降低管式降膜蒸發(fā)器汽耗的探討與應(yīng)用

□陳 昕

降低管式降膜蒸發(fā)器汽耗的探討與應(yīng)用

□陳 昕

降低生產(chǎn)能耗是所有生產(chǎn)企業(yè)的共同追求。中鋁山東分公司第二氧化鋁廠所選用的管式降膜蒸發(fā)器在運行數(shù)年后汽耗逐步攀升，影響到了企業(yè)的經(jīng)濟運行。通過對該蒸發(fā)器的現(xiàn)場調(diào)研取證，從蒸發(fā)器管壁結(jié)疤、降膜密度、系統(tǒng)真空度、儀表精度等方面分析了導(dǎo)致蒸發(fā)器汽耗上升的原因，并有針對性地實施了清理蒸發(fā)器加熱管、穩(wěn)定降膜密度、調(diào)解循環(huán)水溫度、提高儀表精度等改進措施，經(jīng)過幾個月的改進，該蒸發(fā)器的汽耗得到了顯著降低，并為今后進一步降低生產(chǎn)能耗提供了指導(dǎo)。

有色金屬冶金；氧化鋁生產(chǎn)；管式降膜蒸發(fā)器；汽耗

一、前言

管式降膜蒸發(fā)器具有造價低、熱效率高、清洗方便、蒸發(fā)性能優(yōu)良等優(yōu)點，目前廣泛應(yīng)用于氧化鋁制取等行業(yè)，是除去氧化鋁生產(chǎn)流程中多余水分、實現(xiàn)循環(huán)母液濃縮的關(guān)鍵設(shè)備。

管式降膜蒸發(fā)器的工作原理是：進入蒸發(fā)器的蒸發(fā)原液，通過循環(huán)泵和布料器均勻地被分布到每條加熱管的內(nèi)壁上，并在重力以及氣流的作用下呈膜狀下降，加熱管的熱源是新蒸汽或者上一效的二次蒸汽，溶液受熱沸騰蒸發(fā)；汽液兩相混合物經(jīng)過分離后，氣體作為二次蒸汽經(jīng)過霧沫分離器出口排出送往下一效作為下一效的熱源，而溶液則一部分通過循環(huán)泵返回到本效布料器進行循環(huán)蒸發(fā)，另一部分送往上一效在更高的壓力環(huán)境下進行更進一步的濃縮；從末效到一效經(jīng)過多級加壓蒸發(fā)完畢的溶液再送入到閃蒸罐中進行降壓和自蒸發(fā)，經(jīng)過多級閃蒸之后，最終得到濃縮的蒸發(fā)母液。

在氧化鋁市場競爭激烈的今天，進一步降低成本、增加效益是企業(yè)在市場中立足的關(guān)鍵。而在拜耳法氧化鋁生產(chǎn)中，蒸發(fā)器的各項能耗約占總能耗的30%左右，因此，降低蒸發(fā)器的汽耗是氧化鋁生產(chǎn)企業(yè)降本增效的重要途徑。

二、現(xiàn)狀說明

中鋁山東分公司第二氧化鋁廠（南線）是國內(nèi)較早選用管式降膜蒸發(fā)器作為蒸發(fā)設(shè)備的氧化鋁生產(chǎn)企業(yè)。目前，該廠擁有兩組管式降膜蒸發(fā)器，其中具備六效四閃流程的A組蒸發(fā)器，已經(jīng)運行多年，多項影響正常運行的不利因素逐漸顯現(xiàn)，蒸發(fā)器汽耗呈上升趨勢。2009年，A組蒸發(fā)器汽耗達到0.270 t汽/t水，已經(jīng)難以滿足當(dāng)前的生產(chǎn)需求。

