拜爾法溶出系統熱平衡分析

拜爾法溶出系統熱平衡分析

溶解過程中的能耗是耳道能量消耗的主要過程之一，約占耳道能量消耗的40%。拜耳法溶出技術的先進與否,不僅反映溶出過程本身的先進性,而且直接影響到氧化鋁各項技術經濟指標及能耗。故選取先進、合理、節(jié)能的溶出工藝與裝備一直是國外氧化鋁生產廠家研發(fā)的一個重要課題。由于降低拜耳法溶出工序的能耗的實質就是提高溶出系統熱利用率,因此有必要了解溶出過程熱平衡情況,以改進生產,降低能耗。本文通過拜爾法溶出系統熱平衡的分析,提出了提高溶出系統熱平衡的基本思路,從提高預熱器換熱效率、合理制定料漿自蒸發(fā)器與冷凝水自蒸發(fā)器的熱工參數、提高預熱級數、定期清理預熱器結疤等方面,提出了提高溶出系統熱利用率的一些見解,以期對拜爾法生產氧化鋁有一定的指導作用。1礦漿及料漿熱時溫度間距的影響在拜爾法生產氧化鋁中,預熱器將合格礦漿溫度從95～100℃預熱到170～200℃,溶出后礦漿溫度從265℃降至140℃左右。實際生產中溶出料漿的自蒸發(fā)汽用來預熱原礦漿,并不能使原礦漿獲得相同的溫度,除了過程散熱、反應熱外,這兩種料漿在溶出過程中從始到終彼此都分別存在著一個溫度間距。這個溫度間距由三個因素構成:(1)由于沸點升高而造成的溫度間距。料漿的沸點高于水的沸點,如料漿沸點升高值為Q,料漿急劇自蒸發(fā)時,便與自蒸發(fā)汽之間有一個數值為Q的溫度差,即所謂溫度損失。通過提高自蒸發(fā)蒸汽的溫度來降低。(2)由于自蒸發(fā)汽減壓而造成的溫度間距。它可以用增加自蒸發(fā)級數、合理分配料漿自蒸發(fā)器與冷凝水自蒸發(fā)器的溫差或壓力差來降低。(3)由于加熱面積受到限制而造成的溫度間距。它可以用來增加加熱面積來降低。2有效消除系統熱利用率的路徑2.1提高預熱器交換效率2.1.1b/控制因素從傳熱速率方程Q=K·S·△T看出,提高總傳熱系數K,可以提高傳熱效率Q?？倐鳠嵯禂倒饺缦?K=11ai+RSi+bλ+RSo+1aIΚ=11ai+RSi+bλ+RSo+1aΙ式中:ai、aI——換熱器內側和外側對流傳熱系數RSi、RSo——管壁內、外側表面上的污垢熱阻b/λ——導管壁熱阻從公式看出,若要提高K,則要減小各項熱阻。開車初期RSi、RSo較小可忽略時,總熱阻由熱阻大的那一側的對流傳熱所控制。要提高總傳熱系數K,關鍵要提高對流傳熱較小一側的對流傳熱系數。由于熱交換器外側對流傳熱為冷凝傳熱ai?aI。故ai為控制因素。提高礦漿流速,增強流體湍動程度,減小傳熱邊界層中滯流內層的厚度,可增加ai。作者曾在某工業(yè)試驗過程現場模擬出如下經驗數據加以說明:由此可見,礦漿流動速度增加,傳熱系數增大,但礦漿流動速度太高時,礦漿會磨蝕預熱器內壁,一般選取流速為1.5～3m/s為宜。當系統運行中后期結疤較厚時由于ai、aI、b/λ?RSi、RSo且蒸汽冷凝接觸面結疤較輕,即RSo?RSi,提高RSi,才能提高K。故RSi為控制因素。強化預脫硅效果、合理設置高溫段脫硅脫鈦裝置等措施,可抑制垢層的形成和增厚,減小垢層熱阻,提高傳熱系數。2.1.2泛汽預熱終溫st、t一般在氧化鋁生產過程中預熱器材質、尺寸,作業(yè)環(huán)境,結疤速率,散熱率等參數變化不大。從傳熱速率方程Q=K·S·△T看:在Δt、K不變的情況下S愈大,傳熱速Q愈大,即有效提高了熱交換效率。這一點已在生產實際中得到充分印證:鄭州研究研院氧化鋁試驗廠廠通過技改將第六級與第七級預熱器面積增大33%后,泛汽預熱終溫從技改前的170℃提高到190℃左右,熱利用率提高了15%。因此增大預熱器面積可有效提高熱交利用率。2.2料自二次汽使用量過大造成了熱損氧化鋁生產料漿自蒸發(fā)器與冷凝水自蒸發(fā)器一般采用錯級預熱的工藝流程,即第一級料自二次汽預熱最末一級級乏汽預熱器中的礦漿后進第一級冷凝水自蒸發(fā)器,第一級冷凝水自蒸發(fā)器二次汽與第二級料漿自蒸發(fā)器二次汽匯合后,預熱倒數第二級乏汽預熱器中的礦漿,以此類推。溶出后料漿進料漿自蒸發(fā)器后,是一個發(fā)生相變,閃蒸出水蒸氣即二次汽且自身降溫降壓的過程,其壓力與溫度是相匹配對應的,即該溫度下料漿液相的飽和蒸汽壓。