CN85103681A - 氧化铝生产中预防蒸发器加热管结垢的方法 - Google Patents

Abstract

预防蒸发器加热管结垢的方法是氧化铝生产中的蒸发技术。在蒸发含有碳酸钠、硫酸钠和二氧化硅三种杂质均较多的种分母液时，采用传统的外加热式管内沸腾自然循环蒸发器，易在加热管壁生成结垢，蒸发效率很低。本发明是采用外加热式管外沸腾强制循环蒸发器和五效错流加料流程，及在蒸发器内的料液中采用添加硅渣晶种的方法，可有效地预防蒸发器加热管结垢，大大提高蒸发效率。

Description

本发明属于氧化铝生产的蒸发技术，是采用拜尔法，特别是采用拜尔-烧结联合法生产氧化铝，蒸发含有碳酸钠，硫酸钠和二氧化硅三种有害杂质均较多的种分母液时，预防蒸发器加热管结垢的方法。

在氧化铝生产中，蒸发是为了保持生产系统的水量平衡，使种分母液浓缩到符合拜尔法溶出要求的苛性氧化钠（以Na20K表示，下同）浓度，同时，排除在生产过程中积累的有害杂质，如硫酸钠、碳酸钠、二氧化硅等。

目前我国氧化铝厂使用最多的蒸发装置，是外加热式管内沸腾自然循环蒸发器，和三效错流（又称混流）加料流程，并可以Ⅱ-Ⅲ-Ⅰ和Ⅲ-Ⅰ-Ⅱ两种流程交替调换操作。这种蒸发器的结构示意图见附图1，待蒸发的料液在加热室（3）内被蒸汽间接加热，并在加热管内开始沸腾，沸腾时，从料液中析出的结晶积结在加热管壁上形成结垢。这种蒸发器每8小时要调换一次加料流程，用低浓度料液去清洗加热管结垢，5～7天要用热水煮罐一次，25～30天要用化学法洗罐一次，因为结垢严重，故蒸发效率很低。

为了提高蒸发效率，近来在联合法氧化铝厂中，将拜尔法和烧结法两部分种分溶液分开，分别进行蒸发后再汇合，借以避免或减少含碳酸钠和硫酸钠较多的烧结法种分溶液污染拜尔法溶液，为蒸发拜尔法种分母液采用前述的外加热式管内沸腾自然循环蒸发器，和四效逆流操作及三级自蒸发器的两段蒸发流程创造条件。实践证明，与三效错流流程比较，这种流程的加热管结垢程度较轻，但因蒸发器的结构未改变，所以加热管结垢特别是硅渣（二氧化硅在铝酸钠溶液中生成Na₂o·Al₂o_3·1·7Sio₂·nH₂o固相称钠铝硅渣，简称硅渣，下同）结垢仍然相当严重，尽管能耗和成本降低，生产能力提高，但带来的不良后果是氧化铝的生产流程大大加长，工艺复杂化。

近十多年来，欧洲许多拜尔法氧化铝厂采用降膜蒸发器，和五效逆流操作及四级自蒸发器的两段蒸发流程。采用这种蒸发器，蒸发前须预先对溶液进行深度脱硅处理以防硅渣管垢，采用两段蒸发，使碳酸钠结晶移至蒸发器外。其缺点是流程较复杂，且不适合蒸发含硫酸钠较多的种分母液。

美国专利4256536号（一九八一年三月十七日公布）提出一种可用于氧化铝厂的新型蒸发器。这种蒸发器的外壳是一个立式园筒形容器，筒体上部是蒸发室，中间是加热室，下部是料液室。在蒸发室内紧靠加热室上管板板面的中心部位，垂直安设一个沸腾室。在蒸发室内穿过沸腾室和下部料液室，垂直安设一块隔板，把蒸发器纵向分成两半，每一半里均有低浓度料液和高浓度料液自成系统地独立循环。这种蒸发器的优点是，可利用低浓度料液去清洗高浓度料液加热管中产生的结垢，而不需停止蒸发器的运行。其缺点是对不溶于低浓度料液中的硅渣管垢，仍须用化学法才能清除。

制盐、制碱及化工行业的长期实践证明，当蒸发器的料液中固体结晶物含量小于15%，在采用外加热式管外沸腾强制循环蒸发器的条件下，可以做到加热管内长期不产生易溶性（即易溶解于热水中）结垢（如氯化钠、氯化钾、硫酸钠等），也不需用热水煮罐。氧化铝厂蒸发器的料液中固体结晶物（包括碳酸钠、硫酸钠和硅渣晶种在内）含量，一般为4～7%，最多不超过10%。根据制盐、制碱及化工等行业的经验，在氧化铝生产中，如能采用外加热式管外沸腾强制循环蒸发器，定能有效地预防蒸发器加热管生成碳酸钠和硫酸钠结垢。

