分析氧化鋁蒸發工藝技術節能降耗的工藝途徑

李 永，吳呈祥，張宗娥，孫娟娟，常 娟

（龍口東海氧化鋁有限公司，山東 煙臺 264000）

自進入21世紀，我國經濟飛速發展，冶金行業中氧化鋁工業進入全新時期，據統計我國氧化鋁產能已經超過世界氧化鋁總產量的50%[1]。我國氧化鋁多采用拜耳法工藝，其優點是工藝流程短、成本低等。隨著蒸發工藝技術不斷的改進，在化工、造紙、食品等領域多有應用。在氧化鋁生產中，蒸汽冷凝水、赤泥洗水、氫氧化鋁洗水及非生產水進入流程后，循環母液濃度降低，致使生產波動。蒸發的主要目的是排除流程中多余的水分，使母液濃縮至生產配制原液的要求，保持循環系統中的液量平衡，同時，以結晶的形式排出原料中攜帶的碳酸鹽及其它雜質。

近年來，氧化鋁生產技術已經趨于成熟，在自動化、節能化方面蒸發工序的設備和工藝有進一步的發展。本文對氧化鋁行業中蒸發發展歷史及蒸發工藝流程的不斷改進，探討蒸發工藝節能降耗的主要途徑。

1 蒸發設備發展史

蒸發設備的革新換代是氧化鋁蒸發工序發展的主要表現。我國氧化鋁起步初期到如今，使用過標準式蒸發器、自然循環蒸發器、強制蒸發器、管式降膜蒸發器。早期工業生產中多使用標準式蒸發器。其加熱室是用多個垂直細管組成，在加熱室正中有直徑較大的循環管一個，由于中間循環管和加熱管的密度差的作用，溶液由粗管下降，細管上升，做循環運動。在當時標準式蒸發器應用廣泛，但其加熱面積受限、蒸汽消耗大、傳熱系數小，不符合易結晶溶液使用，因此，現如今標準式蒸發器已經被淘汰。自然循環蒸發器，加熱室內管路長達9m，單臺蒸發的效率較高，能夠滿足大部分氧化鋁使用，由于其加熱室設計在蒸發室外部，有利于管束的清洗和更換，但是熱度損失高，蒸汽損耗較大，我國現在還有部分氧化鋁廠在使用此種蒸發器。強制蒸發器是為了解決自然循環蒸發器加熱管輸結疤、結晶析出及傳熱系數降低而改進的一種蒸發器。在溶液循環管進入蒸發器前加裝循環泵，循環泵可加快溶液循環速度，從而降低結疤生成速度，大大提高傳熱效率，其缺點是動力需求大，設備易損耗。

蒸發工序中的汽耗是降低整個氧化鋁生產成本的關鍵，降膜蒸發器逐漸替代以上汽耗較高的蒸發器。降膜蒸發器又分為板式和管式兩種，板式降膜蒸發器起初是用在造紙行業當中，經過工業改進后，現如今在氧化鋁等行業也有較為廣泛的應用。板式降膜蒸發器由加熱板、筒體、液膜分離器、布膜器等組成，其核心元件加熱板是用2mm的不銹鋼板焊接加工制成。其工作原理是蒸汽進入后在內側冷凝，溶液順著加熱板壁呈膜狀下降，下降過程板片熱量持續蒸發溶液，二次蒸汽從板片間隙上升排出，通過液膜分離室進入下一效循環。其優點是蒸發強度大，傳熱效果好，汽耗低。但缺點也很明顯，加熱板造價高、易損、更換難度大等。

20世紀末，我過首次引進了法國GEA-KESTNER公司的管式降膜蒸發器，21世紀初期我國實現管式降膜蒸發器的國產化，大大降低了氧化鋁建設成本[2]。其工作原理是將預熱過的溶液由頂部的布膜器進入加熱室內的加熱管內，沿管壁形成液膜，利用管壁傳遞的熱量汽化蒸發，二次蒸汽也隨之進入汽液分離室，通過液膜分離器除去夾帶的雜質和泡沫，進入下一效循環往復。其與板式降膜蒸發器有同樣的優點，傳熱系數高、汽耗低等，但是管式降膜蒸發器的造價便宜，加熱管具有可更換性，是氧化鋁建設的首選設備。

2 蒸發工藝流程概述

在未引進降膜蒸發器以前，我國所使用最多的為自然循環蒸發器。該設備對有效溫差的要求較高，因此，限制了多效蒸發的數量，大部分采用三效逆流蒸發，蒸發產能僅為60t/h左右，且汽水比率高，蒸發效率低下，汽耗大[3]。管式降膜蒸發器消除了有效溫差損失的困難，因此，由三效蒸發改為六效蒸發，產能更高，汽耗降低。近年來，新建氧化鋁廠，以六效管式降膜蒸發器，四效閃蒸器，加兩段出料結合的流程工藝。強制效循環可根據礦石和生產特點增加或減少。以山東某氧化鋁廠六效蒸發器組工藝為例：蒸發原液一部分進入原液閃蒸器，經過VI效和V效蒸發后出料泵打出；另一部分進入Ⅳ效后逐級蒸發，Ⅰ效蒸發器出料后溶液進入四級閃蒸器閃蒸，由末級閃蒸器出料完成，部分進入強制效排鹽。Ⅰ效加熱室使用的新蒸汽絕壓在0.6MPa左右，加熱后物料在Ⅰ效分離室閃蒸出二次蒸汽。Ⅰ效二次蒸汽進入Ⅱ效蒸發器加熱物料，以此逐級進行，VI效的二次蒸汽在水冷器內與循環水直接冷凝。新蒸汽冷凝水進行多級閃蒸充分利用余熱；各效二次蒸汽冷凝水在本效冷凝罐內收集，在下一效冷凝水罐閃蒸利用余熱。通過監測新蒸汽及二次蒸汽冷凝水的電導率自動調節三通閥門，把合格水和不合格水送往不同的水槽。合格水供電廠鍋爐使用，不合格水送往其他工序。

