管式降膜蒸發(fā)器在氧化鋁生產(chǎn)中的推廣應(yīng)用

王 哲

（中鋁山東工程技術(shù)有限公司，山東 淄博 255052）

蒸發(fā)是氧化鋁生產(chǎn)中極其重要工序，能耗占氧化鋁生產(chǎn)總能耗的20%～25%，汽耗占總汽耗的48%～52%。蒸發(fā)工序能耗的高低直接影響了氧化鋁成本和效益。

1 蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)比選

應(yīng)用于氧化鋁生產(chǎn)的蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)形式有標(biāo)準(zhǔn)式、強(qiáng)制循環(huán)式蒸發(fā)器、板式降膜蒸發(fā)器和管式降膜蒸發(fā)器。

標(biāo)準(zhǔn)式蒸發(fā)器加熱器為列管換熱器，且中心有一直徑較大的管子。加熱器置于蒸發(fā)器內(nèi)下部，淹埋在器內(nèi)溶液面以下，靠加熱產(chǎn)生的密度差，溶液自然循環(huán)流動(dòng)進(jìn)行加熱與蒸發(fā)。工藝配置為一般為3效加1級(jí)閃蒸逆流流程，蒸水汽耗0.5t汽/t水。主要優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作可靠、投資少；缺點(diǎn)是蒸水汽耗高、清理和檢修較麻煩。

強(qiáng)制循環(huán)式蒸發(fā)器通過(guò)軸流泵加快了溶液在蒸發(fā)器內(nèi)的循環(huán)次數(shù)，使其換熱效果顯著提高。配置一般為3效加1級(jí)閃蒸逆流流程，蒸水汽耗0.45t汽/t水。強(qiáng)制循環(huán)式蒸發(fā)器的主要優(yōu)點(diǎn)是延長(zhǎng)了清理周期，缺點(diǎn)也是蒸水汽耗比較高，清理和檢修比較麻煩。

板式降膜蒸發(fā)器在國(guó)內(nèi)造紙行業(yè)應(yīng)用比較成熟，加熱器用2毫米的不銹鋼壓制焊接而成，置于蒸發(fā)器內(nèi)上部。蒸水汽耗一般在0.25～0.3t汽/t水。運(yùn)行中一效板式加熱器發(fā)生堿淬破裂問(wèn)題，不能高壓運(yùn)行，鋁行業(yè)已經(jīng)淘汰板式降膜蒸發(fā)在氧化鋁生產(chǎn)中應(yīng)用。

管式降膜蒸發(fā)器引進(jìn)國(guó)外設(shè)備，蒸發(fā)效果較好。管式降膜蒸發(fā)器的原理與板式降膜蒸發(fā)器相同，不同之處是加熱器為列管式換熱器。采用管式降膜蒸發(fā)器技術(shù)用于氧化鋁堿液蒸發(fā)，最突出優(yōu)點(diǎn)是既保持了“降膜蒸發(fā)”工藝性能特點(diǎn)，又發(fā)揮了“管式降膜”使用可靠的機(jī)械性能特長(zhǎng)。高壓運(yùn)行安全，可實(shí)施6效以上組合流程，蒸水汽耗運(yùn)行指標(biāo)更優(yōu)越。

2 管式降膜蒸發(fā)器的特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)分析

2.1 蒸發(fā)器特點(diǎn)

（1）降膜蒸發(fā)器是靠布膜器使溶液均勻的沿著加熱室表面以膜狀從上向下垂直流動(dòng)，薄膜在流動(dòng)過(guò)程中被加熱、汽化、流至分離室中，進(jìn)行溶液與二次蒸汽分離。“降膜”特點(diǎn)是液體沒(méi)有靜壓引起的有效溫差損失，有效溫差高，可達(dá)70C～90C；膜的下降速度可達(dá)6～20m/s，傳熱系數(shù)為自然循環(huán)蒸發(fā)器的1.6～2.0倍，可以實(shí)現(xiàn)5-7效作業(yè)。

（2）發(fā)揮“管式降膜”使用可靠特長(zhǎng)。既保持了“降膜蒸發(fā)”工藝性能特點(diǎn)，又發(fā)揮了“管式降膜”使用可靠的機(jī)械性能特長(zhǎng)。

（3）管式降膜蒸發(fā)器應(yīng)用關(guān)鍵部位特點(diǎn)。分配器為三級(jí)分配結(jié)構(gòu)，確保了布膜均勻，又兼顧小顆粒不堵塞分配器。除沫器是保證二次蒸汽冷凝水含堿指標(biāo)的重要部件，選用倒錐體和折流板組合結(jié)構(gòu)，設(shè)置多個(gè)通道以確保二次蒸汽指標(biāo)。分離室，借鑒國(guó)外經(jīng)驗(yàn)選擇容器內(nèi)設(shè)置夾層結(jié)構(gòu)，將經(jīng)過(guò)蒸發(fā)室加熱的含有大量氣報(bào)泡的堿液，使其最大量的氣液分離。

