·６· 轻金属 ２０１６年第５期 ·氧化铝氟化盐· 氧化铝生产中两种六效母液蒸发流程对比分析 刘瑛瑛 ，刘碧波 （１．沈阳铝镁设计研究院有限公司，辽宁沈阳１１０００１； ２．石家庄科扬科技有限公司，河北石家庄０５００１１） 摘要：氧化铝生产中，母液蒸发多采用降膜蒸发与闪蒸相结合技术。相同的蒸发技术，不同的蒸发流程也会产生不 同的能耗。本文对比了两种不同六效母液蒸发流程的能耗及经济指标，并结合生产实际的运行数据进行全面分析，为 氧化铝生产中母液蒸发设计提供参考。 关键词：氧化铝；母液蒸发；降膜蒸发；流程 中图分类号：ＴＦ８０文献标识码：Ｂ文章编号：１００２—１７５２（２０１６）０５—０００６—３ ＤＯＩ：１０．１３６６２／ｊ．ｅｎｋｉ．ｑｊｓ．２０１６．０５．００２ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｗｏ ｄｉｆｅｒｅｎｔ ｓｉｘ．．ｅｆｆｅｃｔ ｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ ｉｎ ａｌｕｍｉｎａ ｒｅｆｉｎｅｒｉｅｓ Ｌｉｕ Ｙｉｎ￣ｉｎｇ ａｎｄ Ｌｉｕ Ｂｉｂｏ （１．Ｓｈｅｎｙａｎｇ Ａｌｕｍｉｎｕｍ ａｎｄ Ｍａｇｎｅｓｉｕｍ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｓｈｅｎｙａｎｇ １ １０００１，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｓｈ￣ｉｉａｚｈｕａｎｇ Ｋｅｙａｎｇｔｅｃｈ Ｌｔｄ．，Ｓｈｉｊｉａｚｈｕａｎｇ ０５００１１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ａｌｕｍｉｎａ ｒｅｆｉｎｅｒｉｅｓ，ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ ｆａｌｌｉｎｇ ｉｌｆｍ ｅｖａｐｏｒａｔｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｗｉｔｈ ｌａｓｈ ｅｖａｐｏｒａｔｆｉｏｎ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｉｓ ｅｘｔｅｎｓｉｖｅｌｙ ｕｓｅｄ ｆｏｒ ｔｈｅ ｓｐｅｎｔ ｌｉｑｕｏｒ ｅｖａｐ－ ｏｒａｔｉｏｎ．Ｅｖｅｎ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｉｓ ｕｓｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ ｉｓ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｂｙ ｔｈｅ ｄｉｆｅｒｅｎｔ ｐｒｏｃｅｓｓ．Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｔｈｅ ｃｏｎｓｕｍｅｄ ｅｎｅｒｇｙ ａｎｄ ｔｈｅ ｅｃｏｎｏｍｉｃａｌ ｉｎｄｅｘ ａｒｅ ｃｏｍｐａｒｅｄ ａｎｄ ａｎａｌｙｚｅｄ ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ ｗｉｔｈ ａｃｔｕａｌ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｄａｔａ，ｉｔ ｃａｎ ｐｒｏｖｉｄｅ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｉｎ ｄｅｓｉｇｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ａｌｕｍｉｎａ；ｓｐｅｎｔ ｌｉｑｕｏｒ ｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎ；ｆａｌｌｉｎｇ ｉｌｆｍ ｅｖａｐｏｒａｔｉｎｇ；ｐｒｏｃｅｓｓ 母液的蒸发是氧化铝生产工艺中一个十分重要 的工序，其任务是平衡氧化铝生产过程中的水量。 我国的氧化铝工艺的蒸发装置存在蒸汽消耗高、蒸 水能力达不到设计值等诸多弊病 ］。根据国内某 氧化铝厂的统计数据＿２ｊ，蒸发能耗约占总能耗的 ２５％左右。