山西铝厂是我国第一座100 万t 级的特大型氧化铝厂,一期年产20 万t 氧化铝,二期扩建后形成年产120 万t 氧化铝的能力。但蒸发能力不足制约了生产能力的发挥,要达到120 万t 产能,尚缺口132 tPh 的蒸发能力,为解决这一问题,山西铝厂1998 年决定增建第五蒸发系统(简称五蒸发) ,在五蒸发的设备选型方面,经多方论证,选用了板式降膜蒸发器。板式降膜蒸发器在造纸等行业有10 多年的制造、使用经验,是比较成熟的产品,在国外氧化铝行业已被广泛采用,文献[1～3 ]对此进行了报道,并提出在国内采用的建议,但没有成功应用的经验。经过对制造厂生产工艺及造纸厂使用情况的考察,我们认为如能较好地解决不锈钢板片的耐腐蚀问题及循环泵的稳定运行问题,板式蒸发器能在氧化铝行业发挥重要作用。我们针对造纸行业使用的SUS304 和SUS316L 及SUS304L不锈钢板片进行了了大量的实验室和现场试验,最后确定蒸发器Ⅰ、Ⅱ效使用SUS316L ,蒸发器Ⅲ～ Ⅵ效使用SUS304L 。对循环泵和导料泵也进行了认真地考察和反复论证,最后选用了美国ITT的泵。第五蒸发系统于1998 年11 月开工建设,1999 年7月建成试车,经过试车检验,主体设备运行良好,试车期间主要技术经济指标就达到了设计要求,实现了一次试车成功并达标达产,为氧化铝行业成功应用板式降膜蒸发器取得了宝贵经验。1 板式降膜蒸发工艺
111 工艺过程简述
分解母液由泵送至蒸发原液槽,蒸发原液由泵送至第六效蒸发器,经6 -5 - 4 - 3 - 2 - 1 效蒸发器逆流(效间设蒸汽直接预热器) 逐级加热蒸发。一效蒸发器出料溶液蒸至Na2Ok 浓度为220 gPL 时,其出料经三级自蒸发,蒸发终液由泵送至四蒸发原液槽。蒸发原液槽底流氢氧化铝浆液用泵送到就近的一组拜尔法种分槽的最后两个分解槽内。一效蒸发器用表压为015 MPa 的饱和蒸汽加热。一效至五效二次蒸汽分别用作下一效蒸发器和该效直接预热器的热源,第六效(末效) 蒸发器的二次蒸汽经水冷器降温、冷凝,其不凝气接入真空泵。一、二、三级溶液自蒸发器的二次蒸汽依次用于加热二、三、四效直接预热器的溶液。新蒸汽冷凝水经三级冷凝水槽闪蒸降温至100 ℃以下用泵送至合格热水槽,其二次蒸汽分别与一、二效蒸发器的二次蒸汽合并;二、三、四、五效蒸发器的冷凝水分别经该效的冷凝水水封罐进入下一级冷凝水水封罐。每效冷凝水水封罐产生的二次蒸汽分别汇入该效的加热蒸汽管。二、三、四、五效蒸发器的冷凝水逐级闪蒸后与五效的冷凝水汇合,进入六效的冷凝水罐,用泵送到冷凝水槽,全部冷凝水经检测后,合格的送锅炉房,不合格的送100 m2赤泥过滤热水槽。板式降膜蒸发工艺流程见图1。
112 工艺与设备特点
11211 工艺特点
①采用六效逆流蒸发流程,当Ⅰ、Ⅱ效中某一效清理检修时,可按五效作业,提高了机组运行的可靠性。
② Ⅰ～ Ⅴ效蒸发器进料采用直接预热,提高了传热系数,改善了蒸发器技术经济指标。
③冷凝水系统流程简单,并可有效地阻汽排水,降低蒸发系统汽耗。
④在线设备采用单台作业,流程外设置备用设备,可整机更换,使管路简单、操作简便,并可减少电机备用容量。
⑤蒸发原液槽即是原液储槽,又便于浮游物(氢氧化铝) 的沉降分离,可将沉降了的氢氧化铝返回分解工段。
11212 板式蒸发器的特点
①板式蒸发器的传热系数高,汽耗低。
② 板片结疤易脱落,工作周期比管式蒸发器长。
③相同蒸发量时,其直径比其他的蒸发器小。
④由于板片薄,相同换热面积的板式蒸发器比管式轻。
⑤板式降膜蒸发器可直接在±0100 平面上安装,可节省土建费用。
⑥ 板片为不锈钢制造,单位重量设备投资大,且选材要求高。
113 自控系统特点
整个蒸发器组采用集散型控制系统,可实现Ⅰ效出料密度的控制,对各效蒸发器的液位、第三闪蒸槽的液位及各冷凝水罐液位进行自动调节,还可对蒸汽温度与压力、冷凝水碱度、末效真空度等进行监测并自动控制。
2 板式降膜蒸发器的应用情况