综上所述，目前氧化铝厂的种分母液蒸发工序中，尚未找到一种既可简化氧化铝的生产流程，又能同时预防硫酸钠、碳酸钠和硅渣三种杂质在加热管内结垢的方法，致使蒸发效率低下，蒸发工序成为氧化铝生产中的薄弱环节。

本发明的目的，是在氧化铝生产中采用一种新的能预防蒸发器加热管结垢的蒸发方法。使用这种方法，在种分母液蒸发过程中，可同时预防硫酸钠、碳酸钠和硅渣三种杂质在蒸发器加热管内结垢，即尽量使垢物从加热管壁面上引出来，又可简化和缩短氧化铝的生产流程。在蒸发过程中，可把析出的硫酸钠结晶和碳酸钠结晶分开，以便采用路布兰法充分回收硫酸钠中的碱，减少碱的化学损失，还可实现五效蒸发器组，降低能耗和成本。

本发明采用外加热式管外沸腾强制循环蒸发器和五效错流加料流程，可有效地预防加热管产生易溶性的硫酸钠和碳酸钠结垢。在蒸发器的料液中采用添加硅渣晶种的方法，可预防和大大减缓加热管生成难溶性（即不溶于热水）的硅渣结垢。

外加热式管外沸腾强制循环蒸发器的结构示意图见附图2，它由蒸发室（1）、加热室（7）和循环泵（5）三部分，及联接这三部分的下循环管（2）和上循环管（8）组成。被加热的料液借助循环泵的推动力，以1.3～1.8米/秒的流速在加热管内由下向上流动，加热蒸汽则通过管壁间接加热，使料液升温，升温后的料液离开加热室便进入上循环管（8）。在上循环管（8）内，随着料液逐渐上升，所受的液柱静压力逐渐减少，当此液柱静压力减少到一定程度，料液即开始沸腾。并以汽液混合物的状态离开上循环管（8）进入蒸发室（1），所以上循环管又叫沸腾管。沸腾的料液在蒸发室内进行自蒸发并析出结晶，放出的二次蒸汽通过蒸发室上部的捕雾器除去雾沫后由室顶排出，自蒸发后的料液则下降经下循环管（2）和循环泵（5），继续进行循环。

管外沸腾是本发明借鉴制盐、制碱行业的经验，用以预防加热管产生易溶性结垢的关键措施，即必须保证料液在加热管内只升温（过热）而不沸腾汽化，为达到这一目的，在加热室的上管板以上至蒸发室的操作液面之间，须保持一个液柱高度H，此液柱高度H所产生的静压力（通过上循环管（8）传递），要大于加热管出口处管内壁滞留内层中的料液温度所对应的饱和蒸汽压力。对多效蒸发器而言，各效的操作压力和温度不同，上循环管内汽液混合物的重度不同，所需的液柱高度H也不同，其值在2～7米之间。为了减少料液在蒸发室内的短路温度损失，和有利于实现管外沸腾，上循环管（8）要以3°～12°的仰角，在蒸发室的操作液面以下0.5～2.0米处从切线方向进入蒸发室。对多效蒸发器（例如五效）来说，为便于排除硫酸钠和碳酸钠结晶，按料液的流向顺序，最后两台（即最后两效）蒸发器要各安设一个分级腿（3）和一个结晶罐（4），为分别暂存硫酸钠结晶和碳酸钠结晶之用，以便定期排出。分级腿（3）主要起逆流浮选分级作用，大颗粒晶体在其自身的重力作用下下沉至分级腿的下部和结晶罐内;小颗粒晶体则由分级腿中逆流向上的料液带入下循环管，继续循环长大。

本发明采用强制循环蒸发器的原因有二：一是加大料液在加热管内的流速。为防垢和提高传热效率创造条件。二是为三效蒸发器组改为五效蒸发器组创造条件。强制循环蒸发器的缺点是电耗较大，但过去人们过分夸大了这个缺点。由于强制循环蒸发器的总传热系数较高，蒸发强度较大，加之本发明选择了合理的循环泵参数（包括扬程，流量和总效率），所以分摊到每吨蒸水的电耗增加不多，而汽耗却比三、四效蒸发器低得多，故总能耗明显降低。现列表对比如下：

