專利名稱:氧化鋁生產(chǎn)中預(yù)防蒸發(fā)器加熱管結(jié)垢的方法
本發(fā)明屬于氧化鋁生產(chǎn)的蒸發(fā)技術(shù)，是采用拜爾法，特別是采用拜爾-燒結(jié)聯(lián)合法生產(chǎn)氧化鋁，蒸發(fā)含有碳酸鈉，硫酸鈉和二氧化硅三種有害雜質(zhì)均較多的種分母液時，預(yù)防蒸發(fā)器加熱管結(jié)垢的方法。
在氧化鋁生產(chǎn)中，蒸發(fā)是為了保持生產(chǎn)系統(tǒng)的水量平衡，使種分母液濃縮到符合拜爾法溶出要求的苛性氧化鈉(以Na20K表示，下同)濃度，同時，排除在生產(chǎn)過程中積累的有害雜質(zhì)，如硫酸鈉、碳酸鈉、二氧化硅等。
目前我國氧化鋁廠使用最多的蒸發(fā)裝置，是外加熱式管內(nèi)沸騰自然循環(huán)蒸發(fā)器，和三效錯流(又稱混流)加料流程，并可以Ⅱ-Ⅲ-Ⅰ和Ⅲ-Ⅰ-Ⅱ兩種流程交替調(diào)換操作。這種蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)示意圖見附圖1，待蒸發(fā)的料液在加熱室(3)內(nèi)被蒸汽間接加熱，并在加熱管內(nèi)開始沸騰，沸騰時，從料液中析出的結(jié)晶積結(jié)在加熱管壁上形成結(jié)垢。這種蒸發(fā)器每8小時要調(diào)換一次加料流程，用低濃度料液去清洗加熱管結(jié)垢，5～7天要用熱水煮罐一次，25～30天要用化學(xué)法洗罐一次，因為結(jié)垢嚴重，故蒸發(fā)效率很低。
為了提高蒸發(fā)效率，近來在聯(lián)合法氧化鋁廠中，將拜爾法和燒結(jié)法兩部分種分溶液分開，分別進行蒸發(fā)后再匯合，借以避免或減少含碳酸鈉和硫酸鈉較多的燒結(jié)法種分溶液污染拜爾法溶液，為蒸發(fā)拜爾法種分母液采用前述的外加熱式管內(nèi)沸騰自然循環(huán)蒸發(fā)器，和四效逆流操作及三級自蒸發(fā)器的兩段蒸發(fā)流程創(chuàng)造條件。實踐證明，與三效錯流流程比較，這種流程的加熱管結(jié)垢程度較輕，但因蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)未改變，所以加熱管結(jié)垢特別是硅渣(二氧化硅在鋁酸鈉溶液中生成Na2o·Al2o3·1·7Sio2·nH2o固相稱鈉鋁硅渣，簡稱硅渣，下同)結(jié)垢仍然相當(dāng)嚴重，盡管能耗和成本降低，生產(chǎn)能力提高，但帶來的不良后果是氧化鋁的生產(chǎn)流程大大加長，工藝復(fù)雜化。
近十多年來，歐洲許多拜爾法氧化鋁廠采用降膜蒸發(fā)器，和五效逆流操作及四級自蒸發(fā)器的兩段蒸發(fā)流程。采用這種蒸發(fā)器，蒸發(fā)前須預(yù)先對溶液進行深度脫硅處理以防硅渣管垢，采用兩段蒸發(fā)，使碳酸鈉結(jié)晶移至蒸發(fā)器外。其缺點是流程較復(fù)雜，且不適合蒸發(fā)含硫酸鈉較多的種分母液。
美國專利4256536號(一九八一年三月十七日公布)提出一種可用于氧化鋁廠的新型蒸發(fā)器。這種蒸發(fā)器的外殼是一個立式園筒形容器，筒體上部是蒸發(fā)室，中間是加熱室，下部是料液室。在蒸發(fā)室內(nèi)緊靠加熱室上管板板面的中心部位，垂直安設(shè)一個沸騰室。在蒸發(fā)室內(nèi)穿過沸騰室和下部料液室，垂直安設(shè)一塊隔板，把蒸發(fā)器縱向分成兩半，每一半里均有低濃度料液和高濃度料液自成系統(tǒng)地獨立循環(huán)。這種蒸發(fā)器的優(yōu)點是，可利用低濃度料液去清洗高濃度料液加熱管中產(chǎn)生的結(jié)垢，而不需停止蒸發(fā)器的運行。其缺點是對不溶于低濃度料液中的硅渣管垢，仍須用化學(xué)法才能清除。
