法,计算出物流或能流在工况状态下的火用值,然后建立系统或装置的火用平衡方程,进而定量计算出系统或装置的火用损失大小、部位,以及火用效率、热力学完善度等准则,从而揭示系统或装置中火用损失的最大环节和部位,对系统或装置的用能状况作出科学深入的评价。

14、通过火用分析,可以了解能量系统的有效能的流向,了解有效能的损失情况,弄清楚装置系统中火用损失大的薄弱环节,为改进设备和工艺制度,节约能源提供目标和对策。尤其对于复杂的能量系统,采用火用分析使不同质的各种形式的能量,有了统一的衡量尺度,因此使得对能量系统的评价更加科学和准确。火用分析可以指导合理地按质使用能量、避免和减少不可逆过程损失。4结语随着氧化铝产量的不断提高,蒸发工序能耗所占的比重越来越大,蒸发工序节能降耗、降本提产已成为各个铝厂的重要目标。本文介绍了从升级设备、优化工艺两个途径入手,在节能降耗方面已经取得了很大的进步;更强调了运用火用分析等其他系统节能技术来开展和推进氧化铝蒸发工序的节

15、能降耗工作。参 1 2 3 考 文 献 毕诗文, 于海燕, 等. 拜耳法生产氧化铝. 北京：冶金工业出版社,2007 毕诗文, 于海燕. 氧化铝生产工艺. 北京: 化学工业出版社, 2006 孙克萍, 先晋聪, 宋强等. 我国氧化铝业中蒸发装置技术进步及效能分析. 有色冶金. 2004(3: 43-45 4 杨纪倩, 王庆娜. 反循环蒸发技术在氧化铝生产中的开发与应用. 稀有金属. 2006,30(12: 68-71 5 徐宏刚, 童晓辉. 反循环结晶蒸发技术在烧结法生产氧化铝中开发与应用的研究. 中国 高新技术企业科技论坛. 2006: 73-75 6 7 李续平, 周在毅. 氧化铝蒸发节能

16、降耗途径的探讨. 轻金属. 2006(12: 37-39 俞红梅, 姚平经, 袁一. 大规模复杂过程系统能量综合方法. 有色冶金. 1998,12(4: 368-372 8 9 李玲, 阮奇. 并流多效蒸发系统的数学模型与求解J. 化工学报, 2009, 60,(1: 104-111 Antonio B. Araujo, Romildo P. Brito, Luis S. Vasconcelos. Exergetic analysis of distillation processesA case study. Energy 32 (2007 1185-1193 10 11 12 傅秦生. 能

17、量系统的热力学分析方法. 西安: 西安交通大学出版社, 2005 Linhoff B, Vredeveld D R. Pinch technology has come of age. CEP, 1984, 80(7: 33-40 彭小奇, 宋国辉, 宋彦坡等.氧化铝生产蒸发工序的火 用分析. 中南大学学报 （自然科学版） . 2009,(EI已录用 Disscussion of energy saving for Alumina Evaporation Process Li Shi-min, PENG Xiao-qi, ZHANG Jian-zhi, SONG Yan-po, Wu Chun-yang ( School of Energy Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083 Abstract: The evaporation is one of the key processes of alumina production. The developments of alumina production industry are affected directly by