拜耳法生产氧化铝工艺的蒸汽温度调节技术研究.pdf

世界有色金属2023年8月下202拜耳法生产氧化铝工艺的蒸汽温度调节技术研究赵伟（中铝中州铝业有限公司，河南 焦作 4 5 4 1 7 1）摘 要：为进一步提升拜耳法生产氧化铝工艺的效率和质量，本次研究从蒸汽温度调节角度入手，结合拜耳法生产氧化铝工艺的整体流程，对某厂氧化铝生产过程中蒸汽温度过高的问题展开分析，根据大量的理论计算，明确了当前该厂蒸汽温度过高带来的负面影响。而后以此理论研究为基础，通过对加热室内部和管道的调节，并辅以智能化控制措施，对蒸汽温度调节技术措施进行了探讨，同时分析技术应用后的效果。结果显示，本次蒸汽温度调节技术有效改善了氧化铝生产工艺中的既有问题，具有一定的现实意义，有望在今后得到进一步推广应用。关键词：拜耳法；氧化铝生产；蒸汽温度；调节技术中图分类号：T Q1 3 3.1 文献标识码：A 文章编号：1 0 0 2-5 0 6 5（2 0 2 3）1 6-0 2 0 2-3Research on Steam Temperature Adjustment Technology for Bayer Process for Producing Aluminum OxideZHAOWei(C h i n a A l u mi n u m Z h o n g z h o u A l u mi n u m I n d u s t r y C o.,L t d,J i a o z u o 4 5 4 1 7 1,C h i n a)Abstract:I n o r d e r t o f u r t h e r i mp r o v e t h e e f f i c i e n c y a n d q u a l i t y o f t h e B a y e r p r o c e s s f o r p r o d u c i n g a l u mi n a,t h i s s t u d y s t a r t s f r o m t h e p e r s p e c t i v e o f s t e a m t e mp e r a t u r e r e g u l a t i o n a n d c o mb i n e s w i t h t h e o v e r a l l p r o c e s s o f B a y e r p r o c e s s f o r p r o d u c i n g a l u mi n a.I t a n a l y z e s t h e p r o b l e m o f h i g h s t e a m t e mp e r a t u r e d u r i n g t h e a l u mi n a p r o d u c t i o n p r o c e s s o f a c e r t a i n f a c t o r y,a n d b a s e d o n a l a r g e n u mb e r o f t h e o r e t i c a l c a l c u l a t i o n s,c l a r i f i e s t h e n e g a t i v e i mp a c t o f h i g h s t e a m t e mp e r a t u r e i n t h e c u r r e n t f a c t o r y.B a s e d o n t h i s t h e o r e t i c a l r e s e a r c h,t h e s t e a m t e mp e r a t u r e r e g u l a t i o n t e c h n o l o g y me a s u r e s w e r e e x p l o r e d b y a d j u s t i n g t h e i n t e r n a l a n d p i p e l i n e o f t h e h e a t i n g c h a mb e r,s u p p l e me n t e d b y i n t e l l i g e n t c o n t r o l me a s u r e s,a n d t h e e f f e c t i v e n e s s o f t h e t e c h n o l o g y a p p l i c a t i o n w a s a n a l