制鹽、制堿及化工行業(yè)的長期實踐證明，當(dāng)蒸發(fā)器的料液中固體結(jié)晶物含量小于15%，在采用外加熱式管外沸騰強制循環(huán)蒸發(fā)器的條件下，可以做到加熱管內(nèi)長期不產(chǎn)生易溶性(即易溶解于熱水中)結(jié)垢(如氯化鈉、氯化鉀、硫酸鈉等)，也不需用熱水煮罐。氧化鋁廠蒸發(fā)器的料液中固體結(jié)晶物(包括碳酸鈉、硫酸鈉和硅渣晶種在內(nèi))含量，一般為4～7%，最多不超過10%。根據(jù)制鹽、制堿及化工等行業(yè)的經(jīng)驗，在氧化鋁生產(chǎn)中，如能采用外加熱式管外沸騰強制循環(huán)蒸發(fā)器，定能有效地預(yù)防蒸發(fā)器加熱管生成碳酸鈉和硫酸鈉結(jié)垢。
綜上所述，目前氧化鋁廠的種分母液蒸發(fā)工序中，尚未找到一種既可簡化氧化鋁的生產(chǎn)流程，又能同時預(yù)防硫酸鈉、碳酸鈉和硅渣三種雜質(zhì)在加熱管內(nèi)結(jié)垢的方法，致使蒸發(fā)效率低下，蒸發(fā)工序成為氧化鋁生產(chǎn)中的薄弱環(huán)節(jié)。
本發(fā)明的目的，是在氧化鋁生產(chǎn)中采用一種新的能預(yù)防蒸發(fā)器加熱管結(jié)垢的蒸發(fā)方法。使用這種方法，在種分母液蒸發(fā)過程中，可同時預(yù)防硫酸鈉、碳酸鈉和硅渣三種雜質(zhì)在蒸發(fā)器加熱管內(nèi)結(jié)垢，即盡量使垢物從加熱管壁面上引出來，又可簡化和縮短氧化鋁的生產(chǎn)流程。在蒸發(fā)過程中，可把析出的硫酸鈉結(jié)晶和碳酸鈉結(jié)晶分開，以便采用路布蘭法充分回收硫酸鈉中的堿，減少堿的化學(xué)損失，還可實現(xiàn)五效蒸發(fā)器組，降低能耗和成本。
本發(fā)明采用外加熱式管外沸騰強制循環(huán)蒸發(fā)器和五效錯流加料流程，可有效地預(yù)防加熱管產(chǎn)生易溶性的硫酸鈉和碳酸鈉結(jié)垢。在蒸發(fā)器的料液中采用添加硅渣晶種的方法，可預(yù)防和大大減緩加熱管生成難溶性(即不溶于熱水)的硅渣結(jié)垢。
外加熱式管外沸騰強制循環(huán)蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)示意圖見附圖2，它由蒸發(fā)室(1)、加熱室(7)和循環(huán)泵(5)三部分，及聯(lián)接這三部分的下循環(huán)管(2)和上循環(huán)管(8)組成。被加熱的料液借助循環(huán)泵的推動力，以1.3～1.8米/秒的流速在加熱管內(nèi)由下向上流動，加熱蒸汽則通過管壁間接加熱，使料液升溫，升溫后的料液離開加熱室便進入上循環(huán)管(8)。在上循環(huán)管(8)內(nèi)，隨著料液逐漸上升，所受的液柱靜壓力逐漸減少，當(dāng)此液柱靜壓力減少到一定程度，料液即開始沸騰。并以汽液混合物的狀態(tài)離開上循環(huán)管(8)進入蒸發(fā)室(1)，所以上循環(huán)管又叫沸騰管。沸騰的料液在蒸發(fā)室內(nèi)進行自蒸發(fā)并析出結(jié)晶，放出的二次蒸汽通過蒸發(fā)室上部的捕霧器除去霧沫后由室頂排出，自蒸發(fā)后的料液則下降經(jīng)下循環(huán)管(2)和循環(huán)泵(5)，繼續(xù)進行循環(huán)。
