独居石碱液蒸发浓缩方案研究

辛 馨，王 库，张兆光

(中核第四研究设计工程有限公司，河北 石家庄 050021)

独居石除富含稀土外，还富含铀、钍等放射性金属，是重要的铀伴生资源。与从铀矿石及尾矿中提铀工艺[1-2]相比，独居石碱液浓缩工序是独居石提铀流程所特有的。独居石精矿经磨矿后送到碱分解工序，碱分解后的矿浆经固液分离后滤饼进入酸溶提铀工序；滤液进入磷酸三钠结晶工序，经过除杂、结晶提纯、固液分离得到磷酸三钠副产品和独居石碱液。该碱液经过蒸发浓缩后可返回碱分解工序代替固碱，实现循环利用，以节约成本。

1 原有独居石碱液浓缩工艺

稀土加工企业常使用双效蒸发浓缩器对独居石碱液进行蒸发浓缩。双效浓缩工艺由一效加热室、一效分离室、二效加热室、二效分离室、冷凝器等组成，如图1所示。

1—乏汽预热器；2—一效加热室；3—一效分离室；4—二效加热室；5—二效分离室；6—冷凝器；7—冷凝水罐。图1 双效蒸发浓缩工艺流程图Fig.1 The process of double-effect evaporation concentration

原有独居石碱液浓缩工艺设备材质选用304不锈钢，使用后发现蒸发器中结垢严重，设备焊缝处有腐蚀，设备能耗高。双效蒸发浓缩工艺蒸汽耗量和冷却水耗量均较大，生产成本较高，企业经济压力大，碱液蒸发浓缩工艺亟待改造。

2 蒸发浓缩设备特点及能耗分析

传统的蒸发浓缩器包括单效蒸发浓缩器和多效蒸发浓缩器，近年来机械压缩式蒸发器(以下简称MVR)和蒸汽喷射式蒸发器(以下简称TVR)也得到推广和应用[3-5]。4种典型的蒸发浓缩设备比较见表1。

3 独居石碱液组分及腐蚀性分析

独居石碱液主要组分：磷酸钠13.5%～16.7%，氢氧化钠17.5%～19.8%。料液中钙、镁等不溶性无机盐含量低，约为2%～8%。

研究选用的316L型低碳不锈钢材质，含有Cr、Mo，其耐腐蚀性和耐高温强度均较好，料液中的氢氧根和磷酸根等对316L型蒸发浓缩设备的腐蚀性弱，不易发生结垢腐蚀。

表1 典型蒸发浓缩设备比较Table 1 Comparison of typical evaporative concentration equipment

4 独居石碱液蒸发浓缩技术方案

对独居石碱液进行物料衡算，得到需浓缩物料251 m3/d。浓缩前，物料中的氢氧化钠质量分数为12.3%，浓缩终点其质量分数为36.5%。根据蒸发浓缩需求提出了双效、MVR+双效、三效蒸发技术方案，并进行了比选。

4.1 蒸发方式选择

蒸发系统采用防结垢性能好的降膜蒸发器。降膜蒸发器是1种高效单程非循环型膜式蒸发设备，具有传热效率高、温差损失小、物料加热时间短、不易变质、设备使用寿命长等特点[11]。将料液由降膜蒸发器加热室上的管箱加入，沿换热管内壁呈膜状流下，并被壳程加热汽化；蒸汽与液相共同进入分离室，二次蒸汽进入冷凝器冷凝或进入下一效蒸发器作为加热介质，从而实现多效操作，液相则由分离室排出[12]。

由于碱液黏度随碱液浓度升高而显著增大，若采用顺流方式进行加热，会导致各效传热系数逐渐降低；若采用逆流多效方式，每效传热系数可基本相同，而且逆流加热时料液从末效加入，所需热量少，能量利用率较高，所以系统采用逆流换热方式。

4.2 双效蒸发技术方案

4.2.1 双效蒸发方案工艺流程

采用双效蒸发，逆流进料、连续出料形式。一、二效均采用降膜蒸发器。溶液首先进入第二效，经过初步蒸发后再进入一效，达到终点浓度后排入收集罐或进入下一道工序。

系统蒸汽走向：生蒸汽进一效，冷凝水回锅炉或进入冷凝水罐。一效二次蒸汽进二效加热室壳程作为热源，冷凝水进入冷凝水罐；二效乏汽进入表面冷凝器，冷凝成水后，汇入冷凝水罐。

4.2.2 双效蒸发方案设备配置及报价

双效蒸发设备配置及报价见表2。

表2 双效蒸发方案设备配置及报价Table 2 Equipment configuration and quotation of double-effect evaporation scheme

4.2.3 双效蒸发方案主要参数

系统循环水量为400 m3/h，装机功率为30 kW，蒸发1 t水耗用蒸汽0.69 t。

4.3 MVR+双效蒸发技术方案

沸点升高是影响MVR蒸发器经济性的最重要的指标，当物料浓缩终点的沸点升高到一定程度后，MVR运行费用与传统多效蒸发相比将没有优势。以蒸发压力70 kPa、加热温差8 ℃计算，氢氧化钠浓缩终点浓度与沸点升高、二次蒸汽压缩吨蒸汽轴功率(离心式)的关系见表3。