随着国内铝土矿品位的下降，赤泥洗涤 发技术的情况下，采用不同的蒸发流程也会使能耗 不同。２０１２年国内某氧化铝企业新建了一组蒸发 器，采用的是六效管式降膜蒸发器与闪蒸器相结合 的蒸发技术，通过改变溶液的进出料流程，取得了更 好的节能效果。 本文针对某氧化铝厂正在使用的两种六效蒸发 流程，从理论计算结果到生产实际的运行数据进行 系统比较。 带入系统内的水大幅增加，蒸发工序成为氧化铝生 产过程中的薄弱环节，影响整体产能发挥。在当今 经济情势下，降低能耗，提高产能已经成为国内氧化 铝厂急需解决的问题。为了减少蒸发汽耗，降低生 产成本，国内很多氧化铝厂都开始进行母液蒸发系 统的改造。 １ 流程描述 流程ｌ：如图１所示，蒸发原液由泵送至第６、５ 效蒸发器，依次经过４—３—２—１效蒸发器逆流逐级 随着氧化铝工艺技术的不断发展，蒸发设备也 有了很大的改善。目前，国内氧化铝厂普遍采用高 加热至溶液中Ｎａ Ｏ 为２３０ｇ／Ｌ，再经过四级闪蒸浓 缩至Ｎａ ０ 为２５０ｇ／Ｌ后，由泵送至蒸发母液槽或是 效低能耗的六效管式降膜蒸发器与闪蒸器相结合的 蒸发技术。对于很多氧化铝厂来说，虽然采用了较 为先进的蒸发工艺，但是随着国内外氧化铝市场的 强制效蒸发器进一步浓缩排盐。饱和新蒸汽（表压 ０．５ＭＰａ）从１效蒸发器进人，１效至５效的二次汽分 别作用于下一效蒸发器和该效直接预热器的热源， 低靡，要求各氧化铝厂必须采取更有效的措施降低 生产能耗，降低运行成本。在已经使用较先进的蒸 收稿日期：２０１６一Ｏｌ一０８ 第６效蒸发器的二次蒸汽经水冷器降温冷凝，并入 循环回水。此种流程为一段出料。 ２０１６年第５期 刘瑛瑛等：氧化铝生产中两种六效母液蒸发流程对比分析 ·７· 流程２：如图２所示，蒸发原液由泵送至原液闪 发器进入系统，新蒸汽冷凝水进行自蒸发与二次汽 冷凝水混合进入加热流程，强制效运行时，均从第四 级自蒸发器出料进入。 两种蒸发流程不同点：流程１带预热器，原液依 次过经６—５—４—３—２—１效加热后，进入四级自蒸 蒸器闪蒸后分为两部分：一部分经６—５效蒸发器 后，直接泵送至蒸发母液槽；另一部分依次经过４— ３—２—１效蒸发器逆流逐级加热至溶液中Ｎａ Ｏ 为 ２３０ｇ／Ｌ，再经过四级闪蒸浓缩至Ｎａ２Ｏｋ为２５０ｇ／Ｌ 后，由泵送至蒸发母液槽或是强制效蒸发器进一步 浓缩排盐。饱和新蒸汽（表压０．５ＭＰａ）从１效蒸发 器进入，１效至５效的二次汽分别用于下一效蒸发 器热源，第６效蒸发器的二次蒸汽经水冷器降温冷 发器闪蒸，第四级自蒸发器的出料即为蒸发母液；流 程２不带预热器，带一级原液闪蒸，原液先进入原液 闪蒸器闪蒸后分为两部分，一部分经６—５效蒸发器 后直接出料，另一部分经４—３—２—１效后，再进入 四级自蒸发器闪蒸，５效出料和第四级自蒸发器的 出料的混合溶液为蒸发母液。 凝，并入循环回水系统。此种流程为两段出料。 两种蒸发流程相同点：均采用六效管式降膜逆 流蒸发和四级自蒸发技术，新蒸汽均从１效降膜蒸 图１流程１示意图 图２流程２示意图 · ８ · 轻金属 ２０１６年第５期 ２热平衡计算及结果分析 ２．１热平衡计算结果 为了保证溶液在１效蒸发器内不结晶，所以必 须确保１效蒸发器出料的Ｎａ：Ｏ 浓度小于２３ｏｇ／Ｌ， 两种流程的计算结果如表１所示。 表１热平衡计算结果 然会减少，过料泵的功率、进入蒸发系统的新蒸汽量 都会随之减少。 通过理论计算的对比可以看出，流程２汽耗低、 运转功率低、设备投资少。因此在今后的设计上建 议采用流程２，且也可以将已有的一段出料流程改 造为两段出料 ３ 生产运行状况 ３．１项目建成运行情况 ２０１１年，某氧化铝厂新建了两组蒸水量为 ２４０ｔ／ｈ的蒸发器组，均采用流程１，生产运行平稳， 各项指标正常并已经达到设计值。２０１２年，该公司 根据自身生产特点，为了取得更好的市场竞争地位 和经济效益，废弃掉一些汽耗较高的蒸发装置（汽 注：此表中的运转功率包括循环泵、过料泵、原液泵、水 泵、强制效进出料泵、强制效循环泵、种子泵 耗在０．４ ｔ／ｔ一水），新建一组采用流程２的蒸发器 组，此组蒸发的蒸水量是２４０ｔ／ｈ，已投入生产，且运 行已经平稳，达到设计值。 ３．２项目运行数据及分析 ２．２计算结果分析 通过表１的比较可以看出，流程２较流程１的 根据某氧化铝厂的２０１３年上半年度的蒸发工 原液进料量提高了４％，主要由于流程２中的部分 溶液直接从５效蒸发器出料，这部分溶液的碱浓度 较低，达不到２５ｏｇ／Ｌ，若此工艺流程要达到与流程１ 相同的蒸水量，进人流程的原液量必然要增加。 