y z e d.T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e s t e a m t e mp e r a t u r e r e g u l a t i o n t e c h n o l o g y h a s e f f e c t i v e l y i mp r o v e d t h e e x i s t i n g p r o b l e ms i n t h e a l u mi n a p r o d u c t i o n p r o c e s s,a n d h a s c e r t a i n p r a c t i c a l s i g n i f i c a n c e,w h i c h i s e x p e c t e d t o b e f u r t h e r p r o mo t e d a n d a p p l i e d i n t h e f u t u r e.Keywords:B a y e r p r o c e s s;A l u mi n u m o x i d e p r o d u c t i o n;S t e a m t e mp e r a t u r e;Re g u l a t i o n t e c h n o l o g y收稿日期：2 0 2 3-0 6作者简介：赵伟，男，生于1 9 7 2 年，汉族，河南焦作人，本科，机械安装与维护工程师，研究方向：生产工艺。在当前的氧化铝生产工艺中，拜耳法仍是最为常用的一种方法，其过程主要分为原矿浆制备、高压溶出、溶出矿浆稀释、分解洗涤、焙烧、母液蒸发等环节。其中，母液蒸发环节的重要性更为突出。由于氧化铝生产过程中的蒸发环节是典型的复杂系统，因此需要基于化学反应原理，对其蒸气温度进行有效调节，以提升氧化铝的生产效率和质量。1 拜耳法氧化铝生产工艺概述在氧化铝的拜耳法生产过程中，将铝土矿与苛性碱溶液在磨机中共同进行研磨，以形成铝土矿浆液，这些浆液在加热至临界值后即开始溶出，此过程中，反应体系中的氧化铝会和强碱反应，生成铝酸钠，其能够与反应体系中的铁、钛等杂质有效分离1。分离出的铝酸钠则再次通过过滤和分解等工序，以三水合氢氧化铝的形式析出，再对氢氧化铝进行分离、洗涤和高温焙烧，即可得到氧化铝成品。而这一过程中的苛性碱溶液能够经蒸发后循环使用，亦被称之为循环母液2。2 研究项目概况某氧化铝厂应用拜耳法进行氧化铝生产，在该生产流程的母液蒸发环节中，该厂采用F=1100外热式自然循环蒸发器进行作业，该蒸发器为四效错流工作模式，以新蒸汽作为加热蒸汽，新蒸汽走壳程，溶液物料走管程（具体如下图所示）。图1该厂氧化铝生产过程中的蒸发工艺流程如图所示，基于该工艺流程，蒸发原液首先进入到第三个和第四个蒸发器中，从第四个蒸发器往第一个蒸发器流动，沿着母液流动方向溶液浓度和温度都在不断升高。从第一个蒸发器出来的母液流入到第个闪蒸器中，并依次通过三个闪蒸器。闪蒸器内的压力低于母液的压力，因此能充分利用高温出料的热能和正压出料的压力能，使母液中的水在较低的压力下快速自蒸发并与浓缩液分离，完成浓缩过程。沿着母液流动方向，三个闪蒸器中的浓度不断升高，温度不断下降，最终浓缩后的蒸发母液从第1个闪蒸器中排出。实际操作中，蒸发原液或各设备排出母液的流速可通过改变各单元之间过料栗的频率来控制。同时，在每两个相邻的蒸发器2023年8月下 世界有色金属 203之间分别配有一个物料预热器。物料预热器利用从蒸发器来的部分二次蒸汽和从闪蒸器来的二次蒸汽来提高溶液的温度，使母液尽可能的以接近沸腾的温度进入到相应的蒸发器中，提高蒸发器传热效率。另一方面，经过前期勘查资料可知，在该模式下，新蒸汽为过热蒸汽，温度在250 320之间。由于该蒸汽的温度较高，且加工过程中的铝酸钠溶液具有逆溶解特性，因此其在管壁上大量析出，造成蒸发器运行效率严重不足，也给蒸发器的使用寿命带来了严重影响。针对这一问题，该厂技术部门研究后决定，应用蒸汽温度调节技术降低蒸汽温度，从而提高蒸发器传热效率和蒸发强度。3 蒸汽温度调节技术的基本原理分析3.1 基本方案确定基于实际情况，研究人员首先对整体方案进行规划设计，首先确定蒸汽需要调节的温度，此环节根据蒸发器蒸发强度公式进行计算，公式如下：在该公式中，q为蒸发强度，单位为kg/（m2h）；K为总传热系数，单位为kJ/（h）；Tm表示对数平均温度差，单位为；r为水的汽化潜热，在本次研究中该参数为2071.5kJ/kg。