种分槽新型高效搅拌技术研究和应用

王宝奎

(沈阳铝镁设计研究院有限公司，辽宁 沈阳 110001)

随着我国氧化铝产量的大幅增加,氧化铝价格持续走低,氧化铝生产企业利润被不断压缩。为了生存发展,提高技术水平是必然之选。氧化铝生产流程中种子分解是重要环节之一,其大量应用的种分槽是一种大型的搅拌槽,随着氧化铝单线产能从100万吨向200万吨方向发展,对种分槽进行大型化并配备高性能搅拌装置成为必然趋势,这对于降低能耗、提高产出率、降低运行成本、提升利润意义很大。

1 工作原理及结构特点[1-4]

种分槽的工作原理是,将降温后精液添加氢氧化铝晶种,在种分槽内进行充分搅拌混和,停留一定的时间,完成分解反应析出氢氧化铝。为了提高分解率,分解反应在高固含条件下进行。由于种分槽容积大,料浆固含高,在槽底部很容易产生沉淀,因此对搅拌装置提出了很高的要求,表现在以下几个方面:

(1)要保证料浆中固体颗粒和溶液充分接触,均匀混合,加快晶粒长大,从而加速分解反应,槽内料浆无明显分层,槽内上下料浆固含差需<10%;

(2)要有足够的循环流量,使氢氧化铝颗粒充分悬浮防止沉淀;

(3)在保证颗粒悬浮的前提下,尽量减轻桨叶叶片对氢氧化铝晶粒的剪切,以利于氢氧化铝晶粒生长;

(4)搅拌装置包括电机、减速机、搅拌桨等要有很高的可靠性和使用寿命,以保证种分槽可连续稳定运行。

2 种分槽搅拌系统的发展过程、现状及存在的问题

国内早期种分槽的搅拌方式为空气搅拌,以压缩空气作为介质,通入种分槽中心的提料管,使提料管内不断形成密度小于管外浆液的气、液、固三相混合物,利用管内外密度差驱动浆液在槽内循环而达到搅拌混合目的。空气搅拌方式效率低、能耗高、料浆分层严重、易结疤,在搅拌过程中还会让料浆吸收较多的二氧化碳。空气搅拌式种分槽在我国氧化铝生产初期曾经发挥过重要的作用。

机械搅拌种分槽采用轴流式机械搅拌,由罗马尼亚奥拉迪亚氧化铝厂于1970年设计提出并投入使用。我国二十世纪八十年代,由山西铝厂二期工程φ14×30 m种分槽引进法国ROBIN公司的TPM及HPM混合桨式搅拌技术。其弱点是搅拌强度不足,料浆上下层固含差不够理想。国内以HPM桨为原型进行国产化,推出了CBY搅拌桨。

二十世纪九十年代,平果铝厂的种分槽引进了德国EKATO的Intermig搅拌装置。这种桨的桨叶分为内外两层,当桨叶旋转时,内外桨叶同时产生两个不同的液体流动方向,有利于料浆混合。国产化后改进了桨叶形状并加长了底桨的尺寸称之为改进型Intermig搅拌桨,沉淀有所改善但仍然严重。

另外国内某些铝厂也引进了美国莱宁公司的导流筒搅拌装置,该搅拌装置存在以下几点不足:① 结构复杂,安装困难,槽内结构件多,易结疤,清理困难;② 启动、停车等操作复杂;③ 料浆固含一般不大于500 g/L,底部结疤较多;④ 槽体中液面位置不能低于某一高度,否则桨叶接触不到液体,搅拌系统就无法工作;⑤ 能耗高于桨式搅拌。国内新建种分槽已不再使用这种搅拌装置。

某一时期国内现有种分槽搅拌装置几乎全部都是改进型Intermig搅拌装置,也有少量的CBY搅拌装置,这两种搅拌装置存在以下问题: 搅拌强度不够,沉淀严重,年形成结疤高度达3 m以上; 能耗指标不够理想; 搅拌扭矩大,当用于Φ14 m、Φ16 m大型种分槽时,常规减速机无法满足其扭矩要求,需专门定制减速机,费用高昂,制约了种分槽大型化的进程。

3 高性能种分槽搅拌装置的设计[5-7]

国内外大型种分槽搅拌技术进展缓慢,一方面因为大型种分槽搅拌装置开发难度大;另一方面,传统的经验设计法、比例放大法等不能从本质上揭示流场内部真实情况及搅拌过程的运作机理。近年来,CFD模拟仿真技术在搅拌装置的设计中开始应用,但关键问题是模拟结果必须要能真实地反映实际情况,否则获得的结果没有任何实际意义。