流程２比流程１的汽耗少０．０４３ ｔ／ｔ一水，降低 序月报，整理数据于表２。 从表２中的数据可以看出，进入两种流程的饱 和新蒸汽温度和原液浓度相同，各组的四自出料浓 度近似相同，且运行时各效蒸发器内的温度和压力 相差不大。流程２的汽耗为０．２ｔ／ｔ一水，流程１的 汽耗为０．２３４ ｔ／ｔ一水，虽然两种流程的汽耗都小于 １２．９％，运转功率减少１６４ｋＷ，蒸发器的总加热面 积减少２００ ｍ ，。因为流程２为两段出料，只有 ５０％的原液进入前四效蒸发器，即使总的原液量增 设计值，但流程２的汽耗比流程１的汽耗减少 ０．０３４ ｔ／ｔ一水。由生产数据进一步验证了流程２优 于流程１。 加，但相比较下，前四效蒸发器的出料量和循环量必 表２生产运行数据 ４经济指标分析 根据理论计算结果和实际运行数据，按照蒸水 ０．２×２４０×０．９×８７６０÷１００００＝３７．８４刀Ⅱ屯 蒸汽按每吨１００元计算，流程２每年使用的蒸 汽费用较流程ｌ节省６４４万元。 能力２４０ｔ／ｈ．组、器组运转率９０％计算， 流程ｌ使用新蒸汽量： ０．２３４×２４０×０．９×８７６０÷１００００＝４４．２８万吨 流程１的设备投资费用约为２８５０万元 ，流程 ２的设备投资费用约为２６５０万元‘２ ， 流程２的设备投资费用较流程１节省约２００万 （下转第ｌ３页） 流程２使用新蒸汽量： ２０１６年第５期 度杆， 轻金＝属 ２３４ＭＰａ ·１３· 临界载荷： Ｉ 稳定安全系数：ｓ＝誓＝Ｄ Ｏ ＝斗 ３．６５ 故中间立柱在轴向压力作用下不会发生失稳现 象 ７．６０１ 丁一 ２．４６７ ｘ２０５×０．００１４４×１０ ＝１２６０ｔ ５ 结语 沉降槽的结构设计与计算，重点和难点在于槽 体直筒段壁厚确定以及底锥及立柱部分的结构设计 及计算： （１）槽体直筒段壁厚计算可按照相关标准进行 强度计算，再综合考虑刚度要求即可。 稳定安全系数Ｓ－鲁＝ ＝４．２ 故外环立柱在轴向压力作用下不会发生失稳现 象 ４．３中间环立柱校核 中间环立柱采用焊接Ｈ型钢６００×６００×２８× ４０制成，材质为Ｑ２３５一Ａ，长度为４７１４ｍｍ， 支柱截面积Ｓ＝０．０６２５６ ｍ ，承重载荷Ｐ￣４００ｔ （２）通过对锥底结构的优化，采用橘瓣板结构 代替原有类平板结构，有效降低了锥底板厚度，经济 效益显著。 （３）支承立柱的压杆稳定性计算难点在于如何 支柱压应力： ＝ ＝詈＝ 截面惯性矩：Ｉｍ ＝０．００１４４ 截面惯性半径 ＝ ＝ ６４ＭＰａ －０．１５１ 准确确定每根支承立柱所承受的轴向载荷，通过建 立１／２０模型且采用有限元分析计算，反向推导出每 根立柱及底部圆筒所承受轴向载荷百分比，即可求 取每根支承立柱所承受的轴向载荷，从而确定每根 立柱的最经济合理的截面规格，以此最大程度的节 省材料。 参考文献： 本支柱为一端固定，一端自由约束，长度系数 ＝２ 压杆柔度： ６０＜Ａ＝ ＝ －６２．４＞ １００ ［１］ＮＢ／Ｔ４７ｏｏ３．１—２００９钢制焊接常压容器［Ｓ］．国家能源局２００９． １２． 其中Ａ 为中柔度杆的最小Ａ值，Ａ。为大柔度 杆的最小值 故本支柱为中柔度杆 临界压力： ＝＝。 ＝Ⅱ一６Ａ＝３０４—１．１２×６２．４ Ｆ ［２］徐英，杨一凡，朱萍，等．球罐和大型储罐［Ｍ］．北京：化学工业出 版社，２００４． ［３］曾攀．有限元分析及应用［Ｍ］．北京：清华大学出版社，２００４． （责任编辑张文军） （上接第８页） 元，从未来的运行方面看，流程２较流程１每年节省 蒸汽费用约６４０万。对于新建蒸发器组，建议采用 流程２。 降膜蒸发器和四级自蒸发技术，不同的流程对蒸发 系统的汽耗、电耗、蒸发面积等都有影响，两段出料 带原液闪蒸的流程比一段出料带预热器的流程汽 耗、电耗低，换热面积小，占地空间小。此结论不仅 可以为今后的母液蒸发设计提供依据，也可以给已 经投产的蒸发系统的改造提供参考。 参考文献： ［１］毕诗文主编，于海燕副主编．氧化铝生产工艺［Ｍ］．北京：化学工 业出版社．２００６．２，２１７． 对于已有的流程ｌ，可以将其改造成流程２，只 需增加一台原液闪蒸器和更改少量管道，设备和材 料费用约为１００万元，静态投资回收期在２个月左 右（与氧化铝厂蒸汽成本有关）。 ５ 结论 通过以上对两种蒸发流程理论计算和生产实际 运行过数据比较，得出如下结论：同样采用六效管式 （责任编辑张文军）
