酸法生产氧化铝闪蒸系统的运行分析及优化

韩德家

（神华准能资源综合开发有限公司，内蒙古 鄂尔多斯 010300）

神华准能资源综合开发有限公司自主研发的“一步酸溶法”工艺，通过盐酸与粉煤灰混合反应得到氯化铝溶液，并经过过滤除杂、蒸发结晶和焙烧等工序制取氧化铝。2011年8月，该公司建成了4000t/a粉煤灰生产氧化铝中试装置，经过七次试验运行，取得了大量的实验数据，工业化的可行性得到了专家们的肯定论证，为从高铝粉煤灰中提取氧化铝开辟了新途径，对推进粉煤灰的减量化、资源化利用具有重要的意义。

1 溶出工序闪蒸系统简介

“一步酸溶法”溶出工序闪蒸系统的主要功能是对溶出矿浆进行降温降压[1]，同时，利用闪蒸产生的二次蒸汽预热成品料浆，从而实现热能的回收利用。闪蒸系统主要由自蒸发器、套管加热器、冷凝水罐和冷凝水泵等设备和管道、阀门、仪表组成。自蒸发器、套管加热器采用二级串联运行方式，成品矿浆经溶出反应釜逐级加热反应后，生成溶出料浆，依次进入一二级自蒸发器进行闪蒸，产生的热量通过一二级套管加热器被配料工序送来的成品料浆吸收，蒸汽凝结后形成的冷凝水进入冷凝水罐，用冷凝水泵送至下一工序。溶出矿浆经两级闪蒸降温后进入稀释槽，用适量的一次洗液稀释后成为合格的稀释料浆。具体流程如图1所示。

图1 粉煤灰酸法生产氧化铝溶出工序工艺流程图

2 闪蒸系统的运行分析

因为进入闪蒸系统的物料为酸性粉煤灰料浆，因此，对自蒸发器、套管加热器等设备及其附属的管道、阀门、仪表等材质的要求比较苛刻，其必须要同时满足防腐蚀和防磨损等条件[2]。在“一步酸溶法”工艺全流程中试验运行的初期，闪蒸系统经常发生排气带料、出料不畅、阀门泄漏、表计失灵和冷凝水质超标等故障，该故障严重威胁系统的安全运行，因此，需要分析上述故障产生的原因，并采取措施对闪蒸系统进行优化，以确保全系统的安全连续运行[3]。

2.1 排气带料的原因分析

自蒸发器进料采用手动控制阀门开度的方式控制进料量，导致料位控制严重滞后，当自蒸发器内的矿浆处于高液位时容易引起二次系统的带料。

自蒸发器出汽阀门开度过大，造成溶出末罐与首级自蒸发器的压差增大，从而闪蒸槽的料位升高，自蒸发器内闪蒸空间不足，导致排气带料进入二次系统[4]。

自蒸发器底部出料不畅或堵塞，导致料位急剧升高，引起排气带料。

2.2 出料不畅或堵塞的原因分析

在检修槽罐或管道后，未清理干净设备，造成出料口被杂物堵塞。

出料陶瓷阀门因阀芯碎裂、阀杆腐蚀造成阀门开关失灵。

两级自蒸发器之间或自蒸发器与稀释槽之间压差过小，料浆流动缓慢在管道弯头处内沉积造成堵塞。

钢衬四氟出料管道内衬四氟发生热缩现象，导致通流面积减小，造成出料不畅。

人员误开误关阀门，导致出料不畅或中断。

料浆管道设计管径偏小，出料管道中使用的弯头较多。

2.3 阀门损坏的原因分析

陶瓷阀门在运行中阀芯碎裂。

陶瓷阀门金属阀杆选材不当，运行中阀杆接触料浆的下端被腐蚀缺失，造成阀门开关失灵。

陶瓷阀门的陶瓷阀杆在保护销钉未剪断时，经常被拧断，导致阀门无法开关。

陶瓷阀门阀体组件的密封材料选用不当，运行中阀体组件结合面出现渗漏。

衬氟阀门选型不当，使用温度小于最高工作温度。

2.4 表计失灵的原因分析

自蒸发器通过膜片压力变送器和差压变送器测量压力和料位，因膜片选用材质不能满足防酸耐冲刷的要求，在运行中被酸气腐蚀损坏。

自蒸发器使用的膜片式差压变送器的测点分别在自蒸发器顶部和底部。高压测点的膜片安装在自蒸发器底部突出的管口法兰上，在运行过程中管口内的料浆逐渐沉积，流动性变差甚至被堵死，导致差压数据不准，从而无法测出准确料位。

