氧化铝厂高温溶出大型化设计选型

陈国华

（沈阳铝镁设计研究院有限公司，辽宁 沈阳 110001）

近几年，氧化铝生产的单线产能不断提高，处理一水硬铝石的高温溶出装置也成为单线产能的比照基准。从上世纪90年代开始，高温溶出单线规模从20万吨到2016年百万吨级的高温拜耳法生产线成功运行，行业内一直关注和研究更大单线产能溶出装备[1-4]。本文主要研究单线产能为120万吨/年高温溶出工序换热套管及管道停留的比较，从设备投资、运行阻力和占地等方面进行对比分析，给新建氧化铝厂提供参考。

1 比较基准

以单条溶出生产线（料浆闪蒸为一组）120万吨/年为基准，溶出温度为280℃，采用10级乏汽套管预热、一级冷凝水预热、一级新蒸汽加热和管道停留、11级自蒸发的工艺技术和装备，其中7～12级套管设计备用段，在预热和加热面积基本相同，反应停留时间约为50min的基准下进行比较。自蒸发器采用一组相同规格的设备，本文不做比较。

2 设备投资比较

经物料平衡计算，120万吨/年的产能对应溶出机组进料量为1235m³/h，根据传热效果及生产实践经验，套管换热器全部采用3根内管的形式，根据选取套管组数不同进行三个方案比较。

①方案一：两组套管及停留管，选择3-φ219/φ630～φ660的套管，停留管规格φ610。②方案二：三组套管及停留管，选择3-φ180/φ530～φ560的套管，停留管规格φ508。③方案三：四组套管及停留管，选择3-φ159/φ480～φ508的套管，停留管规格φ457。

（1）设备壁厚的确定。上述三个方案的设备都为压力容器，按照标准GB150.1～150.4 - 2011选择计算软件进行计算，计算条件和计算结果见表1、表2。

表1 设备计算条件

*备注：矿浆管包括套管内管和停留管，蒸汽管包括乏汽、新蒸汽冷凝水和新蒸汽套管的外管。

表2 设备选择结果

*备注：管道规格为管道外径与壁厚，如规格为φ219×12表示管道外径为219mm，壁厚为12mm。

（2）换热面积及套管长度的确定。根据物热平衡计算，三个方案的换热面积和换热套管长度分别见表3和表4，其中套管的长度以外管计。

表3 换热面积及停留时间

表4 设备长度选择结果

（3）设备投资比较。根据上述的设备长度，对上述三个方案的设备重量及投资进行比较，投资中包含设备安装和防腐保温的投资，比较结果见表5。

表5 设备投资比较

根据上述比较结果，在保证相同溶出效果的条件下，采用方案一(两组套管)的工艺投资最高，方案二、方案三依次降低。

3 阻力对运行影响

（1）阻力损失影响。套管换热器和停留管的阻力损失主要是料浆与管道内壁的摩擦产生的，阻力越大。对于流体在管道内的阻力损失，一般根据范宁（Fanning）公式[5]进行计算，在不考虑套管结疤的情况下，套管中阻力损失见表6。

表6 套管及停留管的阻力损失

（2）喂料泵电耗影响。由于三个方案中套管及停留管的阻力损失有所不同，三个方案溶出喂料泵的轴功率消耗如表7所示。

表7 喂料泵轴功率消耗

从表7的轴功率消耗结果可以看出，方案二所消耗的轴功率最大，方案一次之，方案三最小。

4 结疤对运行的影响

（1）结疤对套管段的影响。套管预热和段矿浆流速较大，结疤厚度一般较薄，本文讨论不同结疤厚度对套管阻力损失的影响如表8所示。

表8 不同结疤厚度对套管阻力损失的影响

从表8看出，随着结疤厚度的增加，方案一、方案二和方案三套管的阻力损失速率依次增大，这是因为管径越小，结疤对流速影响越大，导致阻力损失越大。

（2）结疤对停留段的影响。停留管内矿浆流速较小，温度更高，化学反应更为激烈，内壁生成的结疤更厚，结疤对停留时间和阻力损失的影响见表9和表10。

表9 不同结疤厚度对停留时间的影响

从表9中可以看出，停留管管径越大，结疤对停留时间影响越小，同样在结疤厚度为10mm时，方案一的停留时间减少了6.9%，方案二和方案三分别减少了8.3%和9.1%。

从表10可以看出，三个方案中结疤厚度对阻力损失影响都小于0.05MPa，这是由于停留段矿浆流速较小，结疤对阻力损失影响不大。

表10 不同结疤厚度对套管阻力损失的影响

5 占地情况

本次比较以相同的层数配置进行比较，各方案的占地面积如表11所示。

表11 各方案的占地面积

6 结论

①在保证换热面积和停留时间基本相同的条件下，从投资比较来看，选用4组套管规格为3-φ159/φ480～φ508，停留管规格为φ457的设备投资最小，其次是3组3-φ180/φ530～φ560，停留管为φ508的方案，投资最大的为2组3-φ219/φ630～φ660，停留管为φ610的方案。②采用4组套管及停留管方案的阻力损失最小，对应喂料泵的电耗也是最小，其次是2组套管方案和3组套管方案，此两种方案较4组套管方案每年增加电耗约47.7万kWh和82.7万kWh。③占地面积上比较结果来看，2组套管方案的占地面积最小，其次是3组套管方案，4组套管方案占地面积最大。④从总体比较结果看，三个方案各有利弊，需要根据实际情况进行选择，总图充裕的情况下可选择投资较小的，总图不充裕时选择组数少的方案。