管外沸騰是本發(fā)明借鑒制鹽、制堿行業(yè)的經(jīng)驗，用以預(yù)防加熱管產(chǎn)生易溶性結(jié)垢的關(guān)鍵措施，即必須保證料液在加熱管內(nèi)只升溫(過熱)而不沸騰汽化，為達到這一目的，在加熱室的上管板以上至蒸發(fā)室的操作液面之間，須保持一個液柱高度H，此液柱高度H所產(chǎn)生的靜壓力(通過上循環(huán)管(8)傳遞)，要大于加熱管出口處管內(nèi)壁滯留內(nèi)層中的料液溫度所對應(yīng)的飽和蒸汽壓力。對多效蒸發(fā)器而言，各效的操作壓力和溫度不同，上循環(huán)管內(nèi)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米之間。為了減少料液在蒸發(fā)室內(nèi)的短路溫度損失，和有利于實現(xiàn)管外沸騰，上循環(huán)管(8)要以3°～12°的仰角，在蒸發(fā)室的操作液面以下0.5～2.0米處從切線方向進入蒸發(fā)室。對多效蒸發(fā)器(例如五效)來說，為便于排除硫酸鈉和碳酸鈉結(jié)晶，按料液的流向順序，最后兩臺(即最后兩效)蒸發(fā)器要各安設(shè)一個分級腿(3)和一個結(jié)晶罐(4)，為分別暫存硫酸鈉結(jié)晶和碳酸鈉結(jié)晶之用，以便定期排出。分級腿(3)主要起逆流浮選分級作用，大顆粒晶體在其自身的重力作用下下沉至分級腿的下部和結(jié)晶罐內(nèi);小顆粒晶體則由分級腿中逆流向上的料液帶入下循環(huán)管，繼續(xù)循環(huán)長大。
本發(fā)明采用強制循環(huán)蒸發(fā)器的原因有二一是加大料液在加熱管內(nèi)的流速。為防垢和提高傳熱效率創(chuàng)造條件。二是為三效蒸發(fā)器組改為五效蒸發(fā)器組創(chuàng)造條件。強制循環(huán)蒸發(fā)器的缺點是電耗較大，但過去人們過分夸大了這個缺點。由于強制循環(huán)蒸發(fā)器的總傳熱系數(shù)較高，蒸發(fā)強度較大，加之本發(fā)明選擇了合理的循環(huán)泵參數(shù)(包括揚程，流量和總效率)，所以分攤到每噸蒸水的電耗增加不多，而汽耗卻比三、四效蒸發(fā)器低得多，故總能耗明顯降低。現(xiàn)列表對比如下

本發(fā)明在外加熱式管外沸騰強制循環(huán)蒸發(fā)器的料液中，添加10～40克/升的硅渣晶種，預(yù)防和減緩加熱管產(chǎn)生難溶性的硅渣結(jié)垢，也可用拜爾法赤泥代替硅渣晶種。以附圖3所示的流程為例。硅渣晶種是和種分母液同時加入蒸發(fā)器的，并按N-V-Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ效的順序流動。當(dāng)蒸發(fā)作業(yè)完成后，蒸發(fā)母液又攜帶著硅渣晶種(包括少量碳酸鈉和硫酸鈉結(jié)晶)一起從最后一效(即Ⅲ效)蒸發(fā)器排出。排出的料液須經(jīng)水力旋流器(14)分級，水力旋流器的底流是大顆粒硅渣，經(jīng)園筒真空過濾機(8)過濾后送氧化鋁生產(chǎn)系統(tǒng)處理。水力旋流器的溢流經(jīng)沉降和過濾后，所得濾餅即細粒硅渣，作下一輪蒸發(fā)的晶種，循環(huán)使用。渣晶種的粒度較細，在蒸發(fā)器內(nèi)呈懸浮狀態(tài)。在循環(huán)過程中，主要是利用料液中析出的硅渣結(jié)晶對其晶種的親和力大于其對加熱管壁的親和力的原理，使蒸發(fā)過程中不斷析出的硅渣結(jié)晶，優(yōu)先附著在硅渣晶種的表面上，加之懸浮的晶種在加熱管內(nèi)快速流動，不斷摩擦沖擊管壁，這樣即可達到預(yù)防或大大減緩硅渣結(jié)垢的目的。采用添加硅渣晶種的方法防垢，其防垢效果與操作管理水平的關(guān)系很大，如操作管理跟不上，仍難免結(jié)硅垢，因此進行化學(xué)清洗，仍是必不可少的輔助措施。只是清洗周期可比現(xiàn)行技術(shù)大為延長，清洗工作量也可減少很多。
