氧化铝蒸发工序能耗分析及节能措施

毛 鹏

(中铝山东工程技术有限公司， 山东 淄博 255052)

0 前言

在氧化铝生产过程中，母液蒸发是一个十分重要的工序。目前，从国内氧化铝生产的蒸汽消耗来看，蒸发工序大约占总汽耗的40%～50%[1]。蒸发效率的高低，直接影响氧化铝能耗和成本，因此，提高蒸发效率，对氧化铝生产的节能降耗具有重大意义。某铝业公司在氧化铝生产中，蒸汽费用约占能源成本的53%[2]，本文通过热能损失分析工具对氧化铝蒸发工序进行热能分析，可以清晰地发现蒸发工序的热能浪费点，根据浪费点制定有效措施，可提高蒸发效率，降低氧化铝生产成本。

1 蒸发器的工作原理及分类

1.1 蒸发原理

蒸发是一个十分复杂的过程，蒸发器的蒸发能力受设备内压力、温度、蒸汽和溶液流动状态以及整个体系传热系数等许多因素的影响。蒸发器的蒸发过程作为一种热能传递过程，生产能力可用传热方程式[3]来表示：

Q=KFΔt

(1)

式中：Q——单位时间的传热量，kJ/h;

F——传热面积，m2；

K——传热系数，kJ/(m2·h·℃)；

Δt——有效温差，℃。

由式(1)可知，传热量Q与传热系数K、传热面积F以及有效温差Δt成正比。

液体的蒸发属于相变过程，在蒸发时，影响相变过程的主要因素是传热速度，传热速度愈快，相变过程就愈剧烈[4-5]。在以水蒸汽间接加热的蒸发过程中，汽化所生成的蒸汽若不及时排除，蒸发作业就无法进行。因此，要想使蒸发过程不断进行，就必须不断地供给热能，且要将生成的蒸汽不断排除。

1.2 蒸发器分类

蒸发器有多种分类方法：按照溶液循环的方式，分为强制循环蒸发器和自然循环蒸发器；按蒸发器内部压力的不同，分为常压蒸发器和减压蒸发器；根据蒸发装置的级数，分为单级蒸发器和多级蒸发器；根据液膜形式的方向，分为降膜蒸发器和升膜蒸发器；按照二次蒸汽利用情况，可分为单效蒸发器和多效蒸发器；以及闪速蒸发器。

2 蒸发在氧化铝生产中的应用

母液蒸发是氧化铝生产过程中必不可少的一个重要工序[6]，烧结法的碳分母液和拜耳法的种分母液都需要蒸发。

2.1 蒸发在氧化铝生产中的主要作用

在氧化铝生产过程中，蒸发的作用是多方面的，主要作用如下：

1)平衡流程中多余的水分，保持液量平衡。

2)将分解母液蒸浓到符合烧结法配置生料浆或拜耳法溶出铝土矿的浓度要求。

3)结晶析出拜耳法母液中的部分盐类，达到除杂的目的，确保氧化铝生产的正常进行。

2.2 管式降膜蒸发器

氧化铝生产中的蒸发器一般都是采用蒸汽间接加热，而加热蒸汽的冷凝水可返回电厂供锅炉使用。目前，氧化铝生产中普遍采用多效管式降膜与闪速自蒸发器组来实现母液蒸发。

2.2.1 工作原理

管式降膜蒸发器主要由加热蒸发室、分配盘、汽液分离室、除雾器、循环管等部分构成，加热元件是由一组列管组成的。在进行蒸发时，位于加热蒸发室上部的分配盘会将母液均匀分布在加热管内，在重力和真空诱导及气流作用下，成均匀膜状自上而下流动。流动过程中，母液中的水分被加热汽化，产生的蒸汽与液相共同进入蒸发器的分离室，汽液经充分分离，二次蒸汽进入下一效蒸发作为加热介质，从而实现多效蒸发[7]。管式降膜蒸发器工作原理如图1所示。