表3 氢氧化钠浓度与沸点升高、轴功率关系Table 3 Relationship of sodium hydroxide concentration with boiling point rise and shaft power

从表3可看出，使用MVR对氢氧化钠溶液进行浓缩，压缩机功率随着氢氧化钠终点质量分数的升高而增高。本项目若只用MVR蒸发器浓缩碱液，沸点升高达20 ℃，其运行成本与多效蒸发相比不具有优势；且需要多台压缩机串联，而压缩机串联应用的工程实例较少。所以本物料不适合单独使用MVR系统。

4.3.1 MVR+双效蒸发方案工艺流程

浓缩过程中，MVR工段将物料由12.3%浓缩至23.0%，双效工段将物料从23.0%浓缩至36.5%。原料首先经冷凝水预热器A预热后进入MVR降膜蒸发器中进行蒸发浓缩，浓缩后的料液经冷凝水预热器B预热后进入双效蒸发器进行蒸发浓缩，浓缩后的物料由双效循环泵输送至下一工序。

MVR分离室产生的二次蒸汽，通过蒸汽压缩机提高能量后，进入加热室壳程。

双效工段生蒸汽进一效，冷凝水回锅炉或进入冷凝水罐。一效二次蒸汽进二效加热室壳程作为热源，冷凝水进入冷凝水罐；二效乏汽进入表面冷凝器，冷凝成水后，汇入冷凝水罐。物料则与蒸汽逆流，从二效加热室顶部加入。

4.3.2 MVR+双效蒸发方案设备配置及报价

MVR+双效蒸发方案设备配置及报价见表4。

4.3.3 MVR+双效蒸发方案主要参数

系统冷却水量为142.15 m3/h，装机功率为372 kW，蒸发1 t水耗用蒸汽0.22 t。

表4 MVR+双效蒸发方案设备配置及报价Table 4 Equipment configuration and quotation of MVR and double-effect evaporation solution

4.4 三效蒸发技术方案

4.4.1 三效蒸发方案工艺流程

原料经进料泵、预热器A预热后，进入三效蒸发浓缩；三效浓缩液经三效循环泵进入二效蒸发器进行蒸发浓缩，浓缩后的料液经冷凝水预热器B预热后进入一效蒸发器蒸发浓缩；一效浓缩后的物料由一效循环泵输送至下一工序。

系统蒸汽走向：由蒸汽总管来的生蒸汽进入一效加热室作为蒸发热源，出来的冷凝水预热物料后返回锅炉房再利用；一效分离室出来的二次蒸汽进入二效加热室作为热源；同样，二效分离室的二次蒸汽进入三效加热室作为热源。三效分离室出来的二次蒸汽一部分预热物料；另一部分进入间接冷凝器，冷凝后进入冷凝水罐。二效加热室的冷凝水进入三效加热室，三效加热室出来的冷凝水收集在冷凝水罐中。

4.4.2 三效蒸发方案设备配置及报价

三效蒸发方案设备配置及报价见表5。

4.4.3 三效蒸发器方案主要参数

系统冷却水量为290.7 m3/h，装机功率为44 kW，蒸发1 t水耗用蒸汽0.45 t。

5 独居石碱液蒸发方案对比分析

以湖南地区为例，工业蒸汽价格为200元/t，工业电价为0.77元/(kW·h)，循环冷却水费用为0.4元/t。浓缩设备每日工作18 h，年工作330 d，年工作时数为5 940 h。根据厂家使用经验，MVR配备的离心压缩机使用年限约为5年，考虑在10年中更新一次离心压缩机，费用为130万元。其他设备折旧年限为10年，对3个技术方案进行经济比较，测算每个方案的年运行成本和设备折旧费，见表6。

表5 三效蒸发方案设备配置及报价Table 5 Equipment configuration and quotation for three-effect evaporation scheme

表6 3种蒸发浓缩方案经济性对比Table 6 Economic comparison of the three evaporation concentration solutions

从表6可看出，MVR+双效蒸发方案年总成本最低。在设备投资方面，MVR+双效蒸发方案的设备投资虽然比双效蒸发方案高195.0万元，比三效蒸发方案高139.7万元；但MVR+双效蒸发方案的运行成本最低，系统运行1年即可收回增加的设备投资。所以MVR+双效蒸发方案是3个方案中的最优方案。

6 结论

针对独居石碱液蒸发浓缩设备，双效蒸发、MVR+双效蒸发、三效蒸发方案的蒸汽耗量分别为0.69、0.22、0.45 t/t。MVR+双效蒸发方案的蒸汽耗量最低。

MVR+双效蒸发方案年总成本(运行成本+设备折旧)最低，其设备投资最高，系统运行1年所节省的费用即可收回增加的设备投资。推荐独居石碱液浓缩采用MVR+双效蒸发技术方案。