氧化鋁廠高溫溶出大型化設(shè)計選型

陳國華

（沈陽鋁鎂設(shè)計研究院有限公司，遼寧 沈陽 110001）

近幾年，氧化鋁生產(chǎn)的單線產(chǎn)能不斷提高，處理一水硬鋁石的高溫溶出裝置也成為單線產(chǎn)能的比照基準(zhǔn)。從上世紀(jì)90年代開始，高溫溶出單線規(guī)模從20萬噸到2016年百萬噸級的高溫拜耳法生產(chǎn)線成功運(yùn)行，行業(yè)內(nèi)一直關(guān)注和研究更大單線產(chǎn)能溶出裝備[1-4]。本文主要研究單線產(chǎn)能為120萬噸/年高溫溶出工序換熱套管及管道停留的比較，從設(shè)備投資、運(yùn)行阻力和占地等方面進(jìn)行對比分析，給新建氧化鋁廠提供參考。

1 比較基準(zhǔn)

以單條溶出生產(chǎn)線（料漿閃蒸為一組）120萬噸/年為基準(zhǔn)，溶出溫度為280℃，采用10級乏汽套管預(yù)熱、一級冷凝水預(yù)熱、一級新蒸汽加熱和管道停留、11級自蒸發(fā)的工藝技術(shù)和裝備，其中7～12級套管設(shè)計備用段，在預(yù)熱和加熱面積基本相同，反應(yīng)停留時間約為50min的基準(zhǔn)下進(jìn)行比較。自蒸發(fā)器采用一組相同規(guī)格的設(shè)備，本文不做比較。

2 設(shè)備投資比較

經(jīng)物料平衡計算，120萬噸/年的產(chǎn)能對應(yīng)溶出機(jī)組進(jìn)料量為1235m3/h，根據(jù)傳熱效果及生產(chǎn)實踐經(jīng)驗，套管換熱器全部采用3根內(nèi)管的形式，根據(jù)選取套管組數(shù)不同進(jìn)行三個方案比較。

①方案一：兩組套管及停留管，選擇3-φ219/φ630～φ660的套管，停留管規(guī)格φ610。②方案二：三組套管及停留管，選擇3-φ180/φ530～φ560的套管，停留管規(guī)格φ508。③方案三：四組套管及停留管，選擇3-φ159/φ480～φ508的套管，停留管規(guī)格φ457。

（1）設(shè)備壁厚的確定。上述三個方案的設(shè)備都為壓力容器，按照標(biāo)準(zhǔn)GB150.1～150.4 - 2011選擇計算軟件進(jìn)行計算，計算條件和計算結(jié)果見表1、表2。

表1 設(shè)備計算條件

*備注：礦漿管包括套管內(nèi)管和停留管，蒸汽管包括乏汽、新蒸汽冷凝水和新蒸汽套管的外管。

表2 設(shè)備選擇結(jié)果

*備注：管道規(guī)格為管道外徑與壁厚，如規(guī)格為φ219×12表示管道外徑為219mm，壁厚為12mm。

（2）換熱面積及套管長度的確定。根據(jù)物熱平衡計算，三個方案的換熱面積和換熱套管長度分別見表3和表4，其中套管的長度以外管計。

表3 換熱面積及停留時間

表4 設(shè)備長度選擇結(jié)果

（3）設(shè)備投資比較。根據(jù)上述的設(shè)備長度，對上述三個方案的設(shè)備重量及投資進(jìn)行比較，投資中包含設(shè)備安裝和防腐保溫的投資，比較結(jié)果見表5。

表5 設(shè)備投資比較

根據(jù)上述比較結(jié)果，在保證相同溶出效果的條件下，采用方案一(兩組套管)的工藝投資最高，方案二、方案三依次降低。

3 阻力對運(yùn)行影響

（1）阻力損失影響。套管換熱器和停留管的阻力損失主要是料漿與管道內(nèi)壁的摩擦產(chǎn)生的，阻力越大。對于流體在管道內(nèi)的阻力損失，一般根據(jù)范寧（Fanning）公式[5]進(jìn)行計算，在不考慮套管結(jié)疤的情況下，套管中阻力損失見表6。

表6 套管及停留管的阻力損失

（2）喂料泵電耗影響。由于三個方案中套管及停留管的阻力損失有所不同，三個方案溶出喂料泵的軸功率消耗如表7所示。

表7 喂料泵軸功率消耗

從表7的軸功率消耗結(jié)果可以看出，方案二所消耗的軸功率最大，方案一次之，方案三最小。

4 結(jié)疤對運(yùn)行的影響

（1）結(jié)疤對套管段的影響。套管預(yù)熱和段礦漿流速較大，結(jié)疤厚度一般較薄，本文討論不同結(jié)疤厚度對套管阻力損失的影響如表8所示。

表8 不同結(jié)疤厚度對套管阻力損失的影響

從表8看出，隨著結(jié)疤厚度的增加，方案一、方案二和方案三套管的阻力損失速率依次增大，這是因為管徑越小，結(jié)疤對流速影響越大，導(dǎo)致阻力損失越大。

（2）結(jié)疤對停留段的影響。停留管內(nèi)礦漿流速較小，溫度更高，化學(xué)反應(yīng)更為激烈，內(nèi)壁生成的結(jié)疤更厚，結(jié)疤對停留時間和阻力損失的影響見表9和表10。

表9 不同結(jié)疤厚度對停留時間的影響

從表9中可以看出，停留管管徑越大，結(jié)疤對停留時間影響越小，同樣在結(jié)疤厚度為10mm時，方案一的停留時間減少了6.9%，方案二和方案三分別減少了8.3%和9.1%。

從表10可以看出，三個方案中結(jié)疤厚度對阻力損失影響都小于0.05MPa，這是由于停留段礦漿流速較小，結(jié)疤對阻力損失影響不大。

表10 不同結(jié)疤厚度對套管阻力損失的影響

5 占地情況

本次比較以相同的層數(shù)配置進(jìn)行比較，各方案的占地面積如表11所示。

表11 各方案的占地面積

6 結(jié)論

①在保證換熱面積和停留時間基本相同的條件下，從投資比較來看，選用4組套管規(guī)格為3-φ159/φ480～φ508，停留管規(guī)格為φ457的設(shè)備投資最小，其次是3組3-φ180/φ530～φ560，停留管為φ508的方案，投資最大的為2組3-φ219/φ630～φ660，停留管為φ610的方案。②采用4組套管及停留管方案的阻力損失最小，對應(yīng)喂料泵的電耗也是最小，其次是2組套管方案和3組套管方案，此兩種方案較4組套管方案每年增加電耗約47.7萬kWh和82.7萬kWh。③占地面積上比較結(jié)果來看，2組套管方案的占地面積最小，其次是3組套管方案，4組套管方案占地面積最大。④從總體比較結(jié)果看，三個方案各有利弊，需要根據(jù)實際情況進(jìn)行選擇，總圖充裕的情況下可選擇投資較小的，總圖不充裕時選擇組數(shù)少的方案。