氧化铝母液蒸发器增加效数节能降耗改造

2019-05-23 12:02
世界有色金属 2019年3期
关键词:降膜管式母液

邬 春

(中铝山东有限公司,山东 淄博 255052)

中铝山东有限公司六效管式降膜蒸发器共有7组,主要有蒸发能力165t/h一组、200 t/h一组、150 t/h一组、东线130 t/h两组、120 t/h一组、65 t/h一组。其中165t/h组用于化学品氧化铝母液蒸发,其余六组均用于氧化铝母液蒸发。

表1 蒸发器换热面积表和部分运行参数

进料量 520 m3/h 610m3/h 600m3/h 650m3/h减温减压后压力 0.38Mpa 0.40Mpa 0.40Mpa 0.40MpaⅠ、Ⅱ效温差 20℃ 20℃ 20℃ 17℃Ⅰ效液室温度 128℃ 142℃ 144℃ 144℃Ⅰ效汽室温度 140℃ 147℃ 150℃ 150℃蒸汽单耗 0.278 0.278 0.272 0.272蒸水量 150 m3/h 120m3/h 130m3/h 130m3/h末效真空度 0.070Mpa 0.080Mpa 0.082Mpa 0.082Mpa循环水凉水温度 34℃ 35℃ 35℃ 35℃

从表1中可以看出,现有蒸发器均为六效蒸发加四级闪蒸逆流换热工艺流程,主要存在问题:蒸汽利用率低,汽耗偏高,平均汽耗在0.275t-汽/t-水;蒸发原液(即种分母液)进效温度较低,只有75℃左右,生产系统热量综合利用率低。

六效蒸发器原进料流程为逆流流程,原液由蒸发器六效进入,并用泵逐级输送到下一效,新蒸汽加入第一效,一效溶液自压至一级至四级闪蒸罐,逐级降温减压,自蒸发产生二次蒸汽分别送入与其压力相应的各效蒸发器的液室,经四级闪蒸后生产出合格浓度的蒸发母液。在蒸发器逆流流程运行时,原液温度的提高,使六效液室产生过量的二次蒸汽进入大气冷凝器,当不能再增加冷凝器的循环水量时,蒸发器系统的真空就要降低,各效溶液的压力及沸点跟着也要升高,此时会影响蒸发器组的经济运行,原液温度达到75℃以上时尤为明显,造成以上现象的主要原因是蒸发器系统的热负荷分配不合理。

将“六效蒸发”改为“七效蒸发”,蒸发汽耗可由平均汽耗0.275t-汽/t-水降至0.225t-汽/t-水,年节约蒸汽31.8万吨。

1 蒸发器的效数的选择

蒸发工序浓缩的种分母液一般采用管式降膜蒸发器,这也是我国氧化铝行业成熟的应用技术。七效蒸发器组一般采用逆流换热,两段进料蒸发方式。蒸发器的节能效果主要体现蒸汽的多次利用,采用的效数越多,蒸汽被利用的次数也越多,也就越节能,但效数的多少又受到效间有效温差变小的约束。

中铝山东有限公司拜耳法氧化铝生产使用的铝土矿是三水铝石,相比一水硬铝石矿,浓缩种分母液的浓度低,采用“六效蒸发”已应用成熟,效间平均有效温差在8℃~9℃。改为“七效蒸发”运行后,效间平均有效温差在7℃~8℃。效间有效温差、效间浓度差,对“七效蒸发”运行,工艺技术是可行的。

除了65t/h蒸发器组由于场地的限制,无法进行七效改造,其余六组蒸发器全部由“六效蒸发”改为“七效蒸发”,根据现有蒸发器组布置,新增的一效作新Ⅰ效,并同步实施蒸发原液换热和蒸发原液进料改造。

2 建设方案

2.1 蒸发工艺

在保持现有设备继续使用的条件下,通过在每组蒸发器增加一台I效管式降膜蒸发器,由六效蒸发改为七效蒸发,使平均汽耗由0.275t-汽/t-水降至0.225t-汽/t-水。七效管式降膜蒸发器(每吨水)蒸发物料平衡、热平衡如下:

2.1.1 计算条件

原液量:F1=6662kg/t-H2O;原液比热:C0=3.55kj/kg·℃;原液温度:80℃;各效冷凝水的比热:C0=4.186kj/kg℃;各效热利用系数:I效~III效0.96、IV效~VII效0.98;加热蒸汽:0.5Mpa、T饱=152℃;末效真空度: 0.075Mpa。

2.1.2 主要物料流量见表2

表2 主要物料流量

2.1.3 计算热量结果见表3

表3 计算热量结果

2.2 主要设备选型

2.2.1 管式降膜蒸发器

管式降膜蒸发器由加热蒸发室、分配盘、汽液分离室、除雾器、循环管等部分构成。并配套冷凝器、循环泵、过料泵、冷凝水泵等。其结构如下图所示。

降膜蒸发工艺:需蒸发的物料通过进料泵从降膜蒸发器顶部进入,走蒸发管内(管程),物料通过布膜器以膜状分布到换热管内,物料在凭借引力流下管腔时被管外的蒸汽加热,达到蒸发温度后产生蒸发,物料连同二次蒸汽从管内流下以薄膜的形式蒸发。二次蒸汽送入降膜加热室壳程作为加热蒸汽。降膜加热室壳程有板块,引导二次蒸汽,冷凝和排出不可以冷凝的气体。而在过程中把本身热能经过管壁从外传到管内蒸发中的物料,通过换热后二次蒸汽冷凝成水排出降膜蒸发器外。

