酸法生產(chǎn)氧化鋁閃蒸系統(tǒng)的運行分析及優(yōu)化

韓德家

（神華準能資源綜合開發(fā)有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010300）

神華準能資源綜合開發(fā)有限公司自主研發(fā)的“一步酸溶法”工藝，通過鹽酸與粉煤灰混合反應得到氯化鋁溶液，并經(jīng)過過濾除雜、蒸發(fā)結(jié)晶和焙燒等工序制取氧化鋁。2011年8月，該公司建成了4000t/a粉煤灰生產(chǎn)氧化鋁中試裝置，經(jīng)過七次試驗運行，取得了大量的實驗數(shù)據(jù)，工業(yè)化的可行性得到了專家們的肯定論證，為從高鋁粉煤灰中提取氧化鋁開辟了新途徑，對推進粉煤灰的減量化、資源化利用具有重要的意義。

1 溶出工序閃蒸系統(tǒng)簡介

“一步酸溶法”溶出工序閃蒸系統(tǒng)的主要功能是對溶出礦漿進行降溫降壓[1]，同時，利用閃蒸產(chǎn)生的二次蒸汽預熱成品料漿，從而實現(xiàn)熱能的回收利用。閃蒸系統(tǒng)主要由自蒸發(fā)器、套管加熱器、冷凝水罐和冷凝水泵等設備和管道、閥門、儀表組成。自蒸發(fā)器、套管加熱器采用二級串聯(lián)運行方式，成品礦漿經(jīng)溶出反應釜逐級加熱反應后，生成溶出料漿，依次進入一二級自蒸發(fā)器進行閃蒸，產(chǎn)生的熱量通過一二級套管加熱器被配料工序送來的成品料漿吸收，蒸汽凝結(jié)后形成的冷凝水進入冷凝水罐，用冷凝水泵送至下一工序。溶出礦漿經(jīng)兩級閃蒸降溫后進入稀釋槽，用適量的一次洗液稀釋后成為合格的稀釋料漿。具體流程如圖1所示。

圖1 粉煤灰酸法生產(chǎn)氧化鋁溶出工序工藝流程圖

2 閃蒸系統(tǒng)的運行分析

因為進入閃蒸系統(tǒng)的物料為酸性粉煤灰料漿，因此，對自蒸發(fā)器、套管加熱器等設備及其附屬的管道、閥門、儀表等材質(zhì)的要求比較苛刻，其必須要同時滿足防腐蝕和防磨損等條件[2]。在“一步酸溶法”工藝全流程中試驗運行的初期，閃蒸系統(tǒng)經(jīng)常發(fā)生排氣帶料、出料不暢、閥門泄漏、表計失靈和冷凝水質(zhì)超標等故障，該故障嚴重威脅系統(tǒng)的安全運行，因此，需要分析上述故障產(chǎn)生的原因，并采取措施對閃蒸系統(tǒng)進行優(yōu)化，以確保全系統(tǒng)的安全連續(xù)運行[3]。

2.1 排氣帶料的原因分析

自蒸發(fā)器進料采用手動控制閥門開度的方式控制進料量，導致料位控制嚴重滯后，當自蒸發(fā)器內(nèi)的礦漿處于高液位時容易引起二次系統(tǒng)的帶料。

自蒸發(fā)器出汽閥門開度過大，造成溶出末罐與首級自蒸發(fā)器的壓差增大，從而閃蒸槽的料位升高，自蒸發(fā)器內(nèi)閃蒸空間不足，導致排氣帶料進入二次系統(tǒng)[4]。

自蒸發(fā)器底部出料不暢或堵塞，導致料位急劇升高，引起排氣帶料。

2.2 出料不暢或堵塞的原因分析

在檢修槽罐或管道后，未清理干凈設備，造成出料口被雜物堵塞。

出料陶瓷閥門因閥芯碎裂、閥桿腐蝕造成閥門開關(guān)失靈。

兩級自蒸發(fā)器之間或自蒸發(fā)器與稀釋槽之間壓差過小，料漿流動緩慢在管道彎頭處內(nèi)沉積造成堵塞。

鋼襯四氟出料管道內(nèi)襯四氟發(fā)生熱縮現(xiàn)象，導致通流面積減小，造成出料不暢。

人員誤開誤關(guān)閥門，導致出料不暢或中斷。

料漿管道設計管徑偏小，出料管道中使用的彎頭較多。

2.3 閥門損壞的原因分析

陶瓷閥門在運行中閥芯碎裂。

陶瓷閥門金屬閥桿選材不當，運行中閥桿接觸料漿的下端被腐蝕缺失，造成閥門開關(guān)失靈。

陶瓷閥門的陶瓷閥桿在保護銷釘未剪斷時，經(jīng)常被擰斷，導致閥門無法開關(guān)。

陶瓷閥門閥體組件的密封材料選用不當，運行中閥體組件結(jié)合面出現(xiàn)滲漏。

襯氟閥門選型不當，使用溫度小于最高工作溫度。

2.4 表計失靈的原因分析

自蒸發(fā)器通過膜片壓力變送器和差壓變送器測量壓力和料位，因膜片選用材質(zhì)不能滿足防酸耐沖刷的要求，在運行中被酸氣腐蝕損壞。

自蒸發(fā)器使用的膜片式差壓變送器的測點分別在自蒸發(fā)器頂部和底部。高壓測點的膜片安裝在自蒸發(fā)器底部突出的管口法蘭上，在運行過程中管口內(nèi)的料漿逐漸沉積，流動性變差甚至被堵死，導致差壓數(shù)據(jù)不準，從而無法測出準確料位。