3 蒸發工序節能降耗的途徑

3.1 過飽和蒸汽的處理

熱電廠為了降低蒸汽輸送過程中的損耗及避免水擊效應，會將過飽和蒸汽的方式進行遠距離輸送[4]。蒸發工序如果直接使用過飽和蒸汽對設備和傳熱系數會有以下兩方面的影響。①加快管壁結疤速度和設備損耗。蒸發原液中含有鋁硅酸鈉，由于過飽和溫度遠高于飽和溫度，因此，鋁硅酸鈉在加熱管壁上析出速度加快，隨時間增長在管壁上形成質地堅硬的結疤，降低傳熱效率，如不及時清理還會造成管道堵塞，而頻繁的清理導致設備損耗加快。②過飽和蒸汽換熱表面溫度呈階梯式下降，加熱室材質發生熱應力，長此以往會導致加熱室泄露，造成嚴重的經濟損失。

為避免過飽和蒸汽對蒸發器以及生產上的影響，在新蒸汽進入蒸發器之前，加減溫減壓器，即使用蒸發合格水與過飽和蒸汽換熱，將溫度降至飽和蒸汽范圍內，維持蒸發器高效率運作。

3.2 結疤清洗有利于傳熱效率的提升

蒸發過程中，原液內含有的二氧化硅、碳酸鈉、硫酸鈉在高溫下很容易附著在加熱管壁上，形成堅硬的結疤，嚴重影響傳熱效率[5]。對結疤的定期清洗能顯著提升傳熱效率。其中，碳酸鈉和硫酸鈉可使用水清洗排出，具體步驟為：排空蒸發器內的溶液，利用閥門切換進溶液管為進水管，蒸汽加熱水至90℃左右，進行循環清洗7h左右，排出殘渣。鋁硅酸鈉會形成鋁硅渣結疤可使用酸液進行清洗，通過閥門隔離需要酸洗的設備，將8%的硫酸添加緩蝕劑后，進入酸洗流程開始清洗，完成后廢酸回收。

另外，絮凝劑、脫水機等表面活性劑在氧化鋁使用頻繁，有部分學者指出，阻垢劑在氧化鋁蒸發工序使用后，可使結疤松散脫落。阻垢劑在未來的發展與蒸發器結疤的去除契合度較高，對于節能降耗有積極的作用。

3.3 過料量的合理調節有利于降低成本

蒸發器以及附屬設備長時間運行老化后，蒸發效率下降。隨著生產的變化，蒸發器的溶液流量也要隨之調節，可有效減少運行成本[6]。但是蒸發器附屬設備中的循環泵、過料泵多為普通電機，僅靠改變閥門開度調節物料流量，不僅浪費人力，而且電機保持轉速不變，造成電力的浪費，不能滿足生產需求。近年來，變頻技術在我國應用廣泛，通過改變電機頻率可降低電機轉速，從而達到調節泵流量的目的。隨著生產需要流量需求變小，通過變頻技術與DCS系統的結合操作，可隨時調節電機轉速降低流量，不僅節省人力，還節省大量的電力。

3.4 末效真空度的提高意義重大

在蒸發工序中，如果末效真空降低，會導致蒸發器壓力倍增，溶液的沸點也隨之升高，想要達到蒸發合格的原液就需要消耗更多的新蒸汽。真空度的維持是采用真空泵和冷水器相結合的方法，因此，冷水器的上水溫度和真空泵的運行效率尤為重要，需要重點關注。

3.5 原液溫度增加和原液閃蒸器的應用

母液蒸發是主要汽耗工序占總汽耗的一半以上[7]。在此方向上，很多企業會增加原液閃蒸器并提高原液的溫度來降低蒸汽消耗，即保持原液高溫進入蒸發前，先于獨立的槽罐中進行一次閃蒸工序，閃蒸后的蒸汽進入末效，這樣可以更大限度的利用蒸汽，提高熱效率轉換，間接降低蒸汽消耗。

3.6 進出料工序的改進

蒸發器進料方式可分為順流、逆流、混合流三種，大多氧化鋁廠為逆流進料，但是全逆流進料方式弊端明顯，不適合原液高濃度和高溫度的情況。因此，許多老舊蒸發工序對全逆流進料方式進行了兩段進料、兩段出料的技改，技改完成運行后，與前者相比，汽耗明顯下降，且溶液指標控制更為方便。