氧化铝母液蒸发器增加效数节能降耗改造

邬 春

（中铝山东有限公司，山东 淄博 255052）

中铝山东有限公司六效管式降膜蒸发器共有7组，主要有蒸发能力165t/h一组、200 t/h一组、150 t/h一组、东线130 t/h两组、120 t/h一组、65 t/h一组。其中165t/h组用于化学品氧化铝母液蒸发，其余六组均用于氧化铝母液蒸发。

表1 蒸发器换热面积表和部分运行参数

进料量 520 m3/h 610m3/h 600m3/h 650m3/h减温减压后压力 0.38Mpa 0.40Mpa 0.40Mpa 0.40MpaⅠ、Ⅱ效温差 20℃ 20℃ 20℃ 17℃Ⅰ效液室温度 128℃ 142℃ 144℃ 144℃Ⅰ效汽室温度 140℃ 147℃ 150℃ 150℃蒸汽单耗 0.278 0.278 0.272 0.272蒸水量 150 m3/h 120m3/h 130m3/h 130m3/h末效真空度 0.070Mpa 0.080Mpa 0.082Mpa 0.082Mpa循环水凉水温度 34℃ 35℃ 35℃ 35℃

从表1中可以看出，现有蒸发器均为六效蒸发加四级闪蒸逆流换热工艺流程，主要存在问题：蒸汽利用率低，汽耗偏高，平均汽耗在0.275t-汽/t-水；蒸发原液（即种分母液）进效温度较低，只有75℃左右，生产系统热量综合利用率低。

六效蒸发器原进料流程为逆流流程，原液由蒸发器六效进入，并用泵逐级输送到下一效，新蒸汽加入第一效，一效溶液自压至一级至四级闪蒸罐，逐级降温减压，自蒸发产生二次蒸汽分别送入与其压力相应的各效蒸发器的液室，经四级闪蒸后生产出合格浓度的蒸发母液。在蒸发器逆流流程运行时，原液温度的提高，使六效液室产生过量的二次蒸汽进入大气冷凝器，当不能再增加冷凝器的循环水量时，蒸发器系统的真空就要降低，各效溶液的压力及沸点跟着也要升高，此时会影响蒸发器组的经济运行，原液温度达到75℃以上时尤为明显，造成以上现象的主要原因是蒸发器系统的热负荷分配不合理。

将“六效蒸发”改为“七效蒸发”，蒸发汽耗可由平均汽耗0.275t-汽/t-水降至0.225t-汽/t-水，年节约蒸汽31.8万吨。

1 蒸发器的效数的选择

蒸发工序浓缩的种分母液一般采用管式降膜蒸发器，这也是我国氧化铝行业成熟的应用技术。七效蒸发器组一般采用逆流换热，两段进料蒸发方式。蒸发器的节能效果主要体现蒸汽的多次利用，采用的效数越多，蒸汽被利用的次数也越多，也就越节能，但效数的多少又受到效间有效温差变小的约束。

中铝山东有限公司拜耳法氧化铝生产使用的铝土矿是三水铝石，相比一水硬铝石矿，浓缩种分母液的浓度低，采用“六效蒸发”已应用成熟，效间平均有效温差在8℃～9℃。改为“七效蒸发”运行后，效间平均有效温差在7℃～8℃。效间有效温差、效间浓度差，对“七效蒸发”运行，工艺技术是可行的。

除了65t/h蒸发器组由于场地的限制，无法进行七效改造，其余六组蒸发器全部由“六效蒸发”改为“七效蒸发”，根据现有蒸发器组布置，新增的一效作新Ⅰ效，并同步实施蒸发原液换热和蒸发原液进料改造。

2 建设方案

2.1 蒸发工艺

在保持现有设备继续使用的条件下，通过在每组蒸发器增加一台I效管式降膜蒸发器，由六效蒸发改为七效蒸发，使平均汽耗由0.275t-汽/t-水降至0.225t-汽/t-水。七效管式降膜蒸发器（每吨水）蒸发物料平衡、热平衡如下：

2.1.1 计算条件

原液量：F1=6662kg/t-H2O；原液比热：C0=3.55kj/kg·℃；原液温度：80℃；各效冷凝水的比热：C0=4.186kj/kg℃；各效热利用系数：I效～III效0.96、IV效～VII效0.98；加热蒸汽：0.5Mpa、T饱=152℃；末效真空度： 0.075Mpa。

2.1.2 主要物料流量见表2

表2 主要物料流量

2.1.3 计算热量结果见表3

表3 计算热量结果

2.2 主要设备选型

2.2.1 管式降膜蒸发器

管式降膜蒸发器由加热蒸发室、分配盘、汽液分离室、除雾器、循环管等部分构成。并配套冷凝器、循环泵、过料泵、冷凝水泵等。其结构如下图所示。

降膜蒸发工艺：需蒸发的物料通过进料泵从降膜蒸发器顶部进入，走蒸发管内（管程），物料通过布膜器以膜状分布到换热管内，物料在凭借引力流下管腔时被管外的蒸汽加热，达到蒸发温度后产生蒸发，物料连同二次蒸汽从管内流下以薄膜的形式蒸发。二次蒸汽送入降膜加热室壳程作为加热蒸汽。降膜加热室壳程有板块，引导二次蒸汽，冷凝和排出不可以冷凝的气体。而在过程中把本身热能经过管壁从外传到管内蒸发中的物料，通过换热后二次蒸汽冷凝成水排出降膜蒸发器外。

