间接加热连续溶出工艺参数计算分析与实践

第31卷第1期2009年2月山东冶金ShandongMetallurgyVol.31，No.1February2009摘要：结合间接加热连续溶出——三套管溶出工艺参数计算，从理论和生产现状两方面分析了溶出温度、自蒸发降温梯度、自蒸发管道阻力损失，套管预热器换热面积等工艺参数，优化了溶出工艺。项目实施1a来系统运行稳定，年节约新蒸汽2.6万t，节能效果显著。关键词：间接加热连续溶出；参数计算；工艺分析；三套管；自蒸发器中中图分类号号：TF821文献标识码：A文章编号：1004-4620（2009）01-0030-03收稿日期：2008-09-08作者简介：王志，男，1976年生，2000年毕业于东北大学冶金科学与工程专业。现为山东齐韵有色冶金工程设计院有限公司工程师，从事氧化铝工艺设计工作。间接加热连续溶出工艺参数计算分析与实践王志1，郑秀芳2（1山东齐韵有色冶金工程设计院有限公司，山东淄博255052；2中国铝业股份公司山东分公司，山东淄博255052）1前言进口三水铝石型铝土矿的低（压）温溶出是拜耳法生产氧化铝工艺的重要环节，也是蒸汽消耗最多的工序。自从间接加热连续溶出——三套管溶出工艺应用以后，该工序汽耗已大幅度降低，但汽耗仍占整个氧化铝生产工艺汽耗的近60%。因此，如何进一步提高三套管溶出系统的稳定性，降低汽耗，是每次设计重点探索的问题。本研究通过工艺计算，结合三套管的实际运行经验，对工艺参数进行分析优化，以实现三套管溶出系统更优化。2工艺参数计算三套管溶出工艺是间接加热连续溶出工艺的一种，由于其效率高，汽耗低，检修较方便，得到了广泛的推广应用。三套管预热器的外管（φ480）为加热蒸（乏）汽，3条内管（φ168）为矿浆管。矿浆由3台离心泵分别送入套管内，套管内的矿浆经过三级乏汽预热，一级新蒸汽预热升温到溶出温度，而后进入保温停留罐停留约1h，溶出后的矿浆经三级自蒸发降温后进入稀释槽。自蒸发产生的乏汽返回预热冷矿浆。新蒸汽凝水和乏汽凝水分别闪蒸，闪蒸乏汽返回预热冷矿浆，工艺流程见图1。􀥘􀥘􀥘􀥘􀥘􀥘􀥘􀥘􀥘􀧘􀥘􀧘􀥘􀥘􀥘􀥘􀥘􀥘􀥘􀥘􀥘􀧘􀥘􀧘生产技术生产技术图1三套管溶出工艺流程计算条件如下：物料流量500m3/h，溶出矿浆密度1390kg/m3，矿浆初始温度60℃，饱和新蒸汽温度160℃，套管出料温度140℃，三水铝石溶解热602.1kJ/（kg·Al2O3）［1］，矿浆比热3.27kJ/（kg·℃），一级自蒸发器进料温度143℃，自蒸发管路温度损失1℃，自蒸发沸点升高7~8℃。自蒸发器设计参数见表1；四级管道化预热器设计数据见表2；系统设计热平衡见表3。表1三级自蒸发器设计参数级别一级二级三级溶液的沸点温度/℃133122108二次蒸汽温度/℃125114101二次蒸汽热焓/（kJ·kg－1·℃－1）271727052679二次蒸汽压力（表）/kPa141706表2四级管道化预热器设计数据预热器一级预热二级预热三级预热四级预热进料温度/℃60.074.084.795.2出料温度/℃74.084.795.2140.0平均对数温差/℃32.533.333.738.1加热面积/m2320160160800传热系数/（w·m－2·℃－1）3291314729512461饱和新蒸汽乏汽乏汽乏汽乏汽四级预热三级预热二级预热一级预热凝水水封罐乏凝水一闪乏凝水二闪凝水新凝水三闪新凝水二闪新凝水一闪凝水封水罐三级自蒸发二级自蒸发一级自蒸发保温停留去稀释槽去凝水检测站去凝水检测站矿浆凝水乏汽乏汽乏汽乏汽凝水乏汽乏汽乏汽乏汽凝水3060006000~5000二级自蒸发器一级自蒸发器三级自蒸发器接保温罐去稀释槽表3系统设计热平衡数据热收入/（GJ·h－1）矿浆带入热新蒸汽带入热总计136.36180.48316.84热支出/（GJ·h－1）矿浆带走热乏汽凝水带走热新汽凝水带走热溶出反应热热损失总计234.0913.5927.6226.2815.26316.843工艺分析3.1溶出温度温度是影响溶出过程的最主要因素，随着溶出温度的升高，Al2O3在碱溶液中的溶解度增大，溶出反应速度以及碱溶液与反应产物的扩散速度也增加。