本发明在外加热式管外沸腾强制循环蒸发器的料液中，添加10～40克/升的硅渣晶种，预防和减缓加热管产生难溶性的硅渣结垢，也可用拜尔法赤泥代替硅渣晶种。以附图3所示的流程为例。硅渣晶种是和种分母液同时加入蒸发器的，并按N-V-Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ效的顺序流动。当蒸发作业完成后，蒸发母液又携带着硅渣晶种（包括少量碳酸钠和硫酸钠结晶）一起从最后一效（即Ⅲ效）蒸发器排出。排出的料液须经水力旋流器（14）分级，水力旋流器的底流是大颗粒硅渣，经园筒真空过滤机（8）过滤后送氧化铝生产系统处理。水力旋流器的溢流经沉降和过滤后，所得滤饼即细粒硅渣，作下一轮蒸发的晶种，循环使用。渣晶种的粒度较细，在蒸发器内呈悬浮状态。在循环过程中，主要是利用料液中析出的硅渣结晶对其晶种的亲和力大于其对加热管壁的亲和力的原理，使蒸发过程中不断析出的硅渣结晶，优先附着在硅渣晶种的表面上，加之悬浮的晶种在加热管内快速流动，不断摩擦冲击管壁，这样即可达到预防或大大减缓硅渣结垢的目的。采用添加硅渣晶种的方法防垢，其防垢效果与操作管理水平的关系很大，如操作管理跟不上，仍难免结硅垢，因此进行化学清洗，仍是必不可少的辅助措施。只是清洗周期可比现行技术大为延长，清洗工作量也可减少很多。

本发明采用五效蒸发器组和错流加料流程。这种流程有Ⅲ-N-V-Ⅰ-Ⅱ，N-V-Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ和V-Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ-N三种方案可供选择，要根据工艺条件。通过技术经济比较选定。按我国目前的生产实际情况，以采用N-Ⅴ-Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ流程较好，详见附图3。

为了节约蒸汽，本发明采用分流加料的方式，也可采用全流加料。所谓分流加料是将种分母液从两个地点加入蒸发器内，以附图3所示的流程为例，将待蒸发的全部种分母液先分出一部份（一般为总量的50%左右，不宜少于此数）送N效和V效进行顺流蒸发，V效出来的料液与待蒸发的另一部分种分母液汇合，再经Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ效顺流蒸发后排出。这种分流加料方式比全流加料（即全部种分母液都流经N-V-Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ效）每蒸一吨水约可减少蒸汽消耗0.015吨。

硫酸钠和碳酸钠在不同苛性氧化钠（Na₂OK）浓度的铝酸钠溶液中的平衡浓度不同。本发明利用这一特点，在五效蒸发的流程中，将硫酸钠（含有少量碳酸钠）结晶和碳酸钠（含有少量硫酸钠）结晶分开。按料液流向的顺序，在最后两效蒸发器的分级腿和结晶罐中分别排出。这样就可采用路布兰法回收硫酸中的碱和排硫。和现行技术采用生料加煤回收硫酸钠中的碱和排硫比较。路布兰法不但可大大减轻硫酸钠对氧化铝生产的危害，还可降低能耗和碱耗。及为合理利用含硫较高的高品位铝土矿创造条件。

由于解决了蒸发器的防垢问题。在联合法氧化铝厂中，便可将烧结法未经中压脱硅的种分溶液（粗液）送至拜尔法溶出的末级自蒸发器内，与拜尔法溶出液（高压矿浆）及调整液汇合，并利用末级自蒸发器内多余的低压蒸汽加热，然后一并送入拜尔法稀释槽，利用拜尔法赤泥作晶种进行常压脱硅。这样就可大大缩短和简化氧化铝的生产流程。

和已有技术比较，按照本发明的方法，在蒸发过程中，可同时预防硫酸钠、碳酸钠和硅渣三种杂质在蒸发器加热管内结垢，即尽量使垢物从加热管壁上引出来，从而可大幅度地提高蒸发效率;可为缩短和简化氧化铝的生产流程，及合理利用含硫较高的高品位铝土矿创造条件;还可为充分发挥氧化铝厂除蒸发以外其他各工序的设备能力，大幅度地提高氧化铝的产量创造条件。

由于蒸发器的生产能力成倍增长，能耗大幅度地下降，流程大为简化，以每吨氧化铝蒸水5吨，年产100万吨氧化铝的联合法工厂计算，和现行技术比较，约可减少基建投资3000～4000万元，每年可减少能耗17～18万吨标准煤，减少碱耗约1～1.2万吨，降低成本约2000～2500万元（按未调价前的物价计算）。

附图的简要说明

附图1是现在生产上广泛采用的外加热式管内沸腾自然循环蒸发器的示意图。蒸发室（1）内的料液和进料一起经下循环管（2）进入加热室（3），在加热室内料液被加热蒸汽间接加热，使料液升温并沸腾汽化，离开加热室的汽液混合物经上循环管（4）进入蒸发室（1），如此不断循环。

