赤泥浆液长距离管道输送的换热研究及应用

田 侣，孔莲莲

(中铝国际贵阳铝镁设计研究院有限公司，贵州 贵阳 550081)

0 引 言

近几年，国内新建氧化铝厂为满足环保等要求，通常将赤泥堆场选址在距离氧化铝厂区较远的区域，赤泥压滤车间建设在赤泥堆场附近。因此赤泥沉降分离及洗涤车间或赤泥泵房送出的赤泥浆液需经过较长距离才能到达赤泥压滤车间。选择管道输送时，赤泥输送管线上的主要物料有3项：①从氧化铝厂区到赤泥堆场的赤泥浆液；②从赤泥堆场附近压滤车间返回的滤液；③从堆场返回的场坝回水。

这3种物料中场坝回水是室温物料，输送管道不需要保温。赤泥浆液输送管道若没有进行保温，经长距离输送后，热量在输送过程中大量散失，甚至可能在到达赤泥压滤车间时赤泥浆液温度已降至环境温度，返回的滤液温度也与环境温度相同，不需保温。赤泥浆液输送管道若进行保温，返回的滤液温度相对较高，具体温度与输送距离及保温材料有关。若返回滤液管道也进行保温，那么返回热水站车间时，将其加热至洗水温度所需的热量较少；若返回滤液管道不保温，则将其加热至洗水温度所需的热量较多。但在进行赤泥浆液长距离管道输送时，因氧化铝厂区和赤泥堆场距离远，赤泥输送管线路由长，管道保温耗材量大，成本高昂。

1 换热需求的背景

为节约投资，当赤泥浆液长距离管道输送且厂址位于南方(管内物料在冬季不会冻结)时，为防止烫伤，需对管道进行保温，但因输送距离较远，在到达赤泥压滤车间后温度较低，从赤泥压滤返回的滤液温度也较低，甚至趋于室温。滤液返回热水站后，进入氧化铝生产系统作为赤泥洗水使用，因其温度低，为保证赤泥沉降分离洗涤效果，需对返回的滤液进行加热处理。传统流程通常选用新蒸汽作为加热媒介，也有通过将赤泥滤液加入末洗沉降槽进行提温[1]和利用稀释槽二次乏汽加热赤泥滤液的方法[2]。

综上所述，送去赤泥压滤车间的赤泥浆液热量流失而返回的滤液需加热。这2种物料一来一往，都位于氧化铝厂区与赤泥堆场之间的管架线路上，且都是连续物料，在空间上和时间上保持完美一致。因此，若将这2种物料进行换热，即可将赤泥浆液流失的热量进行部分回收，用于加热赤泥压滤的返回滤液，降低能耗，具体流程设计见图1。

图1 赤泥浆液与压滤滤液换热设计工艺图Fig.1 Process diagram illustrating the design of heat transfer between red mud slurry and pressure filtration filtrate

如图1所示，热侧介质为赤泥浆液，进料温度约为85 ℃，需冷却至≤50 ℃以防止烫伤；冷侧介质为压滤滤液，进料温度为室外温度。通过换热设备进行换热后，赤泥浆液温度降低去赤泥压滤车间，压滤滤液温度升高去热水站。

2 换热设备

2.1 换热设备的选择

氧化铝工业中常用的换热设备有板式换热器和套管换热器2种。常用板式换热器主要有宽流道板式换热器和螺旋板式换热器2种；常用套管换热器主要有单(多)套管换热器和列管式换热器2种。2种换热器的使用情况对比见表1。

表1 板式换热器及套管换热器使用情况比较[3-4]Tab.1 Comparison of plate heat exchangers and double-pipe heat exchanger usage[3-4]

如表1所示，当进行长距离输送时，赤泥浆液管道的压力较大(可达10 MPa)，且因含有固体颗粒磨损也较大，因此尽管板式换热器的占地小，传热系数高，价格更低廉，但板式换热器的设备结构不适用于赤泥浆液的换热。而套管换热器构造简单、能耐高压，传热面积的选择比较方便，双方的介质可作严格的逆流，有利于传热[5]，且不易堵塞，检修及清洗也较方便，更适用于赤泥浆液的换热。

2.2 换热流程的考虑

套管换热器有多种换热方式，如顺流，逆流，混流，或几种流态结合等，具体选择取决于介质特性和经济指标。赤泥浆液与压滤滤液换热设计中，赤泥浆液作为热介质位于内管，赤泥压滤滤液作为冷介质位于外管。外管冷介质底部进料，顶部出料，从而使热介质和冷介质充分换热。换热器可置于氧化铝厂区内管网支架上，尽可能靠近赤泥沉降车间和热水站车间，减少热量流失，也方便检修。

因传热系数小，当选用套管进行换热时，为增大传热面积，可选择多套管或列管式换热器。多套管换热器和列管式换热器示意见图2-4。

图2 多套管换热器组示意图Fig.2 Schematic diagram of multiple-tube heat exchangers

图3 三套管换热器截面设计示意图Fig.3 Cross-section design schematic diagram of three sets of tube heat exchangers

图4 列管式换热器示意图Fig.4 Schematic diagram of a tube-and-shell heat exchanger

多套管换热器和列管式换热器的使用情况比较见表2。

表2 多套管换热器与列管式换热器使用情况比较Tab.2 Comparison of multi-tube heat exchangers and tube-and-shell heat exchangers usage

由表2可知：赤泥浆液和压滤滤液的换热设备更适宜选择多套管换热器。

3 工业应用

以某氧化铝厂为例，进行管道换热计算。该氧化铝厂区年产110万t，距离赤泥堆场25 km，赤泥量为145 t/h，赤泥浆液固含35 %，温度85 ℃，浆液比热2.98 kJ/℃.kg，赤泥输送管线上管道无保温。沉降车间采用隔膜泵输送赤泥浆液，隔膜泵出口压力8.0 MPa。返回滤液103 t/h，温度35 ℃，滤液比热3.93 kJ/℃.kg，压力3.0 MPa。赤泥浆液与压滤滤液套管换热计算见下表3。

表3 赤泥浆液与压滤滤液的换热计算Tab.3 Calculation of heat exchange between red mud slurry and pressure filtration filtrate

如表3所示，返回滤液经换热后可提升约55 ℃，经计算，此换热可节省新蒸汽(180 ℃)消耗约7.74 t/h，蒸汽成本按93元/t计算可得，每年可节省约5 990万元。此时，赤泥浆液温度尚未降至防烫伤温度(≤ 50℃)，可继续与新水进行换热。

4 结 语

赤泥浆液长距离管道输送的换热设计是一种氧化铝厂赤泥浆液长距离输送中的热回收工艺的方法，将拜耳法氧化铝厂的赤泥输送管线上的赤泥浆液和赤泥压滤返回滤液进行套管换热，利用赤泥浆液和赤泥压滤返回滤液之间的温差，将赤泥浆液的热能回收利用。该设计取消了赤泥输送管线上赤泥浆液和压滤滤液管道的保温，通过2种流体间的换热，既延长了赤泥压滤车间压滤机滤布的使用寿命，又减少了蒸汽的使用量，流程简单、投入成本低，运行过程无任何能耗。