本發(fā)明采用五效蒸發(fā)器組和錯流加料流程。這種流程有Ⅲ-N-V-Ⅰ-Ⅱ，N-V-Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ和V-Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ-N三種方案可供選擇，要根據(jù)工藝條件。通過技術(shù)經(jīng)濟比較選定。按我國目前的生產(chǎn)實際情況，以采用N-Ⅴ-Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ流程較好，詳見附圖3。
為了節(jié)約蒸汽，本發(fā)明采用分流加料的方式，也可采用全流加料。所謂分流加料是將種分母液從兩個地點加入蒸發(fā)器內(nèi)，以附圖3所示的流程為例，將待蒸發(fā)的全部種分母液先分出一部份(一般為總量的50%左右，不宜少于此數(shù))送N效和V效進行順流蒸發(fā)，V效出來的料液與待蒸發(fā)的另一部分種分母液匯合，再經(jīng)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ效順流蒸發(fā)后排出。這種分流加料方式比全流加料(即全部種分母液都流經(jīng)N-V-Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ效)每蒸一噸水約可減少蒸汽消耗0.015噸。
硫酸鈉和碳酸鈉在不同苛性氧化鈉(Na2OK)濃度的鋁酸鈉溶液中的平衡濃度不同。本發(fā)明利用這一特點，在五效蒸發(fā)的流程中，將硫酸鈉(含有少量碳酸鈉)結(jié)晶和碳酸鈉(含有少量硫酸鈉)結(jié)晶分開。按料液流向的順序，在最后兩效蒸發(fā)器的分級腿和結(jié)晶罐中分別排出。這樣就可采用路布蘭法回收硫酸中的堿和排硫。和現(xiàn)行技術(shù)采用生料加煤回收硫酸鈉中的堿和排硫比較。路布蘭法不但可大大減輕硫酸鈉對氧化鋁生產(chǎn)的危害，還可降低能耗和堿耗。及為合理利用含硫較高的高品位鋁土礦創(chuàng)造條件。
由于解決了蒸發(fā)器的防垢問題。在聯(lián)合法氧化鋁廠中，便可將燒結(jié)法未經(jīng)中壓脫硅的種分溶液(粗液)送至拜爾法溶出的末級自蒸發(fā)器內(nèi)，與拜爾法溶出液(高壓礦漿)及調(diào)整液匯合，并利用末級自蒸發(fā)器內(nèi)多余的低壓蒸汽加熱，然后一并送入拜爾法稀釋槽，利用拜爾法赤泥作晶種進行常壓脫硅。這樣就可大大縮短和簡化氧化鋁的生產(chǎn)流程。
和已有技術(shù)比較，按照本發(fā)明的方法，在蒸發(fā)過程中，可同時預(yù)防硫酸鈉、碳酸鈉和硅渣三種雜質(zhì)在蒸發(fā)器加熱管內(nèi)結(jié)垢，即盡量使垢物從加熱管壁上引出來，從而可大幅度地提高蒸發(fā)效率;可為縮短和簡化氧化鋁的生產(chǎn)流程，及合理利用含硫較高的高品位鋁土礦創(chuàng)造條件;還可為充分發(fā)揮氧化鋁廠除蒸發(fā)以外其他各工序的設(shè)備能力，大幅度地提高氧化鋁的產(chǎn)量創(chuàng)造條件。