各級自蒸發(fā)器閃蒸出的二次汽量及礦漿吸熱量速率可由如下公式計算:自蒸發(fā)器閃蒸出的二次汽量:W=q×Δt/CQ=K×A×Δtm式中:W——自蒸發(fā)器閃蒸出的二次汽量q——物料熱流量Q——礦漿吸熱量Δt——料自溫降即兩級自蒸發(fā)器的溫差C——物料的比熱K——預熱器總傳熱系數A——預熱器傳熱面積Δtm——礦漿與預熱二次汽的平均溫差由礦漿預熱過程工藝流程及上述兩個公式知:料漿自蒸發(fā)器熱與冷凝水自蒸發(fā)器必須有一個科學合理的熱工制度,才能穩(wěn)定生產,有效提高熱利用率。當熱工制度不合理時會出現如下情況:(1)若某一級料漿自蒸發(fā)器(以下簡稱料自)二次汽使用較多(Δt大)時,該級料自二次汽的溫度降低,從而導致Δtm減小,在礦漿流速及傳熱面積不變的情況下反而不利于礦漿吸熱升溫。料自二次汽使用較多,就會導致該級料漿自蒸發(fā)器內的壓力下降,易出現滿罐跑堿現象,且由于沒有足夠的動力輸送料漿導致下一級料自二次汽量減少。一旦出現滿罐現象,在熱工制度調整上必須減少該級料自的二次汽使用量,而不能增大上或下一級料自的二次汽使用量,若調整不當進而又導致上或下一級漿自二次汽使用過量的情況,如此形成惡性循環(huán),即一個平衡還未建立又被打破,直至料自滿罐越來越多。(2)若某一級料自二次汽使用較少,就會導致該級料漿自蒸發(fā)器內的壓力上升,易導致上或下一級料自滿罐現象。在熱工制度調整上必須增加該級料自的二次汽使用量,而不能減小上或下一級料自的二次汽使用量,若調整不當進而又導致上或下一級漿自二次汽使用過小的情況,如此形成惡性循環(huán),直至末級料自出料溫度上升。(3)由于冷凝水自蒸發(fā)器與料漿自蒸發(fā)器是并聯關系,冷凝水自蒸發(fā)器熱工制度必需與料漿自蒸發(fā)器熱工制度相匹配,即每級冷自的壓力(該冷自溫度下的飽和蒸汽壓)必須高于其匯合的料自蒸汽出口的壓力。否則就會出現料自的二次汽進入冷自而不去去預熱器中預熱礦漿,造成礦漿預熱溫度降低。任何一級冷自不能憋住不過料,即切斷過料。否則就會出現前面的料自二次汽不能出去,造成礦漿預熱溫度降低。任何一級冷自不能出現無液相只有汽相,即空罐現象。否則就會出現該級冷自壓力下降,料自的二次汽進入冷自,如果不及時發(fā)現后面的冷自也會很快空罐,預熱二次汽會隨之排出,造成礦漿預熱溫度降低。以上情況這不僅操作不便,導致二次汽利用率降低,預熱溫度降低的后果,而且跑堿時二次汽夾帶礦漿進入預熱器夾套內形成結疤,增大傳熱熱阻,降低傳熱系數,給清理預熱器帶來不便。因此提高漿自二次汽熱利用率,各級料自必須有一個長時間穩(wěn)定且均衡合理的熱工制度即溫降、壓力梯度。判斷熱工制度是否合理,即考察各級料自二次汽使用過量的標準:料自的溫度設計值低或預熱后回流汽相比例大。作者對某廠采取八級自蒸發(fā)九級預熱的溶出系統進行了詳細研究發(fā)現:八級料自設計的溫度分別為:240℃、220℃、205℃、190℃、175℃、160℃、145℃、130℃。由于實際操作達不到以上溫度但當,當第一級、第二級料自溫度與壓力在225℃、2.1MP;205℃、1.4MP以下時,其余各級無論如何調整熱工制度,溶出系統乏汽預熱終溫均不高于180℃;當第一級、第二級料自溫度與壓力在230℃、2.1MP;210℃、1.6MP左右時,其余各級溫度分別在230℃、210℃、200℃、190℃、180℃、170℃、160℃、145℃左右,冷自熱工制度與之匹配的情況下,溶出系統乏汽預熱終溫均高于195℃,系統跑堿次數從原來的5次/月降至0.8次/月。因此科學合理的料漿自蒸發(fā)器熱與冷凝水自蒸發(fā)器熱工制度,即溫度、壓力剃度均衡且與理論設計值接近對提高溶出系統熱利用率至關重要。2.3熱回收率及收率根據我國的氧化鋁溶出系統生產現狀,二級預熱,三級自蒸發(fā),熱回收率為75%;一級預熱,二級自蒸發(fā),熱回收率只有34.5%。而采用八級預熱,八級自蒸發(fā),熱回收率能達到87.5%。故提高拜耳法生產氧化鋁的預熱器提高預熱級數,可以提高熱熱利用率。2.4系統熱利用率高采用定期清洗預熱器結疤,加強反應釜、預熱器、料漿自蒸發(fā)器、冷凝水自蒸發(fā)器保溫等措施,來提高系統熱利用率,是一般氧化鋁廠通常采取的措施。這已在生產實際中得到充分體現。設置脫硅脫鈦反應