在本次研究中，为提升计算效率，参考该厂近期的历史资料，将蒸汽温度设置为250，蒸汽压力则设置为0.6MPa。据此查阅资料可知，在此条件下，饱和蒸汽温度的平均值约为165，此温度也是最适的反应温度。从理论分析可知，如采用常规方式对蒸汽温度进行调节，则需要对管长进行调节。由于此段管内，蒸汽并未发生相变，其壳程对流传热效果相对较差，容易造成蒸发器的总传热系数K值下降过快。据此推断可知，当蒸汽温度过高时，虽然提升了蒸发器的传热推动力，带动了整体传热效果的提升，但由于总传热系数下降速率过快（明显高于推动力增幅），因此整体仍会导致蒸发器蒸发强度q的显著降低。对此，优化蒸发器加热室结构则是本次蒸汽温度调节技术应用的关键内容3-6。3.2 传热系数分析计算为进一步探究蒸汽温度调节技术的基本原理和主要作用，研究人员采用定量分析法进行研究。首先查阅相关资料，确定饱和蒸汽与过热蒸汽在管外冷凝过程中的膜系数，以及原液在管内处于沸腾状态时的膜系数。在查阅资料得到以上几个参数的准确值后，依据以下公式对传热系数进行计算：在该公式中，i和o分别表示换热管内侧和外侧的表面传热系数，通过查资料可知，分别为7600kJ/（h）和18000kJ/（h）；Ri和Ro分别表示换热管内侧和外侧析出的铝酸钠带来的热阻；Rw表示管壁导热热阻；Ao与Ai之比则为换热管的外表面积与内表面积之比。在本次研究中，为提升计算效率，忽略铝酸钠析出带来的额外热阻与管壁热阻给总传热系数K带来的影响，由此，对上述公式进行简化后如下所示：根据简化后的公式，分别考虑两种不同情况下的总传热系数K。其中，采用既有的过热蒸汽加热方法下，其总传热系数K为344kJ/（h）；而在采用饱和蒸汽加热时，其总传热系数K则为5344kJ/（h），当然，在采用饱和蒸汽加热时，由于存在铝酸钠析出附着在管壁上等影响因素，总传热系数通常低于此计算值。3.3 蒸汽温度对管长的影响分析在本环节的分析中，研究人员假设既有的加热管长度为固定值L，采用优化后的饱和蒸汽加热时，存在对数平均温差Tm和蒸发强度q。而使用原有的250蒸汽加热时，需要设置L 的管长，使高温蒸汽变为饱和蒸汽（此段管线也通常称之为“显热段”），由此可知，发生相变的管长即为原管长与显热段管长之差。在此条件下，显热段管线与相变段管线分别存在两个对数平均温差，同时蒸发强度也随之改变，此参数以q 予以表示。由此，研究人员首先对使用既有250蒸汽加热模式下的情况进行深入分析，根据相关资料可知，在250蒸汽下，该蒸汽的比热容cp为2.925kJ/（kg），如此时过热蒸汽流量为Q，且生产过程中原液沸点温度为130，因此可求得此时的对数平均温差Tm为饱和蒸汽温度与原液沸点温度之差，该数值为35。在此基础上，进一步求出显热段和相变段的对数平均温差，其中相变段的对数平均温差Tm 仍为35，显热段的对数平均温差Tm 则根据该整式进行计算：代入已知数据后，求得该对数平均温差约为69。在此基础上，研究人员应用热平衡理论，得出以下两个公式：在以上两个公式中，A表示蒸发器的总传热面积；A表示显热段的传热面积，单位均为m2。由此，对以上两个公式相除，即可得到新公式如下所示：将已知数据代入上式计算后可得出结果约为0.486。该结果表示，在当前该厂使用平均温度为250的蒸汽进行加热时，加热室内显热段管长占总管长之比约为48.6%，占比已相对较高。由于此段管长主要用于冷却过热蒸汽，而并未应用到冷凝传热当中，因此蒸发强度也必然降低。3.4 蒸汽温度调节对蒸发强度的影响分析根据章节2.1中的蒸发强度计算公式，代入相关数据后可知，在使用平均温度为250的蒸汽进行加热时，其理论蒸发强度为51.9kg/（m2h）。当然在实际生产过程中，受到铝酸钠析出附着在管壁上等因素的影响，实际蒸发强度通常在20kg/（m2h）以下，对整体生产的效率和质量也造成严重制约。而当温度调整至165后，其理论蒸发强度则相应变更为90.3kg/（m2h），提升至原有理论值的世界有色金属2023年8月下204173.91%，其效果预计将更为显著。根据上述计算结果可知，仅考虑传热角度的情况下，沿用既有的250的过热蒸汽进行生产，使蒸发强度下降了42.5%，不仅如此，在实际生产中由于蒸汽温度过高，还导致大量铝酸钠晶体析出，在管道上出现“结疤”现象，造成蒸发器实际蒸发强度进一步下降。从另一方面来看，如对蒸汽温度进行调整，则蒸发器蒸发强度可在理论上提高74%左右，这也为后续的蒸汽温度调节技术提供了理论基础。4 蒸汽温度调节技术的具体应用策略及效果4.1 蒸汽温度调节技术的应用措施根据上述理论研究结果后，该厂技术部门采用以下几方面的措施进行蒸汽温度调节技术的应用。一是对加热室内部进行调节。