由于蒸發(fā)器的生產(chǎn)能力成倍增長，能耗大幅度地下降，流程大為簡化，以每噸氧化鋁蒸水5噸，年產(chǎn)100萬噸氧化鋁的聯(lián)合法工廠計算，和現(xiàn)行技術(shù)比較，約可減少基建投資3000～4000萬元，每年可減少能耗17～18萬噸標準煤，減少堿耗約1～1.2萬噸，降低成本約2000～2500萬元(按未調(diào)價前的物價計算)。
附圖的簡要說明
附圖1是現(xiàn)在生產(chǎn)上廣泛采用的外加熱式管內(nèi)沸騰自然循環(huán)蒸發(fā)器的示意圖。蒸發(fā)室(1)內(nèi)的料液和進料一起經(jīng)下循環(huán)管(2)進入加熱室(3)，在加熱室內(nèi)料液被加熱蒸汽間接加熱，使料液升溫并沸騰汽化，離開加熱室的汽液混合物經(jīng)上循環(huán)管(4)進入蒸發(fā)室(1)，如此不斷循環(huán)。
附圖2是本發(fā)明采用的外加熱式管外沸騰強制循環(huán)蒸發(fā)器的示意圖，蒸發(fā)室(1)內(nèi)的料液和進料一起經(jīng)下循環(huán)管(2)進入循環(huán)泵(5)內(nèi)，借助循環(huán)泵的推動力，使料液以1.3～1.8米/秒的流速由加熱室(7)的下部向上流動，加熱蒸汽通過管壁間接加熱料液，使料液在加熱管內(nèi)只升溫而不沸騰汽化。直至料液離開加熱室(7)至上循環(huán)管(8)才開始沸騰汽化。離開上循環(huán)管(8)的汽液混合物進入蒸發(fā)室(1)進行自蒸發(fā)并析出結(jié)晶，二次蒸汽經(jīng)捕霧器除去霧沫后由器頂排出，料液則參加下一輪循環(huán)。分級腿(3)和結(jié)晶罐(4)是浮選分級和臨時儲存結(jié)晶物的。
附圖3是本發(fā)明推薦采用的N-V-Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ五效錯流加料的流程圖。分解工段來的種分母液，先分出一部分和硅渣晶種在進料槽(9)內(nèi)混合，送N效和V效蒸發(fā)器進行順流蒸發(fā)，V效出料與余下的另一部分種分母液在中間液槽(10)內(nèi)混合，經(jīng)四級預(yù)熱器(5)預(yù)熱到接近Ⅰ效料液的溫度逆流進入Ⅰ效蒸發(fā)器，然后順流經(jīng)Ⅱ效和Ⅲ效蒸發(fā)器就完成了整個蒸發(fā)作業(yè)過程。Ⅲ效蒸發(fā)器排出的料液經(jīng)水力旋流器(14)分級，水力旋流器的底流即大顆粒硅渣，經(jīng)園筒真空過濾機(8)過濾后送氧化鋁生產(chǎn)系統(tǒng)處理，水力旋流器的溢流進入沉降槽(7)，沉降槽的底流即細顆粒硅渣經(jīng)園筒真空過濾機(8)過濾后送入進料槽(9)，作下一輪蒸發(fā)的晶種，循環(huán)使用，沉降槽的溢流和過濾機的濾液即本工序的主要產(chǎn)品-蒸發(fā)母液，送拜爾法原料磨配料。N、V、Ⅰ和Ⅱ效蒸發(fā)器析出的硫酸鈉(含少量碳酸鈉)結(jié)晶經(jīng)分級腿和結(jié)晶罐(2)，自蒸發(fā)器(13)及離心分離機(3)分離后排出。V效析出的碳酸鈉(含少量硫酸鈉)結(jié)晶經(jīng)分級腿及結(jié)晶罐(2)，送至離心分離機(3)分離后排出。V效排出的二次蒸汽及各效的不凝氣(圖中未示出)經(jīng)混合式冷凝器(11)和兩級蒸汽噴射泵排出。各效的冷凝水和各級預(yù)熱器的冷凝水則通過冷凝水平衡罐及自蒸發(fā)器(6)，回收其熱量后排出。
本發(fā)明推薦采用外加熱式管外沸騰強制循環(huán)蒸發(fā)器，和在蒸發(fā)器的料液中添加硅渣晶種的方法，預(yù)防蒸發(fā)器加熱管結(jié)垢;采用如附圖3所示的五效蒸發(fā)器組和N-V-Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ的錯流加料流程;采用路布蘭法回收硫酸鈉中的堿;采用拜爾、燒結(jié)兩部分種分溶液在拜爾法溶出后的末級自蒸發(fā)器內(nèi)匯合，然后一起送入拜爾法稀釋槽進行常壓脫硅為最佳實施方案。