為降低生產(chǎn)成本，增加企業(yè)效益，必須找出蒸發(fā)器汽耗高的原因，并實施相應(yīng)的改進措施。

表1 A組蒸發(fā)器年平均汽耗變化（改進前）

三、原因分析

1.加熱管結(jié)疤嚴重，影響熱交換

蒸發(fā)原液中含有碳酸根離子以及氫氧化鋁浮游物等雜質(zhì)，在蒸發(fā)過程中，伴隨著原液水份的蒸發(fā)，原液體積濃縮，碳酸鹽以微小的結(jié)晶顆粒析出，析出的碳酸鹽結(jié)晶和氫氧化鋁浮游物會附著在管式降膜蒸發(fā)器加熱管的管壁上，形成結(jié)疤，結(jié)疤嚴重的甚至?xí)氯訜峁埽瑖乐赜绊懻羝臀锪现g的熱交換。

A組蒸發(fā)器經(jīng)過計劃性酸洗之后，傳熱效果改善并不理想，蒸發(fā)效率仍然較低；經(jīng)打開蒸發(fā)器各效人孔進行檢查，發(fā)現(xiàn)各效加熱管管壁均有不同程度的結(jié)疤，特別是工作溫度和壓力較高的I效、II效結(jié)疤較為嚴重，定期的計劃性酸洗無法清除厚實的結(jié)疤層，蒸發(fā)器的傳熱受到嚴重影響，導(dǎo)致了A組蒸發(fā)器汽耗高、效率低。

2.各效降膜密度不均勻，影響加熱效率

蒸發(fā)器穩(wěn)定運行的一個重要條件就是控制好降膜密度。蒸發(fā)原液在加熱管中自上而下沿管內(nèi)壁成膜狀下降，并與管壁外層的蒸汽進行熱交換，降膜密度即加熱管內(nèi)單位周長單位時間流過的液量（kg/m·s），該數(shù)值過小容易引起管內(nèi)液膜破裂，造成“干壁”情況，加熱管干蒸，導(dǎo)致熱量的浪費甚至設(shè)備損壞；降膜密度過大又會降低傳熱率，蒸水量隨之受到影響。

經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，A組蒸發(fā)器各效循環(huán)泵、過料泵運行波動較大，循環(huán)流量不穩(wěn)定，分配給各效的過料量也不均衡，導(dǎo)致各效的降膜密度時高、時低，嚴重影響了A組蒸發(fā)器的蒸發(fā)效果，導(dǎo)致汽耗上升。

3.蒸發(fā)循環(huán)水水溫偏高，影響蒸發(fā)系統(tǒng)真空度

蒸發(fā)器運行過程中，蒸發(fā)循環(huán)水起著重要的作用。在大氣冷凝器中，蒸發(fā)循環(huán)水對末效產(chǎn)生的二次蒸汽進行吸收，從而提高末效的真空度，使蒸發(fā)器各效之間產(chǎn)生合理的壓力梯度，實現(xiàn)各效的蒸發(fā)，將熱量充分利用。

經(jīng)檢查對比發(fā)現(xiàn)，A組蒸發(fā)器的循環(huán)水水溫偏高，特別是自然溫度較高的夏季，水溫偏高更加明顯。循環(huán)水水溫上升導(dǎo)致大氣冷凝器工作效率降低，系統(tǒng)真空度下降，A組蒸發(fā)器的蒸水量降低，汽耗上升。

4.監(jiān)控儀表數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，影響蒸發(fā)器穩(wěn)定操作

為穩(wěn)定蒸發(fā)器的操作和各項指標(biāo)，蒸發(fā)器運行各段的溫度、壓力、液位、流量等過程參數(shù)均有嚴格要求和控制范圍，而這些過程參數(shù)是通過各類儀表反饋給DCS控制系統(tǒng)和操作人員的。