在本环节的调节中，技术人员在加热室入口处的蒸汽接管位置上，增设一个小型雾化喷嘴，同时增设一个导流筒。在引入该装置后，原有的250的过热蒸汽将转换为165的饱和蒸汽，同时确保离开导流筒的流动相全部转换为蒸汽。二是对管线的冷却系统进行优化调整，通过使用Revit软件调整管线管路，将I效新蒸汽冷凝环节中产生的冷凝水（该冷凝水中不含任何碱液成分），对管线内的高温蒸汽进行冷却调节，实现温度的快速降低，加速其变成饱和蒸汽7-10。为确保以上技术得到有效应用，并提高针对各种不同工况下的运行效果，在本次设计中，技术人员也基于智能化制造的有关理念和技术方法，构建用于调节蒸汽温度的DCS系统，该系统的设计目的是，根据原料的流量、浓度、温度，以及蒸发器内的压力等大量参数，对蒸汽温度进行优化调整，使之符合预期要求。对此，主要采用模型预测控制方法，利用大数据和人工智能技术，构建准确的控制模型，该模型的原理见图2。图2控制模型的基本原理图如图所示，该模型主要根据生产现场所采集的工艺参数，结合历史数据进行分析和计算，并根据计算结果，实时调整蒸汽温度达到最优值。采用预测控制模型后，其优点在于：对模型要求不高，不需要深入了解过程内部机理，建模方便；鲁棒性可调，有利于提高系统的鲁棒性；较好的动态控制效果；可处理约束；可实现多目标优化；不增加理论困难，可推广到有约束条件、大纯滞后、非最小相位及非线性等过程。4.2 实际应用效果分析在以上温度调节技术投入实际应用后，技术人员对应用效果进行对比测试，首先对实际的蒸汽温度进行测试。测试结果显示，在应用上述蒸汽温度调节技术后，蒸汽温度降至165.3，与理论上的饱和蒸汽温度已经高度相似，这表明本次温度调节的预期目标已经得到实现。在此基础上，对蒸发器蒸发强度进行对比，结果如下表所示。表1温度调节技术应用前后蒸发器蒸发强度对比（单位：kg/（m2h）项目指标蒸发强度理论值蒸发强度实际值应用前51.919.4应用后90.376.2从上表中的数据可见，在应用温度调节技术后，蒸发环节的蒸发强度较以往相比有大幅增长，同时在温度调节技术应用后，蒸发强度理论值与实际值的差异也相对较小，初步推断，在应用温度调节技术后，由于铝酸钠析出和吸附的情况得到显著改善，因此其对于蒸发强度的负面影响也大为降低。另一方面，本次针对氧化铝加工工艺及运行维护等方面的指标也进行了相应的测试，测试结果如下表所示。表2温度调节技术应用前后其他参数变化情况指标项目技术应用前技术应用后单周期管道清洗次数62单次持续运行时间/h270.3368.8从上表中的数据可见，就温度调节技术应用前和应用后的两个运行周期内，由于技术应用后铝酸钠晶体结疤现象得到显著缓解，因此管道清洗次数显著降低。同时，在温度调节技术应用后，由于提升了整体蒸发工艺的稳定性，因此单周期内的持续运行时间也显著增加，预计本次应用的温度调节技术对于优化提升氧化铝生产效率和质量也较有作用。5 结语整体来看，在本次研究中，结合传统模式下拜耳法氧化铝生产过程中蒸汽温度较高的制约因素，对蒸汽温度过高的主要影响进行了分析，并通过理论分析及计算，确定了需要调整的蒸汽温度，以此确定了温度调节技术应用方案的具体规划和细节。在此基础上，将温度调节技术投入实际应用，实际应用效果显示，其在提升蒸发强度和工艺稳定性等方面均发挥了相对较优的作用。这证明本次基于拜耳法氧化铝生产工艺的蒸汽温度调节技术取得了初步成功。当然，在今后的工作中，仍需要进一步整合互联网、人工智能等调节技术，以实现技术水平的进一步转型升级。1王文喜.拜耳法氧化铝蒸发过程的数值模拟及在I/A系统上的实现J.当代化工研究,2022(16):34-37.2倪阳.拜耳法生产氧化铝过程的碳排放核算J.轻金属,2021(07):4-8.3熊平.高硫铝土矿与拜耳法赤泥协同焙烧分离铁铝的研究D.昆明理工大学,2021.4张铁志,弭飞飞.基于氧化铝生产工艺中的节能降本技术研究J.世界有色金属,2020(16):12-13.5刘志龙.氧化铝厂的生产工艺流程与设备改造J.世界有色金属,2019(22):34-35.6王善涛,汤志彩.拜耳法生产中氢氧化铝粒度的控制方法J.中国金属通报,2019(06):22-23.7张继豪.拜耳法回收铝精矿中氧化铝工艺研究D.广西大学,2019.8康志军,周康军.氧化铝智能制造低温拜耳法配料系统在线分析技术研究与应用J.中国设备工程,2020(S1):301-307.9毛鹏.拜耳法分解降温系统节能技术改造J.有色冶金节能,2020,36(04):19-21+38.10 刘志龙.氧化铝厂的生产工艺流程与设备改造J.世界有色金属,2019(22):34-35.