獨(dú)居石堿液蒸發(fā)濃縮方案研究

辛 馨，王 庫，張兆光

(中核第四研究設(shè)計(jì)工程有限公司，河北 石家莊 050021)

獨(dú)居石除富含稀土外，還富含鈾、釷等放射性金屬，是重要的鈾伴生資源。與從鈾礦石及尾礦中提鈾工藝[1-2]相比，獨(dú)居石堿液濃縮工序是獨(dú)居石提鈾流程所特有的。獨(dú)居石精礦經(jīng)磨礦后送到堿分解工序，堿分解后的礦漿經(jīng)固液分離后濾餅進(jìn)入酸溶提鈾工序；濾液進(jìn)入磷酸三鈉結(jié)晶工序，經(jīng)過除雜、結(jié)晶提純、固液分離得到磷酸三鈉副產(chǎn)品和獨(dú)居石堿液。該堿液經(jīng)過蒸發(fā)濃縮后可返回堿分解工序代替固堿，實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用，以節(jié)約成本。

1 原有獨(dú)居石堿液濃縮工藝

稀土加工企業(yè)常使用雙效蒸發(fā)濃縮器對獨(dú)居石堿液進(jìn)行蒸發(fā)濃縮。雙效濃縮工藝由一效加熱室、一效分離室、二效加熱室、二效分離室、冷凝器等組成，如圖1所示。

1—乏汽預(yù)熱器；2—一效加熱室；3—一效分離室；4—二效加熱室；5—二效分離室；6—冷凝器；7—冷凝水罐。圖1 雙效蒸發(fā)濃縮工藝流程圖Fig.1 The process of double-effect evaporation concentration

原有獨(dú)居石堿液濃縮工藝設(shè)備材質(zhì)選用304不銹鋼，使用后發(fā)現(xiàn)蒸發(fā)器中結(jié)垢嚴(yán)重，設(shè)備焊縫處有腐蝕，設(shè)備能耗高。雙效蒸發(fā)濃縮工藝蒸汽耗量和冷卻水耗量均較大，生產(chǎn)成本較高，企業(yè)經(jīng)濟(jì)壓力大，堿液蒸發(fā)濃縮工藝亟待改造。

2 蒸發(fā)濃縮設(shè)備特點(diǎn)及能耗分析

傳統(tǒng)的蒸發(fā)濃縮器包括單效蒸發(fā)濃縮器和多效蒸發(fā)濃縮器，近年來機(jī)械壓縮式蒸發(fā)器(以下簡稱MVR)和蒸汽噴射式蒸發(fā)器(以下簡稱TVR)也得到推廣和應(yīng)用[3-5]。4種典型的蒸發(fā)濃縮設(shè)備比較見表1。

3 獨(dú)居石堿液組分及腐蝕性分析

獨(dú)居石堿液主要組分：磷酸鈉13.5%～16.7%，氫氧化鈉17.5%～19.8%。料液中鈣、鎂等不溶性無機(jī)鹽含量低，約為2%～8%。

研究選用的316L型低碳不銹鋼材質(zhì)，含有Cr、Mo，其耐腐蝕性和耐高溫強(qiáng)度均較好，料液中的氫氧根和磷酸根等對316L型蒸發(fā)濃縮設(shè)備的腐蝕性弱，不易發(fā)生結(jié)垢腐蝕。

表1 典型蒸發(fā)濃縮設(shè)備比較Table 1 Comparison of typical evaporative concentration equipment

4 獨(dú)居石堿液蒸發(fā)濃縮技術(shù)方案

對獨(dú)居石堿液進(jìn)行物料衡算，得到需濃縮物料251 m3/d。濃縮前，物料中的氫氧化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12.3%，濃縮終點(diǎn)其質(zhì)量分?jǐn)?shù)為36.5%。根據(jù)蒸發(fā)濃縮需求提出了雙效、MVR+雙效、三效蒸發(fā)技術(shù)方案，并進(jìn)行了比選。

4.1 蒸發(fā)方式選擇

蒸發(fā)系統(tǒng)采用防結(jié)垢性能好的降膜蒸發(fā)器。降膜蒸發(fā)器是1種高效單程非循環(huán)型膜式蒸發(fā)設(shè)備，具有傳熱效率高、溫差損失小、物料加熱時間短、不易變質(zhì)、設(shè)備使用壽命長等特點(diǎn)[11]。將料液由降膜蒸發(fā)器加熱室上的管箱加入，沿?fù)Q熱管內(nèi)壁呈膜狀流下，并被殼程加熱汽化；蒸汽與液相共同進(jìn)入分離室，二次蒸汽進(jìn)入冷凝器冷凝或進(jìn)入下一效蒸發(fā)器作為加熱介質(zhì)，從而實(shí)現(xiàn)多效操作，液相則由分離室排出[12]。