附图2是本发明采用的外加热式管外沸腾强制循环蒸发器的示意图，蒸发室（1）内的料液和进料一起经下循环管（2）进入循环泵（5）内，借助循环泵的推动力，使料液以1.3～1.8米/秒的流速由加热室（7）的下部向上流动，加热蒸汽通过管壁间接加热料液，使料液在加热管内只升温而不沸腾汽化。直至料液离开加热室（7）至上循环管（8）才开始沸腾汽化。离开上循环管（8）的汽液混合物进入蒸发室（1）进行自蒸发并析出结晶，二次蒸汽经捕雾器除去雾沫后由器顶排出，料液则参加下一轮循环。分级腿（3）和结晶罐（4）是浮选分级和临时储存结晶物的。

附图3是本发明推荐采用的N-V-Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ五效错流加料的流程图。分解工段来的种分母液，先分出一部分和硅渣晶种在进料槽（9）内混合，送N效和V效蒸发器进行顺流蒸发，V效出料与余下的另一部分种分母液在中间液槽（10）内混合，经四级预热器（5）预热到接近Ⅰ效料液的温度逆流进入Ⅰ效蒸发器，然后顺流经Ⅱ效和Ⅲ效蒸发器就完成了整个蒸发作业过程。Ⅲ效蒸发器排出的料液经水力旋流器（14）分级，水力旋流器的底流即大颗粒硅渣，经园筒真空过滤机（8）过滤后送氧化铝生产系统处理，水力旋流器的溢流进入沉降槽（7），沉降槽的底流即细颗粒硅渣经园筒真空过滤机（8）过滤后送入进料槽（9），作下一轮蒸发的晶种，循环使用，沉降槽的溢流和过滤机的滤液即本工序的主要产品-蒸发母液，送拜尔法原料磨配料。N、V、Ⅰ和Ⅱ效蒸发器析出的硫酸钠（含少量碳酸钠）结晶经分级腿和结晶罐（2），自蒸发器（13）及离心分离机（3）分离后排出。V效析出的碳酸钠（含少量硫酸钠）结晶经分级腿及结晶罐（2），送至离心分离机（3）分离后排出。V效排出的二次蒸汽及各效的不凝气（图中未示出）经混合式冷凝器（11）和两级蒸汽喷射泵排出。各效的冷凝水和各级预热器的冷凝水则通过冷凝水平衡罐及自蒸发器（6），回收其热量后排出。

本发明推荐采用外加热式管外沸腾强制循环蒸发器，和在蒸发器的料液中添加硅渣晶种的方法，预防蒸发器加热管结垢;采用如附图3所示的五效蒸发器组和N-V-Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ的错流加料流程;采用路布兰法回收硫酸钠中的碱;采用拜尔、烧结两部分种分溶液在拜尔法溶出后的末级自蒸发器内汇合，然后一起送入拜尔法稀释槽进行常压脱硅为最佳实施方案。

Claims (7)

1、在氧化铝生产中，蒸发含碳酸钠、硫酸钠和二氧化硅三种杂质均较多的种分母液时，预防蒸发器加热管结垢的方法，其特征在于：采用外加热式管外沸腾强制循环蒸发器和五效错流加料流程，并在蒸发器内的料液中添加硅渣晶种。

2、根据权利要求1所述的方法，外加热式管外沸腾强制循环蒸发器，其特征在于：加热室的上管板以上至蒸发室的操作液面之间，须保持一个液柱高度H，此液柱高度H所产生的静压力（通过上循环管传递），要大于加热管出口处管内壁滞留内层中的料液温度所对应的饱和蒸汽压力，根据各效的操作条件，此高度H在2～7米之间。

3、根据权利要求1所述的方法，外加热式管外沸腾强制循环蒸发器，其特征在于：上循环管要以3°～12°的仰角，在蒸发室的操作液面以下0.5～2.0米处从切线方向进入蒸发室。

4、根据权利要求1所述的方法，外加热式管外沸腾强制循环蒸发器，其特征在于：蒸发器内的料液采用循环泵强制循环，使料液在加热管内的流速保持在1.3～1.8米/秒。

5、根据权利要求1所述的方法，添加硅渣晶种，其特征在于：在蒸发器的料液中添加10～40克/升的硅渣晶种，也可用拜尔法赤泥代替硅渣晶种。

6、根据权利要求1所述的方法，五效错流加料流程，其特征在于：有Ⅲ-N-V-Ⅰ-Ⅱ、N-V-Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ和V-Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ-N三种流程可供选择，加料方式可采用分流加料，也可采用全流加料。

7、根据权利要求1所述的方法，五效错流加料流程，其特征在于：按料液流向的顺序，最后两台（即最后两效）蒸发器各设有分级腿和结晶罐，作为分别暂时储存硫酸钠结晶和碳酸钠结晶之用，以便定期排出，排出的硫酸钠用路布法回收其中的碱。

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