溫度測量采用雙金屬套管溫度計，在運行過程中套管外包覆的防腐材料被沖刷破損，導致套管被腐蝕穿孔，測溫元件損壞。

2.5 冷凝水質(zhì)超標的原因分析

自蒸發(fā)器排汽帶料，導致冷凝水被污染，水質(zhì)超標。

套管加熱器內(nèi)漏，成品料漿漏入汽側(cè)，導致冷凝水質(zhì)超標。

3 閃蒸系統(tǒng)的優(yōu)化

3.1 運行操作的優(yōu)化

自蒸發(fā)器進料調(diào)整門改為電動調(diào)節(jié)閥，以此實現(xiàn)就地或遠方操作，提高了料位調(diào)節(jié)的及時性。

為保證自蒸發(fā)器具有足夠的閃蒸空間，防止排氣帶料，在運行中保持末級溶出反應釜與一級自蒸發(fā)器壓差在50KPa～100KPa之間，將自蒸發(fā)器料位控制在30%～50%之間。

在使用陶瓷閥時，避免冷熱沖擊，保持閥門與介質(zhì)溫差在規(guī)定范圍；開關(guān)陶瓷閥發(fā)生卡澀時，采取減小閥門兩側(cè)壓差、進行反沖洗等措施進行處理，不得強行開關(guān)，避免造成閥桿斷裂和閥芯碎裂的情況。

3.2 管道及流程的優(yōu)化

為沖洗自蒸發(fā)器及疏通料漿管道，安裝連接了高壓水沖洗管道，在出料不暢或堵塞時，及時用高壓水疏通管道。

針對料漿管道在運行中頻繁發(fā)生堵管的情況，根據(jù)設計院的意見，將原有Dn32管道全部更換為Dn50管道，并對管道流程進行了優(yōu)化，減少了彎頭的使用數(shù)量。

為防止鋼襯四氟管道發(fā)生熱縮現(xiàn)象，將閃蒸系統(tǒng)的料漿管道更換為耐更高溫度的鋼襯碳化硅復合管道，消除了因四氟襯管熱縮導致出料不暢或堵塞的隱患。

通過檢查發(fā)現(xiàn)冷凝水水質(zhì)超標的原因是自蒸發(fā)器排汽帶料。由于運行中冷凝水量較少，為保持冷凝水罐液位，冷凝水泵需間歇運行，啟停頻繁。經(jīng)過分析討論后，采取了將冷凝水接入稀釋槽，用作稀釋料漿使用的方案。冷凝水泵不需投入運行，降低了設備維護費用，簡化了運行操作。

3.3 閥門的優(yōu)化

根據(jù)陶瓷閥門在試驗過程中的使用情況，將金屬閥桿由哈C合金材質(zhì)統(tǒng)一更換為耐腐蝕的鉭桿，其滿足了防腐蝕的要求。

優(yōu)化陶瓷閥桿的結(jié)構(gòu)，加長了方形頭，密封由單道膠圈改為雙道膠圈，銷釘直徑由Φ4增大為Φ6，消除了順門桿滲料和閥桿、閥芯碎裂的隱患。閥桿改造前后的結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 閥桿改造圖

針對酸性粉煤灰料漿的特殊要求，協(xié)調(diào)廠家對密封圈材質(zhì)、陶瓷閥組件和閥體結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化，進一步提高了閥門對特殊物料的適應性。

閃蒸系統(tǒng)使用的襯氟閥門有止回閥、安全閥和球閥等三類，安全閥安裝在自蒸發(fā)器本體上，止回閥和球閥安裝在高壓水管道上。襯氟閥門的內(nèi)襯材料一般采用具有超強耐腐蝕性能和較高的使用溫度PTFE(F4)、FEP(F46)和PFA等氟塑料，根據(jù)工作溫度和使用環(huán)節(jié)的不同，高壓水管道上使用FEP(F46)襯氟閥門，安全閥采用PFA襯氟閥門，其滿足了使用要求。

3.4 儀表的優(yōu)化

通過與廠家交流膜片壓力變送器和差壓變送器在閃蒸系統(tǒng)的運行情況，將膜片材料更換為防酸耐沖刷的鉭材，在現(xiàn)場使用后，取得良好的效果。

為確保差壓料位計測量的準確性，通過安裝差壓料位計高壓側(cè)膜片的自蒸發(fā)器下部的管口設計為上斜45°，防止料漿在管口內(nèi)形成沉積。因為管口暫時無法調(diào)整，目前采取將高壓測點的膜片安裝在自蒸發(fā)器底部出料管水平段的三通朝上的管口法蘭上，依靠管內(nèi)料漿的流動和料漿重力影響防止發(fā)生料漿沉積，確保準確測量料位。

雙金屬溫度計的套管外包覆的防腐材料采用PTFE(F4)、FEP(F46)和PFA等氟塑料，并適當增加厚度，以此提高防沖刷性能，在后續(xù)的試驗過程中使用效果較好，有效降低了故障率。

4 結(jié)語

粉煤灰鹽酸法生產(chǎn)氧化鋁工藝對閃蒸系統(tǒng)的設備及運行提出了更高的要求，針對試驗初期出現(xiàn)的問題，通過采取規(guī)范運行操作、優(yōu)化管道布置、變更管道內(nèi)徑、改進陶瓷閥門、提升儀表防腐性能和優(yōu)化冷凝水流程等措施，優(yōu)化了閃蒸系統(tǒng)，并在后續(xù)試驗過程中，取得了良好的使用效果，有效保證了溶出工序中的安全運行。