拜尔法溶出系统热平衡分析

拜尔法溶出系统热平衡分析

溶解过程中的能耗是耳道能量消耗的主要过程之一，约占耳道能量消耗的40%。拜耳法溶出技术的先进与否,不仅反映溶出过程本身的先进性,而且直接影响到氧化铝各项技术经济指标及能耗。故选取先进、合理、节能的溶出工艺与装备一直是国外氧化铝生产厂家研发的一个重要课题。由于降低拜耳法溶出工序的能耗的实质就是提高溶出系统热利用率,因此有必要了解溶出过程热平衡情况,以改进生产,降低能耗。本文通过拜尔法溶出系统热平衡的分析,提出了提高溶出系统热平衡的基本思路,从提高预热器换热效率、合理制定料浆自蒸发器与冷凝水自蒸发器的热工参数、提高预热级数、定期清理预热器结疤等方面,提出了提高溶出系统热利用率的一些见解,以期对拜尔法生产氧化铝有一定的指导作用。1矿浆及料浆热时温度间距的影响在拜尔法生产氧化铝中,预热器将合格矿浆温度从95～100℃预热到170～200℃,溶出后矿浆温度从265℃降至140℃左右。实际生产中溶出料浆的自蒸发汽用来预热原矿浆,并不能使原矿浆获得相同的温度,除了过程散热、反应热外,这两种料浆在溶出过程中从始到终彼此都分别存在着一个温度间距。这个温度间距由三个因素构成:(1)由于沸点升高而造成的温度间距。料浆的沸点高于水的沸点,如料浆沸点升高值为Q,料浆急剧自蒸发时,便与自蒸发汽之间有一个数值为Q的温度差,即所谓温度损失。通过提高自蒸发蒸汽的温度来降低。(2)由于自蒸发汽减压而造成的温度间距。它可以用增加自蒸发级数、合理分配料浆自蒸发器与冷凝水自蒸发器的温差或压力差来降低。(3)由于加热面积受到限制而造成的温度间距。它可以用来增加加热面积来降低。2有效消除系统热利用率的路径2.1提高预热器交换效率2.1.1b/控制因素从传热速率方程Q=K·S·△T看出,提高总传热系数K,可以提高传热效率Q。总传热系数公式如下:K=11ai+RSi+bλ+RSo+1aIΚ=11ai+RSi+bλ+RSo+1aΙ式中:ai、aI——换热器内侧和外侧对流传热系数RSi、RSo——管壁内、外侧表面上的污垢热阻b/λ——导管壁热阻从公式看出,若要提高K,则要减小各项热阻。开车初期RSi、RSo较小可忽略时,总热阻由热阻大的那一侧的对流传热所控制。要提高总传热系数K,关键要提高对流传热较小一侧的对流传热系数。由于热交换器外侧对流传热为冷凝传热ai≫aI。故ai为控制因素。提高矿浆流速,增强流体湍动程度,减小传热边界层中滞流内层的厚度,可增加ai。作者曾在某工业试验过程现场模拟出如下经验数据加以说明:由此可见,矿浆流动速度增加,传热系数增大,但矿浆流动速度太高时,矿浆会磨蚀预热器内壁,一般选取流速为1.5～3m/s为宜。当系统运行中后期结疤较厚时由于ai、aI、b/λ≫RSi、RSo且蒸汽冷凝接触面结疤较轻,即RSo≫RSi,提高RSi,才能提高K。故RSi为控制因素。强化预脱硅效果、合理设置高温段脱硅脱钛装置等措施,可抑制垢层的形成和增厚,减小垢层热阻,提高传热系数。2.1.2泛汽预热终温st、t一般在氧化铝生产过程中预热器材质、尺寸,作业环境,结疤速率,散热率等参数变化不大。从传热速率方程Q=K·S·△T看:在Δt、K不变的情况下S愈大,传热速Q愈大,即有效提高了热交换效率。这一点已在生产实际中得到充分印证:郑州研究研院氧化铝试验厂厂通过技改将第六级与第七级预热器面积增大33%后,泛汽预热终温从技改前的170℃提高到190℃左右,热利用率提高了15%。因此增大预热器面积可有效提高热交利用率。2.2料自二次汽使用量过大造成了热损氧化铝生产料浆自蒸发器与冷凝水自蒸发器一般采用错级预热的工艺流程,即第一级料自二次汽预热最末一级级乏汽预热器中的矿浆后进第一级冷凝水自蒸发器,第一级冷凝水自蒸发器二次汽与第二级料浆自蒸发器二次汽汇合后,预热倒数第二级乏汽预热器中的矿浆,以此类推。溶出后料浆进料浆自蒸发器后,是一个发生相变,闪蒸出水蒸气即二次汽且自身降温降压的过程,其压力与温度是相匹配对应的,即该温度下料浆液相的饱和蒸汽压。