由于堿液黏度隨堿液濃度升高而顯著增大，若采用順流方式進(jìn)行加熱，會導(dǎo)致各效傳熱系數(shù)逐漸降低；若采用逆流多效方式，每效傳熱系數(shù)可基本相同，而且逆流加熱時料液從末效加入，所需熱量少，能量利用率較高，所以系統(tǒng)采用逆流換熱方式。

4.2 雙效蒸發(fā)技術(shù)方案

4.2.1 雙效蒸發(fā)方案工藝流程

采用雙效蒸發(fā)，逆流進(jìn)料、連續(xù)出料形式。一、二效均采用降膜蒸發(fā)器。溶液首先進(jìn)入第二效，經(jīng)過初步蒸發(fā)后再進(jìn)入一效，達(dá)到終點(diǎn)濃度后排入收集罐或進(jìn)入下一道工序。

系統(tǒng)蒸汽走向：生蒸汽進(jìn)一效，冷凝水回鍋爐或進(jìn)入冷凝水罐。一效二次蒸汽進(jìn)二效加熱室殼程作為熱源，冷凝水進(jìn)入冷凝水罐；二效乏汽進(jìn)入表面冷凝器，冷凝成水后，匯入冷凝水罐。

4.2.2 雙效蒸發(fā)方案設(shè)備配置及報價

雙效蒸發(fā)設(shè)備配置及報價見表2。

表2 雙效蒸發(fā)方案設(shè)備配置及報價Table 2 Equipment configuration and quotation of double-effect evaporation scheme

4.2.3 雙效蒸發(fā)方案主要參數(shù)

系統(tǒng)循環(huán)水量為400 m3/h，裝機(jī)功率為30 kW，蒸發(fā)1 t水耗用蒸汽0.69 t。

4.3 MVR+雙效蒸發(fā)技術(shù)方案

沸點(diǎn)升高是影響MVR蒸發(fā)器經(jīng)濟(jì)性的最重要的指標(biāo)，當(dāng)物料濃縮終點(diǎn)的沸點(diǎn)升高到一定程度后，MVR運(yùn)行費(fèi)用與傳統(tǒng)多效蒸發(fā)相比將沒有優(yōu)勢。以蒸發(fā)壓力70 kPa、加熱溫差8 ℃計(jì)算，氫氧化鈉濃縮終點(diǎn)濃度與沸點(diǎn)升高、二次蒸汽壓縮噸蒸汽軸功率(離心式)的關(guān)系見表3。

表3 氫氧化鈉濃度與沸點(diǎn)升高、軸功率關(guān)系Table 3 Relationship of sodium hydroxide concentration with boiling point rise and shaft power

從表3可看出，使用MVR對氫氧化鈉溶液進(jìn)行濃縮，壓縮機(jī)功率隨著氫氧化鈉終點(diǎn)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的升高而增高。本項(xiàng)目若只用MVR蒸發(fā)器濃縮堿液，沸點(diǎn)升高達(dá)20 ℃，其運(yùn)行成本與多效蒸發(fā)相比不具有優(yōu)勢；且需要多臺壓縮機(jī)串聯(lián)，而壓縮機(jī)串聯(lián)應(yīng)用的工程實(shí)例較少。所以本物料不適合單獨(dú)使用MVR系統(tǒng)。

4.3.1 MVR+雙效蒸發(fā)方案工藝流程

濃縮過程中，MVR工段將物料由12.3%濃縮至23.0%，雙效工段將物料從23.0%濃縮至36.5%。原料首先經(jīng)冷凝水預(yù)熱器A預(yù)熱后進(jìn)入MVR降膜蒸發(fā)器中進(jìn)行蒸發(fā)濃縮，濃縮后的料液經(jīng)冷凝水預(yù)熱器B預(yù)熱后進(jìn)入雙效蒸發(fā)器進(jìn)行蒸發(fā)濃縮，濃縮后的物料由雙效循環(huán)泵輸送至下一工序。

MVR分離室產(chǎn)生的二次蒸汽，通過蒸汽壓縮機(jī)提高能量后，進(jìn)入加熱室殼程。

雙效工段生蒸汽進(jìn)一效，冷凝水回鍋爐或進(jìn)入冷凝水罐。一效二次蒸汽進(jìn)二效加熱室殼程作為熱源，冷凝水進(jìn)入冷凝水罐；二效乏汽進(jìn)入表面冷凝器，冷凝成水后，匯入冷凝水罐。物料則與蒸汽逆流，從二效加熱室頂部加入。