2.2 結(jié)構(gòu)分析

2.2.1 以KESTNER為代表的一體式（圖略）

（1）結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。一體式管式降膜蒸發(fā)器加熱室下部筒體3.4m～4.4m插入分離室而形成一體。

（2）分離室內(nèi)液面泡沫及二次蒸汽帯堿問(wèn)題。加熱室出口距分離室液面高度約2m～2.5m，分離室液面由于溶液中含有的有機(jī)物而形成厚厚的泡沫層，加熱室出口噴出的溶液和二次蒸汽流速高達(dá)20m/s以上，在這樣高速噴射出的溶液、蒸汽的沖擊下，泡沫幾乎無(wú)法存在，從溶液表面逸出的二次蒸汽再經(jīng)高效除沫器后，潔凈度很高，即二次蒸汽帯堿的情況很低，二次水的潔凈度好。

加熱室下部筒體3.4m～4.4m插入分離室，因而易受到高溫、高堿濃度的堿蒸汽對(duì)筒體材質(zhì)的應(yīng)力腐蝕，使I效筒體及下管板焊縫易出現(xiàn)裂紋、泄漏。

（3）熱損失問(wèn)題。一體式結(jié)構(gòu)緊湊，由設(shè)備結(jié)構(gòu)而造成的熱損失在熱平衡計(jì)算中幾乎可以不考慮.。

（4）占地面積。一體式蒸發(fā)器的占地面積就是分離室，雖然占地面積少，但整體設(shè)備荷載大，一體式結(jié)構(gòu)蒸發(fā)器的基建投資較高。

（5）設(shè)備高度。一體式的蒸發(fā)器其安裝高度比同規(guī)格的分體式高度高出0.8～1.0m。選擇循環(huán)泵的揚(yáng)程高，蒸發(fā)系統(tǒng)運(yùn)行成本高。

（6）設(shè)備重量。每臺(tái)蒸發(fā)器的重量就是加熱室與分離室的重量。

2.2.2 以SULZER為代表的分體式（圖略）

（1）結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。加熱室與分離室分體并列，加熱室下部增設(shè)一“集液室”以緩沖從加熱室流下的溶液和二次蒸汽，集液室和分離室之間用一根管道連通。加大了二次蒸汽流通截面，并在加熱室下管板處設(shè)置檢修人孔，便于檢修。

（2）分離室內(nèi)液面泡沫及二次蒸汽帯堿問(wèn)題。分離室液面由于溶液中含有的有機(jī)物而形成的泡沫層，由于分體式的結(jié)構(gòu)，此泡沫層無(wú)法被完全破壞，二次蒸汽從液面逸出時(shí)必然攜帶這些泡沫，可采用高效除沫器使二次汽與泡沫分離干凈，避免二次蒸汽帯堿。

（3）熱損失問(wèn)題。分體式結(jié)構(gòu)決定了由設(shè)備結(jié)構(gòu)而造成的熱損失比一體式大，在熱平衡計(jì)算中每效的熱損失考慮0.5℃左右，蒸發(fā)效率略低于一體式結(jié)構(gòu)的蒸發(fā)器。

（4）占地面積。分體式結(jié)構(gòu)決定了每臺(tái)蒸發(fā)器占地面積是一體式的2倍，但是拆分了蒸發(fā)器的設(shè)備載荷，基建投資比一體式結(jié)構(gòu)蒸發(fā)器要低。

（5）設(shè)備高度。分體式蒸發(fā)器的加熱室和分離室分體布置，降低了裝置的整體高度，相同規(guī)格的分體式蒸發(fā)器比一體式蒸發(fā)器高度低約0.8m～1.0m。循環(huán)泵揚(yáng)程降低，蒸發(fā)系統(tǒng)運(yùn)行成本低。

（6）設(shè)備重量。每臺(tái)同樣規(guī)格蒸發(fā)器的重量與一體式相比，要增加一臺(tái)集液室和連通管以及分離室頂部封蓋的重量，同樣規(guī)格的設(shè)備，其造價(jià)略高于一體式。

2.2.3 一體式蒸發(fā)器與分體式蒸發(fā)器的特點(diǎn)對(duì)比

經(jīng)對(duì)比可知，使用一體式和分體式蒸發(fā)器各有利弊，但對(duì)于老企業(yè),由于廠區(qū)管道多、現(xiàn)場(chǎng)擁擠，吊裝安裝設(shè)備分體式蒸發(fā)器更有優(yōu)勢(shì)。

3 第二氧化鋁廠七效分體式蒸發(fā)器組

2016年10月，公司新上4萬(wàn)噸/年微粉生產(chǎn)線，需進(jìn)行微粉洗母液蒸發(fā)，蒸發(fā)得到合格蒸發(fā)母液，返回作為氫鋁重溶調(diào)配液使用。決定拆除閑置的板式降膜蒸發(fā)器，利用原有廠房框架，新建蒸發(fā)站設(shè)計(jì)蒸水能力100噸/h，七效總加熱面積7000m2。