降膜蒸发系统的特点:降膜式蒸发器的料液是从蒸发器的顶部加入,在重力作用下沿管壁成膜状下降,并在此过程中蒸发增浓,在其底部得到浓缩液。降膜式蒸发器可以蒸发浓度较高、粘度较大(例如在0.05~0.45Ns/m2范围内)物料;由于溶液在单程型蒸发器中呈膜状流动,传热系数较高;停留时间短,不易引起物料变质,适于处理热敏性物料;液体滞留量小,降膜蒸发器可以根据能量供应、真空度、进料量、浓度等的变化而采取快速运作;由于工艺流体仅在重力作用下流动,而不是靠高温差来推动,可以使用低温差蒸发;降膜蒸发器适用于发泡性物料蒸发浓缩,由于料液在加热管内成膜状蒸发,即形成汽液分离,同时在效体底部,料液大部份即被抽走,只有少部份料液与所有二次蒸汽进入分离器强化分离,料液整过程没有形成太大冲击,避免了泡沫的形成。

关于蒸发器的选择具体如下:蒸发器节能改造,采用新增加I效蒸发器,现有I效蒸发器为II效,其他依此类推。主要原因一是现有I效蒸发器长期处于最高浓度和最高温度工况下,设备状况处于不利状态;二是本次改造可充分利用I效蒸发器旁边的强制循环蒸发器和减温减压器的框架位置,只需要加固和将减温减压器移位即可,土建投资大幅度下降。关于新增I效蒸发器面积选择,根据目前蒸发器长期运行情况看,由于I效蒸发器长期处于最高浓度和最高温度工况下,因结垢速度等因素影响,相比其他效始终处于不利工况下,适当增加I效蒸发器面积可有利于始终保持蒸发器温差、压力等操作参数的稳定,有利于提高蒸发器组的运转率和稳定性,因此本次增加I效管式降膜蒸发器,其换热面积按现有I效蒸发器换热面积的约110%进行配置。

2.2.2 循环泵、过料泵的选型

根据采用七效逆流加四级闪蒸工艺流程要求,新增I效蒸发器配套循环泵一台,原1效蒸发器配过料泵各一台;由于每一效的蒸汽压力和流经的液量均不相同,需要进行详细的热量和物料平衡计算,因此选择泵的型号较多。其中循环泵流量按照加热面积的0.35倍计算。综合考虑各效实际过料量、效间压差、管件数量、汽蚀余量要求等,初步选型结果见表4。

表4 循环泵选型结果

3 主要建设内容

3.1 六效蒸发改七效蒸发部分

每组蒸发器增加一台蒸发器,扩建一跨钢结构框架安装新蒸发器,将“六效蒸发”改为“七效蒸发”,总共增加6台I效管式降膜蒸发器,总面积约13150m2,同时增加凝水闪蒸罐、泵和管道等配套设施。

由于现场场地的限制,管式降膜蒸发器还是采用与原设计相同的一体化设计,一体式结构非常紧凑,由设备结构而造成的热损失在热平衡计算中几乎可以不考虑。

加热室下部筒体3.4~4.4m插入分离室,因而易受到高温、高碱浓度的碱蒸汽对筒体材质的应力腐蚀,使筒体及下管板焊缝出现裂纹、泄漏;这种情况主要发生在I效,II效出现这种情况很少,III效以后基本不出现这种情况。为解决这个问题,对设备本体采取以下措施:对加热室下部筒体及与下管板的焊缝严格认真的做好热处理,消除卷板及焊接应力;对下部筒体再严密的包敷一层δ8~10mm厚的316L不锈钢板予以保护,将下部筒体以及下管板焊缝与碱蒸汽完全隔离。

3.2 增设板式换热器

通过新上板式换热器和宽流道换热器,增加换热面积,用蒸发原液先通过中间降温换热器与种分浆液进行热交换,然后再通过精液降温换热器与精液进行热交换,充分利用换热器可将蒸发原液温度提高至80℃,实现蒸发汽耗的降低,进而降低氧化铝制造成本。

4 经济效益分析

165t/h蒸发器用于化学品氧化铝,年蒸水量165×8760×90%=130万吨;其他蒸发器用于氧化铝,年蒸水量(170+130×3+120)×8760*85%=506万吨;项目实施后蒸发汽耗可由平均汽耗0.275t-汽/t-水降至0.225t-汽/t-水;年可节约新蒸汽(130+506)×(0.275-0.225)=31.8万吨;蒸汽价格114.728元/吨,年节约蒸汽费用31.8×114.728=3648.35万元;增加热电厂成本:(12.95+2.78)×31.8=500.21万元;实际节约蒸汽费用为3648.35-500.21=3148.14万元。

5 结论

工艺技术的选择借鉴了铝行业和相关行业的成功经验,是稳妥、可靠的。蒸发六效改七效能够达到降低汽耗和提高装备水平的目的。

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