4.3.2 MVR+雙效蒸發(fā)方案設(shè)備配置及報價

MVR+雙效蒸發(fā)方案設(shè)備配置及報價見表4。

4.3.3 MVR+雙效蒸發(fā)方案主要參數(shù)

系統(tǒng)冷卻水量為142.15 m3/h，裝機(jī)功率為372 kW，蒸發(fā)1 t水耗用蒸汽0.22 t。

表4 MVR+雙效蒸發(fā)方案設(shè)備配置及報價Table 4 Equipment configuration and quotation of MVR and double-effect evaporation solution

4.4 三效蒸發(fā)技術(shù)方案

4.4.1 三效蒸發(fā)方案工藝流程

原料經(jīng)進(jìn)料泵、預(yù)熱器A預(yù)熱后，進(jìn)入三效蒸發(fā)濃縮；三效濃縮液經(jīng)三效循環(huán)泵進(jìn)入二效蒸發(fā)器進(jìn)行蒸發(fā)濃縮，濃縮后的料液經(jīng)冷凝水預(yù)熱器B預(yù)熱后進(jìn)入一效蒸發(fā)器蒸發(fā)濃縮；一效濃縮后的物料由一效循環(huán)泵輸送至下一工序。

系統(tǒng)蒸汽走向：由蒸汽總管來的生蒸汽進(jìn)入一效加熱室作為蒸發(fā)熱源，出來的冷凝水預(yù)熱物料后返回鍋爐房再利用；一效分離室出來的二次蒸汽進(jìn)入二效加熱室作為熱源；同樣，二效分離室的二次蒸汽進(jìn)入三效加熱室作為熱源。三效分離室出來的二次蒸汽一部分預(yù)熱物料；另一部分進(jìn)入間接冷凝器，冷凝后進(jìn)入冷凝水罐。二效加熱室的冷凝水進(jìn)入三效加熱室，三效加熱室出來的冷凝水收集在冷凝水罐中。

4.4.2 三效蒸發(fā)方案設(shè)備配置及報價

三效蒸發(fā)方案設(shè)備配置及報價見表5。

4.4.3 三效蒸發(fā)器方案主要參數(shù)

系統(tǒng)冷卻水量為290.7 m3/h，裝機(jī)功率為44 kW，蒸發(fā)1 t水耗用蒸汽0.45 t。

5 獨(dú)居石堿液蒸發(fā)方案對比分析

以湖南地區(qū)為例，工業(yè)蒸汽價格為200元/t，工業(yè)電價為0.77元/(kW·h)，循環(huán)冷卻水費(fèi)用為0.4元/t。濃縮設(shè)備每日工作18 h，年工作330 d，年工作時數(shù)為5 940 h。根據(jù)廠家使用經(jīng)驗(yàn)，MVR配備的離心壓縮機(jī)使用年限約為5年，考慮在10年中更新一次離心壓縮機(jī)，費(fèi)用為130萬元。其他設(shè)備折舊年限為10年，對3個技術(shù)方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)比較，測算每個方案的年運(yùn)行成本和設(shè)備折舊費(fèi)，見表6。

表5 三效蒸發(fā)方案設(shè)備配置及報價Table 5 Equipment configuration and quotation for three-effect evaporation scheme

表6 3種蒸發(fā)濃縮方案經(jīng)濟(jì)性對比Table 6 Economic comparison of the three evaporation concentration solutions

從表6可看出，MVR+雙效蒸發(fā)方案年總成本最低。在設(shè)備投資方面，MVR+雙效蒸發(fā)方案的設(shè)備投資雖然比雙效蒸發(fā)方案高195.0萬元，比三效蒸發(fā)方案高139.7萬元；但MVR+雙效蒸發(fā)方案的運(yùn)行成本最低，系統(tǒng)運(yùn)行1年即可收回增加的設(shè)備投資。所以MVR+雙效蒸發(fā)方案是3個方案中的最優(yōu)方案。

6 結(jié)論

針對獨(dú)居石堿液蒸發(fā)濃縮設(shè)備，雙效蒸發(fā)、MVR+雙效蒸發(fā)、三效蒸發(fā)方案的蒸汽耗量分別為0.69、0.22、0.45 t/t。MVR+雙效蒸發(fā)方案的蒸汽耗量最低。

MVR+雙效蒸發(fā)方案年總成本(運(yùn)行成本+設(shè)備折舊)最低，其設(shè)備投資最高，系統(tǒng)運(yùn)行1年所節(jié)省的費(fèi)用即可收回增加的設(shè)備投資。推薦獨(dú)居石堿液濃縮采用MVR+雙效蒸發(fā)技術(shù)方案。