降膜蒸发系统的特点：降膜式蒸发器的料液是从蒸发器的顶部加入，在重力作用下沿管壁成膜状下降，并在此过程中蒸发增浓，在其底部得到浓缩液。降膜式蒸发器可以蒸发浓度较高、粘度较大（例如在0.05～0.45Ns/m2范围内）物料；由于溶液在单程型蒸发器中呈膜状流动，传热系数较高；停留时间短，不易引起物料变质，适于处理热敏性物料；液体滞留量小，降膜蒸发器可以根据能量供应、真空度、进料量、浓度等的变化而采取快速运作；由于工艺流体仅在重力作用下流动，而不是靠高温差来推动，可以使用低温差蒸发；降膜蒸发器适用于发泡性物料蒸发浓缩，由于料液在加热管内成膜状蒸发，即形成汽液分离，同时在效体底部，料液大部份即被抽走，只有少部份料液与所有二次蒸汽进入分离器强化分离，料液整过程没有形成太大冲击，避免了泡沫的形成。

关于蒸发器的选择具体如下：蒸发器节能改造，采用新增加I效蒸发器，现有I效蒸发器为II效，其他依此类推。主要原因一是现有I效蒸发器长期处于最高浓度和最高温度工况下，设备状况处于不利状态；二是本次改造可充分利用I效蒸发器旁边的强制循环蒸发器和减温减压器的框架位置，只需要加固和将减温减压器移位即可，土建投资大幅度下降。关于新增I效蒸发器面积选择，根据目前蒸发器长期运行情况看，由于I效蒸发器长期处于最高浓度和最高温度工况下，因结垢速度等因素影响，相比其他效始终处于不利工况下，适当增加I效蒸发器面积可有利于始终保持蒸发器温差、压力等操作参数的稳定，有利于提高蒸发器组的运转率和稳定性，因此本次增加I效管式降膜蒸发器，其换热面积按现有I效蒸发器换热面积的约110%进行配置。

2.2.2 循环泵、过料泵的选型

根据采用七效逆流加四级闪蒸工艺流程要求，新增I效蒸发器配套循环泵一台，原1效蒸发器配过料泵各一台；由于每一效的蒸汽压力和流经的液量均不相同，需要进行详细的热量和物料平衡计算，因此选择泵的型号较多。其中循环泵流量按照加热面积的0.35倍计算。综合考虑各效实际过料量、效间压差、管件数量、汽蚀余量要求等，初步选型结果见表4。

表4 循环泵选型结果

3 主要建设内容

3.1 六效蒸发改七效蒸发部分

每组蒸发器增加一台蒸发器，扩建一跨钢结构框架安装新蒸发器，将“六效蒸发”改为“七效蒸发”，总共增加6台I效管式降膜蒸发器，总面积约13150m2，同时增加凝水闪蒸罐、泵和管道等配套设施。

由于现场场地的限制，管式降膜蒸发器还是采用与原设计相同的一体化设计，一体式结构非常紧凑，由设备结构而造成的热损失在热平衡计算中几乎可以不考虑。

加热室下部筒体3.4～4.4m插入分离室，因而易受到高温、高碱浓度的碱蒸汽对筒体材质的应力腐蚀，使筒体及下管板焊缝出现裂纹、泄漏；这种情况主要发生在I效，II效出现这种情况很少，III效以后基本不出现这种情况。为解决这个问题，对设备本体采取以下措施：对加热室下部筒体及与下管板的焊缝严格认真的做好热处理，消除卷板及焊接应力；对下部筒体再严密的包敷一层δ8～10mm厚的316L不锈钢板予以保护，将下部筒体以及下管板焊缝与碱蒸汽完全隔离。

3.2 增设板式换热器

通过新上板式换热器和宽流道换热器，增加换热面积，用蒸发原液先通过中间降温换热器与种分浆液进行热交换，然后再通过精液降温换热器与精液进行热交换，充分利用换热器可将蒸发原液温度提高至80℃，实现蒸发汽耗的降低，进而降低氧化铝制造成本。

4 经济效益分析

165t/h蒸发器用于化学品氧化铝，年蒸水量165×8760×90%＝130万吨；其他蒸发器用于氧化铝，年蒸水量（170+130×3+120）×8760＊85%＝506万吨；项目实施后蒸发汽耗可由平均汽耗0.275t-汽/t-水降至0.225t-汽/t-水；年可节约新蒸汽（130+506）×（0.275-0.225）=31.8万吨；蒸汽价格114.728元/吨，年节约蒸汽费用31.8×114.728=3648.35万元；增加热电厂成本：（12.95+2.78）×31.8=500.21万元；实际节约蒸汽费用为3648.35-500.21＝3148.14万元。

5 结论

工艺技术的选择借鉴了铝行业和相关行业的成功经验，是稳妥、可靠的。蒸发六效改七效能够达到降低汽耗和提高装备水平的目的。