从2008年开始,我们做了大量的基础工作,通过小型实验槽和大型工业搅拌槽的测试、Fluent软件模拟验证,取得了以下几方面重要的技术成果,为高性能搅拌装置及种分槽大型化提供了强有力的设计开发依据,具体情况如下:

(1)获得了用于fluent模拟仿真的准确数学模型,开发成功高性能搅拌模拟仿真技术[11]。经大量的实验测试和工业应用证明,模拟计算值和测试值的误差较小,平均误差为3.2%,高于工程计算精度5%的要求。

(2)获得了搅拌桨的优化设计规律,软件模拟结合实验测试表明,搅拌桨叶片存在最优的桨叶/槽体直径比、叶片离底间距和叶片层间距、底层搅拌桨和上层搅拌桨最优直径比。搅拌桨在最优状态下,能耗显著降低,搅拌性能获得显著提升[8-9]。

(3)开发多种节能型高性能搅拌桨型,如下图所示。

HSG型桨为底层桨,桨叶弧面的轴线与回转面夹角为0度,如图1所示。HQG型桨为上层桨,桨叶弧面的轴线与回转面成一夹角,如图2所示。HBJG型桨既可以用作底层桨也可以作上层桨,桨叶弧面逐渐扭转,如图3所示。

图1 HSG型搅拌桨

图2 HQG型搅拌桨

图3 HBJG型搅拌桨

对于搅拌桨叶片,功率准数和剪切越低越好,流量准数越大越好,有利于降低能耗,提高混合效果。以上搅拌桨类型为国内外首创,叶片几何尺寸经多次优化,并在工业应用中测试验证满足要求后作为定型产品,性能全面优于改进型Intermig搅拌桨和CBY搅拌桨,具体情况见表1。

表1 种分槽不同类型搅拌桨性能对比

图4是Intermig和CBY搅拌桨截面形状,图5是HSG/HQG/HBJG型桨叶片截面形状。HSG桨特点阻力系数小,排量大,适用于底层桨,径向作用范围大,有利于消除槽底边角处沉淀;HQG型桨径向尺寸小、轴向尺寸长,液流被汇聚集中,增大轴向作用范围,而其本身轴向尺寸加长,进一步加大了轴向作用范围,有效减少了桨叶层数。HBJG在HQG型桨基础上对桨叶弧面逐渐扭转,能够产生更好的柱形导流区,轴向作用范围更大。HSG、HQG便于加工,而HBJG加工制造复杂一些。

图4 Intermig和CBY搅拌桨叶片截面形状

图5 HSG/HQG/HBJG搅拌桨叶片截面形状

(4)最优化的料浆搅拌流动路径,能够有效降低能耗提高搅拌均匀度。如图6、7所示,分别为料浆流动路径优化和未优化的矢量图和搅拌均匀度云图,优化后均匀度提高,而未优化的底部固体颗粒体积分数明显增加。

图6 优化的料浆流动路径和搅拌均匀度

图7 未优化的料浆流动路径和搅拌均匀度

4 应用对比

相同的工艺条件下,针对以下几种规格的种分槽搅拌装置性能进行对比见表2和表3,规格都是Φ14 m情况下,HSG/HQG搅拌装置的各项性能指标(功率、槽底结疤和固含差)都远远优于改进型Intermig搅拌装置,甚至连Φ16 m HSG/HQG搅拌装置的性能指标都优于Φ14 m改进型Intermig搅拌装置,可见HSG/HQG搅拌装置的优势非常明显。

HSG/HQG搅拌装置Φ16 m、Φ14 m和Intermig搅拌装置的综合性能如表3所示。

表3 不同规格种分槽HSG/HQG和Intermig搅拌装置的综合性能

5 结 论

该技术2014年通过了中国有色金属工业协会的鉴定,达到国际领先水平;2015年获得中国有色金属工业协会科技进步二等奖。已在中铝系统各企业、信发集团、国家电投集团等公司所属氧化铝厂的Φ14 m种分槽新建和改造项目上,应用了新型高性能搅拌技术;在中铝系统各企业、信发集团、东方希望集团等公司所属的氧化铝厂Φ16 m种分槽新建项目上,应用了该技术。以上项目均已投产,使用效果显示,搅拌效果良好,运行稳定,能耗显著降低,槽底部结疤明显减少,达到了预期的设计效果。

新型种分槽搅拌技术的应用,将为种分槽大型化、节能降耗及降低种分槽沉淀等提供理想的解决方案。