氧化鋁母液蒸發器增加效數節能降耗改造

鄔 春

（中鋁山東有限公司，山東 淄博 255052）

中鋁山東有限公司六效管式降膜蒸發器共有7組，主要有蒸發能力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，其余六組均用于氧化鋁母液蒸發。

表1 蒸發器換熱面積表和部分運行參數

進料量 520 m3/h 610m3/h 600m3/h 650m3/h減溫減壓后壓力 0.38Mpa 0.40Mpa 0.40Mpa 0.40MpaⅠ、Ⅱ效溫差 20℃ 20℃ 20℃ 17℃Ⅰ效液室溫度 128℃ 142℃ 144℃ 144℃Ⅰ效汽室溫度 140℃ 147℃ 150℃ 150℃蒸汽單耗 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循環水涼水溫度 34℃ 35℃ 35℃ 35℃

從表1中可以看出，現有蒸發器均為六效蒸發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；蒸發原液（即種分母液）進效溫度較低，只有75℃左右，生產系統熱量綜合利用率低。

六效蒸發器原進料流程為逆流流程，原液由蒸發器六效進入，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，自蒸發產生二次蒸汽分別送入與其壓力相應的各效蒸發器的液室，經四級閃蒸后生產出合格濃度的蒸發母液。在蒸發器逆流流程運行時，原液溫度的提高，使六效液室產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水量時，蒸發器系統的真空就要降低，各效溶液的壓力及沸點跟著也要升高，此時會影響蒸發器組的經濟運行，原液溫度達到75℃以上時尤為明顯，造成以上現象的主要原因是蒸發器系統的熱負荷分配不合理。

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

1 蒸發器的效數的選擇

蒸發工序濃縮的種分母液一般采用管式降膜蒸發器，這也是我國氧化鋁行業成熟的應用技術。七效蒸發器組一般采用逆流換熱，兩段進料蒸發方式。蒸發器的節能效果主要體現蒸汽的多次利用，采用的效數越多，蒸汽被利用的次數也越多，也就越節能，但效數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”已應用成熟，效間平均有效溫差在8℃～9℃。改為“七效蒸發”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”運行，工藝技術是可行的。

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

2 建設方案

2.1 蒸發工藝

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

表2 主要物料流量

2.1.3 計算熱量結果見表3

表3 計算熱量結果

2.2 主要設備選型

2.2.1 管式降膜蒸發器

管式降膜蒸發器由加熱蒸發室、分配盤、汽液分離室、除霧器、循環管等部分構成。并配套冷凝器、循環泵、過料泵、冷凝水泵等。其結構如下圖所示。

降膜蒸發工藝：需蒸發的物料通過進料泵從降膜蒸發器頂部進入，走蒸發管內（管程），物料通過布膜器以膜狀分布到換熱管內，物料在憑借引力流下管腔時被管外的蒸汽加熱，達到蒸發溫度后產生蒸發，物料連同二次蒸汽從管內流下以薄膜的形式蒸發。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過管壁從外傳到管內蒸發中的物料，通過換熱后二次蒸汽冷凝成水排出降膜蒸發器外。

降膜蒸發系統的特點：降膜式蒸發器的料液是從蒸發器的頂部加入，在重力作用下沿管壁成膜狀下降，并在此過程中蒸發增濃，在其底部得到濃縮液。降膜式蒸發器可以蒸發濃度較高、粘度較大（例如在0.05～0.45Ns/m2范圍內）物料；由于溶液在單程型蒸發器中呈膜狀流動，傳熱系數較高；停留時間短，不易引起物料變質，適于處理熱敏性物料；液體滯留量小，降膜蒸發器可以根據能量供應、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；降膜蒸發器適用于發泡性物料蒸發濃縮，由于料液在加熱管內成膜狀蒸發，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。

關于蒸發器的選擇具體如下：蒸發器節能改造，采用新增加I效蒸發器，現有I效蒸發器為II效，其他依此類推。主要原因一是現有I效蒸發器長期處于最高濃度和最高溫度工況下，設備狀況處于不利狀態；二是本次改造可充分利用I效蒸發器旁邊的強制循環蒸發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效蒸發器面積選擇，根據目前蒸發器長期運行情況看，由于I效蒸發器長期處于最高濃度和最高溫度工況下，因結垢速度等因素影響，相比其他效始終處于不利工況下，適當增加I效蒸發器面積可有利于始終保持蒸發器溫差、壓力等操作參數的穩定，有利于提高蒸發器組的運轉率和穩定性，因此本次增加I效管式降膜蒸發器，其換熱面積按現有I效蒸發器換熱面積的約110%進行配置。

2.2.2 循環泵、過料泵的選型

根據采用七效逆流加四級閃蒸工藝流程要求，新增I效蒸發器配套循環泵一臺，原1效蒸發器配過料泵各一臺；由于每一效的蒸汽壓力和流經的液量均不相同，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、管件數量、汽蝕余量要求等，初步選型結果見表4。

表4 循環泵選型結果

3 主要建設內容

3.1 六效蒸發改七效蒸發部分

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

由于現場場地的限制，管式降膜蒸發器還是采用與原設計相同的一體化設計，一體式結構非常緊湊，由設備結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的應力腐蝕，使筒體及下管板焊縫出現裂紋、泄漏；這種情況主要發生在I效，II效出現這種情況很少，III效以后基本不出現這種情況。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原液溫度提高至80℃，實現蒸發汽耗的降低，進而降低氧化鋁制造成本。

4 經濟效益分析

165t/h蒸發器用于化學品氧化鋁，年蒸水量165×8760×90%＝130萬噸；其他蒸發器用于氧化鋁，年蒸水量（170+130×3+120）×8760＊85%＝506萬噸；項目實施后蒸發汽耗可由平均汽耗0.275t-汽/t-水降至0.225t-汽/t-水；年可節約新蒸汽（130+506）×（0.275-0.225）=31.8萬噸；蒸汽價格114.728元/噸，年節約蒸汽費用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；實際節約蒸汽費用為3648.35-500.21＝3148.14萬元。

5 結論

工藝技術的選擇借鑒了鋁行業和相關行業的成功經驗，是穩妥、可靠的。蒸發六效改七效能夠達到降低汽耗和提高裝備水平的目的。