图1 管式降膜蒸发器的工作原理

2.2.2 稳定蒸发的条件

管式降膜蒸发器只有在整个传热面上形成稳定的液膜时，才能有效地稳定受热蒸发，因此，稳定蒸发操作必须具备两个基本控制条件，即降膜密度和热负荷。在降膜蒸发过程中，热负荷超过一定的极限数值时，液膜就将发生剧烈沸腾汽化，产生大量泡沫的溅滴，液膜受到破坏，蒸发过程会出现不稳定状态。因此，稳定控制加热蒸汽的压力、流量及温度对降膜蒸发器的稳定操作是非常重要的。

3 氧化铝蒸发热能利用及损失分析

3.1 蒸发工艺流程

某铝业公司采用低温拜耳法生产氧化铝，蒸发工序主要采用六效管式降膜蒸发及四级闪速自蒸发技术，其工艺流程如图2所示。铝酸钠溶液晶种分解后产生的种分母液，先通过精液降温降板式换热器提高温度，送入蒸发原液槽。蒸发时，种分母液依次流入六效管式降膜蒸发器与蒸汽进行换热，其中母液依次从Ⅵ效至Ⅰ效，蒸汽依次从Ⅰ效至Ⅵ效间接换热，换热后的母液再通过1-4级闪蒸罐自蒸发，生成蒸发母液，而新蒸汽冷凝水及蒸发出的水分，送电厂或其它工序使用。

图2 六效四闪管式降膜蒸发器工艺流程

3.2 运营损失和负载损失

图4 六效四闪管式降膜蒸发器能耗桥(单位：MJ/t-水)

通过收集六效四闪管式降膜蒸发过程工艺数据，运用热能损失分析工具，分析蒸发工序热能利用的改进潜力，降低热能损失，提高蒸发效率。应用负载曲线可判断蒸发过程中的运营损失和负载损失比例。采用负载曲线对收集的3个月的班蒸水量(每班8 h)与汽水比进行分析，如图3所示。

图3 六效四闪管式降膜蒸发器负载曲线

由图3可知，蒸发器最佳蒸水量为920 m3/班，最佳汽水比为0.265，负载损失为0.81%，运营损失为13.03%，运营损失相对较大。因此，降低运营损失是提高蒸发器能源效率的主要方向。

3.3 运营损失与设计损失的差距

蒸发过程中，种分母液依次通过六效蒸发器，与蒸汽进行逆流间接换热，再通过四级闪蒸罐闪蒸，将母液蒸发到规定浓度。蒸发器运行时，新蒸汽经过减温减压，温度和压力变为0.5 MPa、160 ℃，带入热量为857 MJ；种分母液进料温度约66 ℃，带入热量1 359 MJ。根据数据测量及热平衡计算，能耗桥分析结果如图4所示。

由图4可知，蒸发器运行为最佳状态时，热耗为1 909 MJ，而目前运行过程中输入的热量为2 216 MJ，热耗比最佳运行状态多307 MJ。热耗高的主要原因是蒸发母液、蒸发新汽冷凝水、二次汽冷凝水、乏汽带走热量多以及其他损失(主要是散热损失)大。蒸发母液、蒸发凝水、乏汽等带走热量多主要是由于蒸发进料不稳定、种分母液温度低、闪蒸效果差、真空度低、结疤未及时清理等原因造成的，其他损失大主要是由于设备和管道保温缺失以及保温效果差。

3.4 设备综合效率分析

通过对某铝业公司的六效四闪管式降膜蒸发器设备运行时间、计划停车时间、非计划停车时间、蒸水量、蒸发母液合格数等数据进行收集，计算蒸发器的综合效率(OEE)，如图5所示。