各级自蒸发器闪蒸出的二次汽量及矿浆吸热量速率可由如下公式计算:自蒸发器闪蒸出的二次汽量:W=q×Δt/CQ=K×A×Δtm式中:W——自蒸发器闪蒸出的二次汽量q——物料热流量Q——矿浆吸热量Δt——料自温降即两级自蒸发器的温差C——物料的比热K——预热器总传热系数A——预热器传热面积Δtm——矿浆与预热二次汽的平均温差由矿浆预热过程工艺流程及上述两个公式知:料浆自蒸发器热与冷凝水自蒸发器必须有一个科学合理的热工制度,才能稳定生产,有效提高热利用率。当热工制度不合理时会出现如下情况:(1)若某一级料浆自蒸发器(以下简称料自)二次汽使用较多(Δt大)时,该级料自二次汽的温度降低,从而导致Δtm减小,在矿浆流速及传热面积不变的情况下反而不利于矿浆吸热升温。料自二次汽使用较多,就会导致该级料浆自蒸发器内的压力下降,易出现满罐跑碱现象,且由于没有足够的动力输送料浆导致下一级料自二次汽量减少。一旦出现满罐现象,在热工制度调整上必须减少该级料自的二次汽使用量,而不能增大上或下一级料自的二次汽使用量,若调整不当进而又导致上或下一级浆自二次汽使用过量的情况,如此形成恶性循环,即一个平衡还未建立又被打破,直至料自满罐越来越多。(2)若某一级料自二次汽使用较少,就会导致该级料浆自蒸发器内的压力上升,易导致上或下一级料自满罐现象。在热工制度调整上必须增加该级料自的二次汽使用量,而不能减小上或下一级料自的二次汽使用量,若调整不当进而又导致上或下一级浆自二次汽使用过小的情况,如此形成恶性循环,直至末级料自出料温度上升。(3)由于冷凝水自蒸发器与料浆自蒸发器是并联关系,冷凝水自蒸发器热工制度必需与料浆自蒸发器热工制度相匹配,即每级冷自的压力(该冷自温度下的饱和蒸汽压)必须高于其汇合的料自蒸汽出口的压力。否则就会出现料自的二次汽进入冷自而不去去预热器中预热矿浆,造成矿浆预热温度降低。任何一级冷自不能憋住不过料,即切断过料。否则就会出现前面的料自二次汽不能出去,造成矿浆预热温度降低。任何一级冷自不能出现无液相只有汽相,即空罐现象。否则就会出现该级冷自压力下降,料自的二次汽进入冷自,如果不及时发现后面的冷自也会很快空罐,预热二次汽会随之排出,造成矿浆预热温度降低。以上情况这不仅操作不便,导致二次汽利用率降低,预热温度降低的后果,而且跑碱时二次汽夹带矿浆进入预热器夹套内形成结疤,增大传热热阻,降低传热系数,给清理预热器带来不便。因此提高浆自二次汽热利用率,各级料自必须有一个长时间稳定且均衡合理的热工制度即温降、压力梯度。判断热工制度是否合理,即考察各级料自二次汽使用过量的标准:料自的温度设计值低或预热后回流汽相比例大。作者对某厂采取八级自蒸发九级预热的溶出系统进行了详细研究发现:八级料自设计的温度分别为:240℃、220℃、205℃、190℃、175℃、160℃、145℃、130℃。由于实际操作达不到以上温度但当,当第一级、第二级料自温度与压力在225℃、2.1MP;205℃、1.4MP以下时,其余各级无论如何调整热工制度,溶出系统乏汽预热终温均不高于180℃;当第一级、第二级料自温度与压力在230℃、2.1MP;210℃、1.6MP左右时,其余各级温度分别在230℃、210℃、200℃、190℃、180℃、170℃、160℃、145℃左右,冷自热工制度与之匹配的情况下,溶出系统乏汽预热终温均高于195℃,系统跑碱次数从原来的5次/月降至0.8次/月。因此科学合理的料浆自蒸发器热与冷凝水自蒸发器热工制度,即温度、压力剃度均衡且与理论设计值接近对提高溶出系统热利用率至关重要。2.3热回收率及收率根据我国的氧化铝溶出系统生产现状,二级预热,三级自蒸发,热回收率为75%;一级预热,二级自蒸发,热回收率只有34.5%。而采用八级预热,八级自蒸发,热回收率能达到87.5%。故提高拜耳法生产氧化铝的预热器提高预热级数,可以提高热热利用率。2.4系统热利用率高采用定期清洗预热器结疤,加强反应釜、预热器、料浆自蒸发器、冷凝水自蒸发器保温等措施,来提高系统热利用率,是一般氧化铝厂通常采取的措施。这已在生产实际中得到充分体现。设置脱硅脱钛反应