但三水铝石型铝土矿是最容易溶出的铝土矿，在溶出温度超过85℃时，就会有三水铝石溶出［2］，同时由于143℃左右三水铝石会转变为一水软铝石，故一般不把溶出温度提更高［3］，提高溶出温度更多的是考虑溶液脱硅的需要。目前生产控制溶出温度为140℃左右，生产各项指标良好。因此溶出温度取140℃。3.2一级自蒸发器进料温度由于在较高的温度下三水型铝石溶解速度非常快，当矿浆出加热套管时溶出就基本结束。矿浆在保温罐保温过程中主要是溶液脱硅反应，该过程是一个放热过程，生产中保温罐末罐温度比首罐温度升高的现象也充分证实了这一点。因此，一级自蒸发器进料温度一般比套管出料温度高2~3℃。3.3自蒸发降温梯度自蒸发的降温梯度主要依据自蒸发器的压力降来取值，并兼顾套管预热器换热面积和换热系数。由于温度越高，每降1℃，温度压力降越大，同时，套管预热器从低温段向高温段管道结疤逐渐增厚，换热系数逐步减少。为了使高温段的热负荷和低温段的热负荷基本相当，延长设备运转率，自蒸发的降温梯度应逐步增大。3.4自蒸发器管道阻力损失自蒸发器管道阻力损失不仅影响自蒸发的压力降的选取，同时也是影响自蒸发器配置的重要参数。三级自蒸发器设计为底部出料，中部进料，其配置为水平配置，见图2。管道在两级自蒸发器之间流动时，由于压力骤降，料浆在管道中自蒸发，形成汽液固混合物，该流体体系复杂，管道损失只能依靠经验数据。根据运行经验，该管道的管损可以按同流速料浆管损的1.2～1.5倍计算，两级自蒸发温差越大，管道中的自蒸发现象越强烈，管道阻力损失越高。因此，自蒸发器水平配置比原有逐级升高的配置具有更多的自我调节能力，对矿浆流量变动适应范围更广。3.5三套管预热器换热面积套管预热器的换热面积取决于其总传热系数，总热交换量以及平均对数温差相。其中换热系数是主要影响因素，套管预热器换热系数通常取经验数据，且遵循从低温到高温段，从系统运行初期到末期换热系数逐步减少的规律。乏汽预热段套管计算面积应与自蒸发系统乏汽量及控制参数匹配，否则就必须重新调整自蒸发控制参数，直至二者平衡。新汽预热段以总的新蒸汽消耗量来确定的。套管预热器换热面积计算时还应注意以下2点：1）新蒸汽预热套管。由于料浆在加热的过程中伴随着溶出和脱硅等化学反应，这些化学反应热应充分考虑。目前三水铝石的溶解热有数据可查，其他化学反应热只能估算。根据保温脱硅温度上升3℃的现象，可以估算在新蒸汽加热段，除三水铝石溶解吸热外，其他化学反应所需热量之和略大于脱硅放出的热量，同时考虑实际生产新蒸汽的波动。因此，加热套管面积设计时，应考虑1.2以上的放大系数。2）三级乏汽预热套管。由于对套管的换热系数变化影响最大的是管道的结疤，刚清洗完时管道的换热系数要比运行末期高1倍以上。为了提高设备产能，套管运行初期比末期矿浆处理量要高近20%，自蒸发系统对矿浆流量的变化最敏感。由于两级自蒸发器之间的管道损失与矿浆的流速平方成正比，矿浆处理量大时，两级自蒸发器间的管道阻力损失大，虽然一级自蒸发器液位上升可以克服部分阻力损失，但为了避免乏汽带料，液位上升有限制，通常还需要调节乏汽阀门开启度作为辅助措施，从而降温梯度向后漂移，末级自蒸发量将增大，乏汽量增大，要求与该级自蒸发器对应的套管换热面积增大。因此，设计时一级预热套管加热面积应考虑1.4以上的放大系数，有助于溶出系统产能最大化，提高系统稳定性。