图5 六效四闪管式降膜蒸发器OEE

由图5可知，蒸发器OEE为76.4%，蒸发器性能损失较大，主要是由于蒸发器实际蒸水量比设计值低、蒸发进料不稳定、设备效率低等问题造成蒸发过程中蒸汽用量大。

4 节能措施和节能效果

针对蒸发器存在的问题制定节能措施，消除蒸发系统的缺陷，进而提高蒸发器能源效率。

4.1 节能措施

4.1.1 改造蒸发器进料方式

将蒸发器逆流进料方式改为Ⅳ效进料混流流程。Ⅳ效进料混流工艺技术应用，降低了六效管式降膜四级闪蒸蒸发器Ⅰ效结垢快的风险，解决了末效热能不能充分利用、进料不稳定等问题，同时，因减少了2台过料泵，对降低蒸发电耗起到了较好的作用。

4.1.2 提高真空度

针对真空度低的问题进一步分析，主要原因是循环水量小及降温能力不足。因此，通过更换循环水泵，将循环水量由1 500 m3/h增加至1 800 m3/h，同时对闲置的凉水塔进行流程改造，提高循环水降温能力。通过诊断和完善，蒸发器末效液室出口真空度由原来的-0.079 MPa改善至-0.084 MPa。

4.1.3 减少系统散热损失

经诊断和排查发现，蒸发器系统保温缺失或保温效果差的主要原因是各效的循环泵、过料泵进出口、新汽及乏汽闪蒸罐联接管道、新蒸汽减温减压前部分管道等保温缺失，以及各效布料室、液室、直接预热、闪蒸罐入孔门等未保温或保温效果差。

对保温缺失、未保温或保温效果差的设备、管道等，进行重新保温，减少温度降及散热损失。同时，加强生产管理，当保温缺失时，立即补缺，尽可能减少散热损失。

4.1.4 提高蒸发原液温度

因蒸发原液(即种分母液)温度较低，通常需要与铝酸钠溶液进行热交换，在降低铝酸钠溶液温度的同时，提高原液温度。原流程为蒸发原液与铝酸钠溶液只进行一级降温。通过热平衡计算和分析，蒸发原液可通过部分中降与种分分解浆液先进行一级降温，然后再通过精降与铝酸钠溶液进行二级降温，可充分利用分解热能，实现蒸发原液温度的提高。通过对精降、中降换热器流程进行改造，蒸发原液与铝酸钠溶液经过两级换热，温度有了明显提高。

4.1.5 优化酸洗流程减少结疤影响

针对母液蒸发过程的结疤问题，要定期对蒸发器进行酸洗。要严格按照酸洗流程进行酸洗，避免酸洗不到位，结疤清洗不彻底；同时也要防止酸洗不当，影响蒸发器寿命。结合实际情况，为减少闪蒸罐夹层结疤程度，增加1台Φ 6 m×5 m配酸槽，单独配酸，确保酸洗效果。

4.1.6 进一步提高蒸发器OEE

针对蒸发器性能损失较大的问题，首先要稳定蒸发原液进料量，减少生水进入生产流程，稳步提高蒸发原液温度；其次要定期对蒸发器进行酸洗，减少结疤对蒸发器换热效率的影响，提高蒸发效能；同时，稳步提高蒸发进料量，降低速度损失，提高蒸发器性能指数。

4.2 节能效果

通过热能损失分析工具，对某铝业公司蒸发器进行能耗分析，有针对性地制定节能措施并实施，蒸发汽耗由改进前的0.71 t/t-Ao，降低到0.68 t/t-Ao。按氧化铝产量180万t/a、蒸汽价格110元/t计算，则年节约蒸汽费用为(0.71-0.68)×110×180=594万元;改造及清理检修费用约168万元，则年综合效益为426万元。

5 结束语

在工业生产中，蒸发是较为常见而又比较复杂的生产过程，降低蒸发汽耗是降低生产成本的有效途径之一。实践证明，应用负载曲线、能耗桥、设备OEE等能耗分析工具，通过对氧化铝蒸发器进行热能利用和损失分析，找到了节能方法和改进方向，有效地实现了节能降耗，可在不同行业的生产过程中推广应用能耗分析方法。