A組蒸發(fā)器運行多年，長期日曬雨淋使部分設(shè)備線路、檢測儀表出現(xiàn)老化現(xiàn)象，部分儀表反饋的液位、壓力、流量、溫度等信息不準(zhǔn)確、波動大，同時與儀表數(shù)值連鎖的調(diào)頻設(shè)備、電動閥門等也受到相應(yīng)影響使波動變大。從而導(dǎo)致A組蒸發(fā)器難以維持穩(wěn)定操作，汽耗攀升。

四、改進措施

1.集中清理疏通加熱管，調(diào)整計劃性酸洗方案

處理A組蒸發(fā)器各效加熱管內(nèi)壁結(jié)疤的思路是：首先，集中清理已經(jīng)產(chǎn)生的結(jié)疤，疏通加熱管；其次，采取措施減緩今后運行中結(jié)疤的產(chǎn)生速度。

（1）集中清理加熱管。A組蒸發(fā)器各效（特別是I效和II效）加熱管內(nèi)壁結(jié)疤較厚，無法通過常規(guī)酸洗清理，經(jīng)過研究，決定采取高壓水槍來配合酸洗同步清理，提高清理疏通工作效率。首先，通過高壓水槍疏通處理結(jié)疤較為嚴重的加熱管，疏松加熱管內(nèi)壁結(jié)疤；然后，關(guān)閉各效人孔，單獨進行酸洗。配酸濃度與各效的酸洗時間受到嚴格控制，其中，清洗I、II效的酸液濃度配制為13%～18%，循環(huán)清洗時間為50min，然后轉(zhuǎn)入III、IV效酸洗，循環(huán)時間為40min，再轉(zhuǎn)入V、VI效酸洗，時間為30min。經(jīng)過一周的清洗作業(yè)，A組蒸發(fā)器各效結(jié)疤全部得到清理。

（2）調(diào)整計劃性酸洗方案。A組蒸發(fā)器各效中結(jié)疤最嚴重的是I效加熱管，而其他各效情況則相對較好，針對這個情況，決定對計劃性的酸洗作業(yè)進行調(diào)整：對A組蒸發(fā)器除定期的常規(guī)計劃性酸洗外，又增加了I效加熱管單獨酸洗，單獨酸洗安排在兩次常規(guī)酸洗周期之間，常規(guī)酸洗和單獨酸洗的間隔時間較原常規(guī)酸洗周期略短，而兩次常規(guī)酸洗的間隔時間則得到一定的延長。此舉不但有效減緩了I效加熱管的結(jié)疤情況，還延長了常規(guī)酸洗的周期，提高了A組蒸發(fā)器的運轉(zhuǎn)率。

（3）使用防結(jié)疤藥劑。在A組蒸發(fā)器的運行過程中加入適量的放結(jié)疤藥劑以減緩加熱管結(jié)疤的產(chǎn)生速度，提高傳熱效率，延長酸洗周期。

2.穩(wěn)定各效降膜密度，提高加熱效率

穩(wěn)定降膜密度的關(guān)鍵就是穩(wěn)定循環(huán)泵和過料泵的流量，并將循環(huán)泵的流量均勻地分布到每一個加熱管中。

（1）調(diào)整A組蒸發(fā)器各效循環(huán)泵、過料泵運行參數(shù)，穩(wěn)定各效過料量和循環(huán)流量，使各效分配到的過料量和其加熱管面積保持匹配，讓各效之間的溫差保持在11℃～14℃，各效液位也要穩(wěn)定在合適的范圍內(nèi)。

（2）清理A組蒸發(fā)器各效循環(huán)泵進口的結(jié)疤分離箱，避免結(jié)疤堵塞篦子或者堵塞葉輪造成循環(huán)泵流量不穩(wěn)定。

（3）清理A組蒸發(fā)各效的布料器并適當(dāng)擴大孔徑，保證各加熱管均衡布料，穩(wěn)定各加熱管的降膜密度。

3.調(diào)解蒸發(fā)循環(huán)水溫度，穩(wěn)定蒸發(fā)器系統(tǒng)壓力梯度

（1）檢修蒸發(fā)循環(huán)水冷卻塔風(fēng)機，在自然溫度較高時全部風(fēng)機能夠運轉(zhuǎn)；同時更換冷卻塔填料，提高冷卻塔的降溫效果，保證蒸發(fā)循環(huán)水上水溫度在38℃以下。