本蒸发系统从通汽试车至今,一直运行良好,蒸发水量大,汽耗低,冷凝水质量高,目前每4～5 d 安排1次水洗。试用期间使用汽压控制在014～0145 MPa ,苛性钠出料浓度为Nk = 210～230 gPL 。
211 主要技术经济指标
蒸发系统主要经济技术指标如表1 所示。由表1可见,母液浓度达到设计浓度,蒸水量和汽耗都超过设计指标。
表1 原液、母液成分及主要流量
原液P(g·L - 1) 173. 6
母液P(g·L - 1) 80. 86
Na2OT Al2O3 Na2OkNa2OT Al2O3 Na2Ok
原液流量P(m3·h - 1)
蒸汽流量P(t·h - 1)
蒸汽消耗量1)
蒸发水量P
(t·h - 1)
150. 0 253. 2 124.0 218. 8 428. 6 36. 6 0. 25 143
1) 蒸发1 t 水消耗的蒸汽量Pt 。
212 结疤自脱落特性
由于板式降膜蒸发器板片的结构特点,结疤可自行开裂并脱落。经运行发现,结疤主要在Ⅰ效生成,在蒸发器水洗时大量脱落,这样大大简化了蒸发器的清理,但在循环泵的进口必须有可靠的除疤装置,将脱落的结疤片清除或破碎,否则会很快将布膜器堵死,造成停车。
213 冷凝水质量
本蒸发系统投入运行至今,冷凝水质量全部合格,送热电厂锅炉使用,回水比在410 以上。其中有一段时间,因热电厂制水处理问题,板式蒸发器的水直接供10 MPa 的锅炉使用。因为冷凝水的流程设计合理,蒸汽热量得到了充分利用, 新蒸汽冷凝水温度仅为79 ℃,二次汽冷凝水温度为59 ℃。
214 自控仪表运行状况
1) 减温减压系统通过采用自动控制,使蒸发器用汽质量大大提高。用汽压力波动范围为±0101 MPa ,温度波动范围为±3 ℃。
2) 蒸发器各效的液位,经差压式液位计测量,与过料泵变频调速联锁,使液位波动控制在±0105 m 范围内。
3) 冷凝水罐液位经差压式液位计测量并与其出口气动阀进行联锁,保证了各冷凝水罐液位的稳定,既使得冷凝水排放畅通,又使蒸汽得到了充分利用。
215 改进建议
该蒸发系统的不足之处是不适应排盐蒸发。使用板式蒸发器,母液浓度不能提得太高,如果Ⅰ效有盐析出,可能会使布膜器很快堵塞,造成Ⅰ效不能正常布膜,因此,操作中必须适当控制蒸发浓度。
3 板式蒸发器与管式蒸发器的比较
选用一组板式降膜蒸发器,蒸水能力为130 tPh ,再选用两组蒸水能力为65 tPh 的自然循环管式蒸发器,对它们的运行情况进行比较,如表2、表3 所示。
表2 板式降膜蒸发器与自然循环管式蒸发器应用对比
比较项板式蒸发器自然循环管式蒸发器
传热效率
传热效率高, 平均K =1 500 WP(m2·K) 以上K=930 WP(m2·K)
结疤情况
结疤可自行脱落,只需每周水洗1 次，需每5 d 水洗1 次,每月酸洗1 次,有堵死眼现象。
蒸汽消耗，可实现多效作业,能耗低,每吨水汽耗为0125～013 t
一般3～4 效作业,每吨水汽耗为014 t，占地面积单组蒸发器能力大,设备轻,相对占地面积小，相对占地面积大，检修情况检修工作量小
Ⅰ效每年换管1 次
Ⅱ- Ⅳ效3 年换管1 次,
检修费用高
适用范围不适应排盐蒸发可排盐蒸发
从表3 可见,一组蒸水能力为130 tPh 的板式降膜
蒸发器相对自然循环管式蒸发器,年节汽1118 万t ,折
算成标煤为113 万t ,价值27214 万元。
从投资上讲,建1 组6 效降膜蒸发器比建2 组自
然循环蒸发器要多投资605 万元,但由于运行费用较
低,仅2 年半便可回收增加的投资,是非常具有投资价
表3 板式降膜蒸发器与自然循环管式蒸发器技术指标比较
比较项1 组板式蒸发器2 组管式蒸发器
蒸水能力130 tPh 130tPh
单位汽耗0127 014
运转率80 % 80 %
年耗新蒸汽2416 万t 2614 万t
汽耗折算成标煤217 万t 4 万t
蒸汽单价23 元Pt 23 元Pt值的,因此,板式降膜蒸发器在氧化铝行业有广阔的推广应用前景。
4 结 论
板式降膜蒸发器在氧化铝碱液蒸发上的应用是成功的,具有较好的节能效果,在氧化铝行业中有广阔的推广应用前景。