图2自蒸发器配置间接加热连续溶出工艺参数计算分析与实践王志等2009年第1期31山东冶金2009年2月第31卷ProcessParameterCalculationAnalysisandPracticeofContinuousDissolvingbyIndirectHeatingWANGZhi1,ZHENGXiu-fang2（1ShandongQiyunNonferrousMetallurgyEngineeringDesignCo.,Ltd.,Zibo255052,China;2ShangdongBranchofCHALCO,Zibo255052,China）Abstract:Abstract:Thepapercalculatedtheprocessparametersofcontinuousdissolvingbyindirectheating—dissolvingprocessbythree-tube.Basedontheprincipleandcurrentsituationofproduction,itanalyzedtemperatureofdissolving,gradesoftemperaturedecreasingofself-evaporation,lossoftube’sresistanceofself-evaporation,areaoftubeexchangersandtheotherprocessparameters,andthenimprovedthedissolvingprocess.Thesystemworkedsteadily,savednewsteam26thousandtonsperyearandthentheresultsofenergysavingweredistinctsincetheoneyearagowhensystemwasbuilt.Keywords:Keywords:continuousdissolvingbyindirectheating;parametercalculation;processanalysis;three-pipe;self-evaporator根据上述工艺参数计算和工艺分析，可知三套管溶出系统是一个多因数相互牵制的热平衡体，并可以得出以下结论：系统运行周期初，矿浆最大处理量的限制环节为自蒸发器。这是因为矿浆流量增大，自蒸发器间的管道阻力损失增大，一级自蒸发器液位升高，但如果液位过高会造成乏汽带料。虽然可以通过控制乏汽阀门开启度，调节降温梯度也可有效地增大压力降，但该措施会使三级自蒸发负荷增加，如过多地增大三级自蒸发的负荷，会使系统失去平衡。系统运行周期末，矿浆最大处理量的限制环节为套管预热器。这是因为到了系统运行末期，由于套管结疤逐渐增厚，套管预热器传热系数下降，自蒸发乏汽和冷料浆无法完成热交换，高温料浆未自蒸发完毕就进入稀释槽，造成热量损失。因此，设计时还应很好地把握系统周期初及周期末处理量的最佳取值，从而反推系统各设备的处理能力，使其相互匹配。本次工艺参数计算的结果，就是经多次反复校合取得。4溶出系统运行推荐参数及现状4.1溶出系统运行推荐参数本设计根据工艺参数计算和工艺分析，综合整个氧化铝生产流程，得出该溶出系统周期内的最佳处理能力：周期初矿浆处理能力为550m3/h；周期末矿浆处理能力为470m3/h。系统周期内三级自蒸发运行推荐参数见表4；系统周期内预热套管运行推荐参数见表5。4.2溶出系统运行现状目前该流程已建成运行1a多，系统运行初期和末期的工艺参数均在设计的预期内，没有发生过乏汽带料现象，系统运行平稳。根据2007年下半年统计数据显示，新建三套管溶出系统汽耗为0.120t/m3，而原溶出系统汽耗为0.127t/m3，按设备运转率85%计算，年节约新蒸汽2.6万t，节能效果显著。5结语通过详细的工艺参数计算和分析，不仅可以将理论与实践更紧密地结合在一起，优化工艺参数，同时还可以预测生产工艺指标，指导生产操作，从而取得更好的经济效益。依据本工艺参数计算新建的三套管溶出系统，运行1a多来各项指标均达到了设计预期目标。不仅解决了自蒸发乏汽带料问题，提高了乏汽利用率，节能达5.5%；同时扩大了套管处理能力，延长了运转周期，提高了设备运转率，为今后溶出系统的进一步优化提供了参考。参考文献：［1］毕诗文，于海燕，杨毅宏，等.铝土矿的拜耳法溶出［M