（2）制定循環(huán)水冷卻塔風(fēng)機開車方案，根據(jù)循環(huán)水溫度，調(diào)整冷卻水塔風(fēng)機運轉(zhuǎn)的臺數(shù)，夏季全部開啟，冬季可以少開或者停開，在確保循環(huán)水溫度穩(wěn)定的同時，降低電耗。

4.校正儀表反饋數(shù)據(jù)，實現(xiàn)穩(wěn)定操作

A組蒸發(fā)器用到的各類儀表較多且大多造價昂貴，全部更換成本較高，原則是盡量通過比對、校驗來校正儀表反饋數(shù)據(jù)，減少更換的臺數(shù)。

（1）對于部分已經(jīng)失靈的儀表進行更換；對于超出使用期限的儀表送往計量檢測部門進行檢驗。

（2）對于可以比對校正的儀表，如流量計、液位計等，通過和實際數(shù)值比對，校正儀表的反饋數(shù)據(jù)。

（3）其他難以使用常規(guī)手段校正的儀表，通過蒸發(fā)器內(nèi)物料與溫度、壓力的函數(shù)關(guān)系，以及新蒸汽流量、進料原液量等數(shù)據(jù)計算出應(yīng)反饋的數(shù)據(jù)范圍，從而對其進行校正。

（4）加強現(xiàn)場巡檢，注意蒸發(fā)器運行時現(xiàn)場數(shù)據(jù)與儀表反饋數(shù)據(jù)之間的差值，保證儀表數(shù)據(jù)的可靠和有效。

五、實施效果

1.汽耗變化

上述一系列改進措施，于2010年底全部完成。2011年上半年，A組蒸發(fā)器的汽耗成功地降低到0.26t汽/t水，與2009年A組蒸發(fā)器平均汽耗（0.27t汽/t水）相比降低了0.01t汽/t水，見表2。

表2 A組蒸發(fā)器年平均汽耗變化（改進后）

2.效益估算

（1）直接經(jīng)濟效益

按照A組蒸發(fā)器平均蒸水量150t/h，運轉(zhuǎn)率90%測算，改進后的A組蒸發(fā)器每年可以節(jié)約蒸汽費用為：

每噸水節(jié)汽×（蒸水量×24h×30天×12月×運轉(zhuǎn)率）×單價=0.01×（150×24×30×12×90%）×160= 186.62萬元

各項改進措施投資成本約70萬元，則該項目的經(jīng)濟效益為186.62－70=116.62萬元。

（2）間接經(jīng)濟效益

在蒸發(fā)汽耗得到降低的同時，A組蒸發(fā)器的工作效率也得到了提高，運行更加穩(wěn)定，檢修次數(shù)降低，壽命延長，崗位職工的勞動強度也得到了降低，間接經(jīng)濟效益亦十分明顯。

六、結(jié)束語

綜上，中鋁山東分公司第二氧化鋁廠通過對A組蒸發(fā)器實施的一系列改進措施，成功地降低了汽耗。對此，該廠應(yīng)充分總結(jié)工作經(jīng)驗，為生產(chǎn)流程中其他蒸發(fā)器、乃至其他能耗設(shè)備（如焙燒爐、管道化溶出器等）的降耗工作提供指導(dǎo)或思路。只有通過不斷的創(chuàng)新和改進，不斷降低生產(chǎn)成本，企業(yè)才能在激烈的市場中競爭中立于不敗之地。

[1]陳聰.氧化鋁生產(chǎn)設(shè)備[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2006.

（作者單位：中國鋁業(yè)山東分公司，山東淄博255000）

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1002-1779（2014）03-0039-03