由于利用原有廠房框架，廠房基礎(chǔ)不能承受一體式蒸發(fā)器的設(shè)備事故載荷，所有采用分體式蒸發(fā)器，也是中鋁山東有限公司第一次使用管式降膜蒸發(fā)器分體式結(jié)構(gòu)。

蒸發(fā)工藝流程采用七效四閃全逆流蒸發(fā)流程（流程示意圖略）。

3.1 流程簡(jiǎn)介

堿液走向：原液進(jìn)入蒸發(fā)站總流量約183.6m3/h。其中50%原液進(jìn)入VII效，VII效二次蒸汽進(jìn)入直接接觸水冷器用循環(huán)冷卻水吸收。VII效出料溶液與另外50%原液都進(jìn)入VI效，經(jīng)VI效蒸發(fā)，然后依次經(jīng)過(guò)V效→IV效→III效→II效→I效→第一級(jí)自蒸發(fā)→第二級(jí)自蒸發(fā)→第三級(jí)自蒸發(fā)→第四級(jí)自蒸發(fā)；從第四級(jí)自蒸發(fā)出料的溶液86.4m3/h，進(jìn)入母液泵作為蒸發(fā)母液由母液泵送出蒸發(fā)站。

蒸汽走向：新蒸汽進(jìn)入I效蒸發(fā)器，I效蒸發(fā)器乏汽進(jìn)II效蒸發(fā)器，II效蒸發(fā)器乏汽進(jìn)III效，III效蒸發(fā)器乏汽進(jìn)IV效，以此類推，VII效蒸發(fā)器乏汽經(jīng)大氣冷凝器進(jìn)入真空泵，1閃產(chǎn)生的乏汽進(jìn)入I效直接預(yù)熱器，2閃、3閃、4閃產(chǎn)生的乏汽分別進(jìn)入II效、III效、IV、V效蒸發(fā)器的分離室；I效、II效直接預(yù)熱器的蒸汽來(lái)自本效蒸發(fā)器；冷凝水自蒸發(fā)產(chǎn)生的乏汽也進(jìn)入蒸發(fā)器余熱利用。

冷凝水利用：新蒸汽產(chǎn)生的新氣冷凝水經(jīng)2級(jí)串聯(lián)自蒸發(fā)回收熱量后經(jīng)泵送至冷凝水檢測(cè)站；二次蒸汽產(chǎn)生的冷凝水經(jīng)1級(jí)自蒸發(fā)回收熱量后經(jīng)泵送至冷凝水檢測(cè)站。

3.2 100噸/h七效蒸發(fā)器設(shè)計(jì)主要技術(shù)指標(biāo)

蒸發(fā)原液的流量為150～200m3/h，溫度約為55℃～60℃，NaOk濃度約78g/l；蒸發(fā)母液溫度約93℃，Nk約166g/l；進(jìn)蒸發(fā)站蒸汽壓力約0.50Mpa（絕壓），進(jìn)I效蒸汽溫度152℃（飽和），過(guò)熱小于等于10℃，新蒸汽消耗小于等于20噸/h；新蒸汽冷凝水量13～15噸/h，新蒸汽冷凝水溫度96.5℃，二次蒸汽冷凝水量80～100噸/h，二次蒸汽冷凝水溫度約68℃；循環(huán)冷卻水的進(jìn)冷卻水溫度為35℃，出冷卻水溫度為48℃，流量350噸/h；設(shè)計(jì)蒸發(fā)量大于等于100噸/h，平均蒸發(fā)強(qiáng)度14.3kg/m2·h蒸發(fā)汽水比小于等于0.20噸·汽/噸·水。

4 運(yùn)行情況及經(jīng)濟(jì)效益分析

100t/h蒸發(fā)站臺(tái)于2017年2月投入運(yùn)行,蒸水能力達(dá)到100t/h,蒸汽消耗平均為0.20t/t水,運(yùn)轉(zhuǎn)率93%。與改造前的老一組蒸發(fā)站蒸水能力75t/h、蒸汽消耗0.32t/t水，運(yùn)轉(zhuǎn)率85%相比，年節(jié)約蒸汽7.82萬(wàn)噸，年節(jié)汽價(jià)值約852萬(wàn)元。

新一組蒸發(fā)站項(xiàng)目是利用原有廠房進(jìn)行改造,主要費(fèi)用是設(shè)備費(fèi)和安裝費(fèi)；若異地新建該規(guī)模的蒸發(fā)站初步估算約2900萬(wàn)元，利用原有廠房、采用新技術(shù)設(shè)備可節(jié)約建設(shè)投資430萬(wàn)元。

5 結(jié)論

總體工藝技術(shù)穩(wěn)妥可靠，能夠達(dá)到降低汽耗和提高裝備水平的目的。采用管式降膜蒸發(fā)器分體式結(jié)構(gòu)利用原有廠房，對(duì)老企業(yè)利舊廠房改造，提高資產(chǎn)利用率有一定積極意義。