温度测量采用双金属套管温度计，在运行过程中套管外包覆的防腐材料被冲刷破损，导致套管被腐蚀穿孔，测温元件损坏。

2.5 冷凝水质超标的原因分析

自蒸发器排汽带料，导致冷凝水被污染，水质超标。

套管加热器内漏，成品料浆漏入汽侧，导致冷凝水质超标。

3 闪蒸系统的优化

3.1 运行操作的优化

自蒸发器进料调整门改为电动调节阀，以此实现就地或远方操作，提高了料位调节的及时性。

为保证自蒸发器具有足够的闪蒸空间，防止排气带料，在运行中保持末级溶出反应釜与一级自蒸发器压差在50KPa～100KPa之间，将自蒸发器料位控制在30%～50%之间。

在使用陶瓷阀时，避免冷热冲击，保持阀门与介质温差在规定范围；开关陶瓷阀发生卡涩时，采取减小阀门两侧压差、进行反冲洗等措施进行处理，不得强行开关，避免造成阀杆断裂和阀芯碎裂的情况。

3.2 管道及流程的优化

为冲洗自蒸发器及疏通料浆管道，安装连接了高压水冲洗管道，在出料不畅或堵塞时，及时用高压水疏通管道。

针对料浆管道在运行中频繁发生堵管的情况，根据设计院的意见，将原有Dn32管道全部更换为Dn50管道，并对管道流程进行了优化，减少了弯头的使用数量。

为防止钢衬四氟管道发生热缩现象，将闪蒸系统的料浆管道更换为耐更高温度的钢衬碳化硅复合管道，消除了因四氟衬管热缩导致出料不畅或堵塞的隐患。

通过检查发现冷凝水水质超标的原因是自蒸发器排汽带料。由于运行中冷凝水量较少，为保持冷凝水罐液位，冷凝水泵需间歇运行，启停频繁。经过分析讨论后，采取了将冷凝水接入稀释槽，用作稀释料浆使用的方案。冷凝水泵不需投入运行，降低了设备维护费用，简化了运行操作。

3.3 阀门的优化

根据陶瓷阀门在试验过程中的使用情况，将金属阀杆由哈C合金材质统一更换为耐腐蚀的钽杆，其满足了防腐蚀的要求。

优化陶瓷阀杆的结构，加长了方形头，密封由单道胶圈改为双道胶圈，销钉直径由Φ4增大为Φ6，消除了顺门杆渗料和阀杆、阀芯碎裂的隐患。阀杆改造前后的结构见图2。

图2 阀杆改造图

针对酸性粉煤灰料浆的特殊要求，协调厂家对密封圈材质、陶瓷阀组件和阀体结构进行了优化，进一步提高了阀门对特殊物料的适应性。

闪蒸系统使用的衬氟阀门有止回阀、安全阀和球阀等三类，安全阀安装在自蒸发器本体上，止回阀和球阀安装在高压水管道上。衬氟阀门的内衬材料一般采用具有超强耐腐蚀性能和较高的使用温度PTFE(F4)、FEP(F46)和PFA等氟塑料，根据工作温度和使用环节的不同，高压水管道上使用FEP(F46)衬氟阀门，安全阀采用PFA衬氟阀门，其满足了使用要求。

3.4 仪表的优化

通过与厂家交流膜片压力变送器和差压变送器在闪蒸系统的运行情况，将膜片材料更换为防酸耐冲刷的钽材，在现场使用后，取得良好的效果。

为确保差压料位计测量的准确性，通过安装差压料位计高压侧膜片的自蒸发器下部的管口设计为上斜45°，防止料浆在管口内形成沉积。因为管口暂时无法调整，目前采取将高压测点的膜片安装在自蒸发器底部出料管水平段的三通朝上的管口法兰上，依靠管内料浆的流动和料浆重力影响防止发生料浆沉积，确保准确测量料位。

双金属温度计的套管外包覆的防腐材料采用PTFE(F4)、FEP(F46)和PFA等氟塑料，并适当增加厚度，以此提高防冲刷性能，在后续的试验过程中使用效果较好，有效降低了故障率。

4 结语

粉煤灰盐酸法生产氧化铝工艺对闪蒸系统的设备及运行提出了更高的要求，针对试验初期出现的问题，通过采取规范运行操作、优化管道布置、变更管道内径、改进陶瓷阀门、提升仪表防腐性能和优化冷凝水流程等措施，优化了闪蒸系统，并在后续试验过程中，取得了良好的使用效果，有效保证了溶出工序中的安全运行。