權(quán)利要求
1、在氧化鋁生產(chǎn)中，蒸發(fā)含碳酸鈉、硫酸鈉和二氧化硅三種雜質(zhì)均較多的種分母液時，預(yù)防蒸發(fā)器加熱管結(jié)垢的方法，其特征在于采用外加熱式管外沸騰強制循環(huán)蒸發(fā)器和五效錯流加料流程，并在蒸發(fā)器內(nèi)的料液中添加硅渣晶種。
2、根據(jù)權(quán)利要求
1所述的方法，外加熱式管外沸騰強制循環(huán)蒸發(fā)器，其特征在于加熱室的上管板以上至蒸發(fā)室的操作液面之間，須保持一個液柱高度H，此液柱高度H所產(chǎn)生的靜壓力(通過上循環(huán)管傳遞)，要大于加熱管出口處管內(nèi)壁滯留內(nèi)層中的料液溫度所對應(yīng)的飽和蒸汽壓力，根據(jù)各效的操作條件，此高度H在2～7米之間。
3、根據(jù)權(quán)利要求
1所述的方法，外加熱式管外沸騰強制循環(huán)蒸發(fā)器，其特征在于上循環(huán)管要以3°～12°的仰角，在蒸發(fā)室的操作液面以下0.5～2.0米處從切線方向進入蒸發(fā)室。
4、根據(jù)權(quán)利要求
1所述的方法，外加熱式管外沸騰強制循環(huán)蒸發(fā)器，其特征在于蒸發(fā)器內(nèi)的料液采用循環(huán)泵強制循環(huán)，使料液在加熱管內(nèi)的流速保持在1.3～1.8米/秒。
5、根據(jù)權(quán)利要求
1所述的方法，添加硅渣晶種，其特征在于在蒸發(fā)器的料液中添加10～40克/升的硅渣晶種，也可用拜爾法赤泥代替硅渣晶種。
6、根據(jù)權(quán)利要求
1所述的方法，五效錯流加料流程，其特征在于有Ⅲ-N-V-Ⅰ-Ⅱ、N-V-Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ和V-Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ-N三種流程可供選擇，加料方式可采用分流加料，也可采用全流加料。
7、根據(jù)權(quán)利要求
1所述的方法，五效錯流加料流程，其特征在于按料液流向的順序，最后兩臺(即最后兩效)蒸發(fā)器各設(shè)有分級腿和結(jié)晶罐，作為分別暫時儲存硫酸鈉結(jié)晶和碳酸鈉結(jié)晶之用，以便定期排出，排出的硫酸鈉用路布法回收其中的堿。
專利摘要
預(yù)防蒸發(fā)器加熱管結(jié)垢的方法是氧化鋁生產(chǎn)中的蒸發(fā)技術(shù)。在蒸發(fā)含有碳酸鈉、硫酸鈉和二氧化硅三種雜質(zhì)均較多的種分母液時，采用傳統(tǒng)的外加熱式管內(nèi)沸騰自然循環(huán)蒸發(fā)器，易在加熱管壁生成結(jié)垢，蒸發(fā)效率很低。本發(fā)明是采用外加熱式管外沸騰強制循環(huán)蒸發(fā)器和五效錯流加料流程，及在蒸發(fā)器內(nèi)的料液中采用添加硅渣晶種的方法，可有效地預(yù)防蒸發(fā)器加熱管結(jié)垢，大大提高蒸發(fā)效率。
文檔編號B01D1/26GK85103681SQ85103681
公開日1986年11月12日 申請日期1985年5月6日
發(fā)明者任凱 申請人:貴陽鋁鎂設(shè)計研究院導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan