氧化鋁高壓溶出過程管道結疤的特性及清理方法優化

杜英國

(遵義鋁業股份有限公司, 貴州 遵義 563100)

0 前言

氧化鋁生產過程中產生的結疤是由鋁土礦中各種礦物與循環母液、石灰添加劑發生物理化學反應所形成的沉淀物,包括新生成的礦物。在氧化鋁生產中,由于各種因素、生產條件的變化,當一些沉淀物或未溶解的固體顆粒在套管表面粘附、沉積、結晶生長,難以自行脫落溶解時,最終就會形成結疤。結疤是制約氧化鋁生產設備產能和效率的一個重要因素,在高壓溶出過程中,直接導致換熱器換熱能力下降、機組壓力升高,從而降低設備產能并增加能耗。了解高壓溶出過程中結疤的成分和清理方法,并對現有清理方式進行優化改進,可以提高清理效率,有效降低能耗,達到設備連續穩定運行高產的目的。

1 研究對象及條件

為了解高壓溶出結疤的成分種類,以遵義鋁業股份有限公司(以下簡稱“遵義鋁業”)氧化鋁溶出系統作為研究對象,分析結疤的成分及形成原因。

1.1 高壓溶出工藝流程

遵義鋁業氧化鋁溶出系統采用拜耳法管道化溶出工藝。工藝流程如圖1所示。將磨制合格的原礦漿送往預脫硅槽加熱預脫硅后,再用喂料泵送至溶出前槽,料漿自壓供給隔膜泵,由隔膜泵加壓送入溶出機組。由隔膜泵輸出的礦漿經第一個脈沖緩沖器減振后進入十級乏汽預熱套管,再進入熔鹽加熱套管加熱到溶出溫度,然后進入第2個脈沖緩沖器減振后進入6個保溫停留罐反應,然后進入十級閃蒸罐降壓降溫,再進入稀釋槽,并用沉降系統送來的洗液對溶出礦漿進行稀釋,然后用稀釋泵送至溶出后槽,再泵送至分離沉降槽分離。

圖1 拜耳法管道化溶出工藝流程

在熔鹽加熱套管內,高溫熔鹽和料漿進行間接換熱,使料漿達到溶出溫度260～263 ℃,換熱后的低溫熔鹽返回熔鹽車間加熱后循環使用。高溫料漿在十級閃蒸器內降壓降溫,產生的乏汽進入對應的十級乏汽預熱套管間接預熱低溫料漿,乏汽產生的冷凝水進入相應的十級逐級連通的冷凝水罐,冷凝水匯集到末級冷凝水罐,用冷凝水泵送到熱水站。各級冷凝水罐產生的乏汽和下一級的閃蒸乏汽匯合,共同預熱低溫料漿,而末級冷凝水罐的乏汽同稀釋槽的乏汽匯合進入冷凝器,加熱后的水送至熱水站。

1.2 高壓溶出結疤的成因

在鋁土礦漿的預熱及溶出過程中,一些礦物與循環母液、生石灰發生化學反應,以溶解度很小的新礦物形態析出,粘附在器壁表面,這就是結疤產生的原因[1]。當然,也存在礦漿中的固相顆粒在流動過程中沉積而與新生成的礦物同時粘附到器壁表面而導致結疤的情況。

高壓溶出過程中,結疤的生成也是一個極為復雜的物理化學過程,影響因素很多。普遍認為熱交換面上結疤的生成在很大程度上取決于鋁土礦漿隨溫度的升高而發生的化學反應[2]。

遵義鋁業氧化鋁生產使用一水硬鋁石型鋁土礦的拜耳法溶出工藝,生產過程中需加入生石灰作為添加劑,高壓溶出預熱段在溫度較低情況下,主要發生(1)、(2)化學反應;在較高溫度情況下,主要發生(3)、(4)化學反應,是因為鋁土礦中的含鈦礦物在礦漿預熱及溶出過程中與添加劑生石灰反應。

(1)

(2)

(3)

(4)

1.3 礦石及循環母液成分

遵義鋁業氧化鋁生產使用的原料是遵義地區一水硬鋁石礦,礦石品位較差。鋁土礦化學成分見表1。氧化鋁含量年平均只有52.36%,鋁硅比A/S為5.06,全硫含量年平均0.23%,TiO2含量較高,年平均達到2.01%。配入的生石灰有效鈣不高,年均83.55%,且雜質含量較高(表2);配入的循環母液苛堿濃度和苛性比值aK不高(表3)。

表1 鋁土礦的主要化學成分 %

表2 生石灰的主要化學成分 %

表3 循環母液化學成分

1.4 高壓溶出反應條件

氧化鋁溶出反應溫度條件見表4。從表4可以看出,預熱套管一至十級以及熔鹽加熱套管的溫度隨著套管級數升高。由于一至四級預熱管溫度不高,礦漿沒有經過高溫反應,礦漿中的固體顆粒對管道有磨蝕,所以結疤很少,結疤主要出現在五級以上預熱套管。

表4 溶出反應溫度條件

2 結疤化學成分及礦物組成

2.1 結疤化學成分

根據上述配料成分和反應條件,進行高壓溶出反應一個周期(60 d),對五級及以上套管結疤進行取樣,并利用X 射線熒光光譜法分析結疤的化學成分,結果見表5。

表5 不同換熱套管結疤化學成分 %

由表5可知,在不同反應溫度下,結疤化學成分差異較大。隨著溫度升高,套管結疤中Al2O3含量降低,TiO2、CaO含量升高,說明隨著溫度升高,高壓溶出反應程度越深,結疤礦物組成也發生了較大變化。

2.2 結疤的礦物組成

根據表5中不同溫度換熱套管結疤的化學成分,利用XRD 法對結疤的具體礦物組成進行分析,結果見表6。

表6 不同換熱套管結疤礦物組成 %

從表6可以看出,五級套管的結疤以鈉硅渣為主,六、七、八級的套管結疤以羥基鈣鈦礦為主,九、十級套管結疤以鈣鈦礦、羥基鈣鈦礦為主,熔鹽加熱套管加熱段結疤以鈣鈦礦為主。

3 高壓溶出結疤的危害

3.1 結疤對溶出套管傳熱系數的影響

管道表面上沉積的結疤導致傳熱熱阻增加,從而使傳熱系數減小,傳熱狀況變差[3]。結疤是熱的不良導體,其熱導率通常為換熱面主要材料的1/10,一旦換熱面上有了結垢,礦漿與換熱面之間的傳熱熱阻便增加為:

R=(1/h)+Ry

(5)

式中,R為傳熱熱阻,m2K/W;Ry為結垢層形成的附加熱阻,即結垢熱阻,m2K/W;h為傳熱系數,為簡單計算,假定換熱面為平面。

根據文獻[3]可知,厚度1 mm結疤的傳熱系數為398 W/m2·℃,這說明結疤導致潔凈熱交換器的傳熱系數(1 700 W/m2·℃)降低77%。

套管換熱系數隨運行天數的統計結果見表7。由表7可知,隨溶出機組運行時間延長,結疤厚度增加,換熱系數逐漸降低。

表7 溶出套管不同運行天數的換熱系數

3.2 結疤對溶出能耗影響

氧化鋁高壓溶出系統采用十級乏汽預熱、一級熔鹽加熱,機組能耗主要體現在熔鹽煤耗上。隨溶出機組運行周期延長,溶出套管換熱表面上形成的致密結疤逐漸增多變厚,導致載熱體熔鹽到受熱體溶出套管的傳熱速度下降,熱量的利用效率變差。為了滿足生產需要的溶出溫度,必須提高熔鹽供熱溫度,這勢必導致熔鹽煤耗升高。熔鹽煤耗隨溶出系統運行天數的變化見表8。

表8 溶出套管不同運行天數的的熔鹽煤耗

3.3 結疤對溶出機組壓力影響

氧化鋁高壓溶出套管由4根內徑為φ133 mm×11 mm的小管鑲嵌在φ480 mm×12 mm管道內組成,隨著礦漿在溶出過程中不斷反應,結疤使套管內壁表面粗糙度增加、內徑減小,容易導致出現下面3個問題:1)由于表面粗糙度增加而可能引起的壓降增大;2)由于內徑減小而引起的壓降增大;3)由于內徑減小,流速增加而引起的壓降增大。

管道狀況對換熱器流動壓降的影響[3]見表9。

表9 管道狀況對換熱器流動壓降的影響

由表9可見,套管內壁上的結疤使表面粗糙度增加、內徑減小,導致物料通過管道時受到的阻力增加。生產中發現,當溶出機組進料量為334 m3/h,運行時間超過50 d后,機組壓力高達9 MPa(作業規程要求≤9 MPa)。為了確保機組安全穩定運行,被迫降低機組進料量,導致設備產能減少,生產效率降低。

4 結疤清理方法及優化

4.1 現有高壓水清除結疤存在的問題

目前,業內對結疤問題已進行了大量的研究,結疤清理方法包括機械清除法、化學清除法、高壓水清除法及熱法等[4]。由于氧化鋁生產過程中各環節的結疤生成機理不同,清除的方法也要相應調整。

遵義鋁業根據氧化鋁高壓溶出生產工藝特點,采用高壓水清除法清除結疤。高壓水清除法一般是通過高壓清洗機的水槍噴射出高壓水流沖刷結疤的表面,利用高壓水的水鍥作用切割或擊碎結疤,從而達到清理目的。

根據表7,預熱套管低溫段的結疤主要是鈉硅渣,現場結疤表觀呈黃褐色或棕色,瘤子泡狀結構,質地偏硬(圖2);高溫段結疤主要為羥基鈣鈦礦、鈣鈦礦,呈黑褐色、層狀,質地致密、堅硬(圖3)。當溶出機組運行周期在45 d以內時,采用高壓水清除法清除結疤效果較好,但隨著溶出機組運行時間從 45 d 延長至65 d,計劃停車清理檢修時間從90 h縮短到58 h,短時間內,只采用高壓水清除這一種方法,無法完全清除溶出套管結疤。隨著機組運行時間延長,結疤越積越厚,進一步增加了清理難度,形成惡性循環,溶出套管換熱系數從原來750 W/m2·℃降至500 W/m2·℃,熔鹽煤耗也隨之升高。因此,必須對現有套管結疤清理方法進行優化改進。

優化最直接的方式就是增大清理機壓力,提高水鍥作用擊碎結疤的能力,從而改善套管換熱系數。清洗壓力對溶出套管的換熱系數的影響見表10。

表10 清洗壓力不同時溶出套管的換熱系數

根據表10實驗數據和現場觀察,隨著清洗壓力提高,溶出套管低溫段結疤大部分已被清除,而高溫段套管結疤由于質地致密、堅硬,清除效果不好,套管換熱系數僅有一定程度改善。若要套管換熱系數明顯提高,需要進一步探索新的清理方法。

4.2 結疤清理方法的優化改進

由于現有的高壓水清除法清除結疤效果不理想,套管清理后換熱系數仍然較低,根據高壓溶出高溫段套管結疤礦物的組成和特性,提出熱法加高壓水清除法。

熱法加高壓水清除法的主要原理是鋼質加熱套管的熱膨脹系數比結疤高,當加熱套管在短時間內被急劇加熱后,快速膨脹,結疤與管道產生相對運動形成裂紋或剝離,再通過高壓水的水鍥作用,實現快速擊碎結疤目的。因此,根據遵義鋁業工藝特性,溶出高溫加熱段套管可采用內管不通入礦漿,在夾套內通高溫熔鹽干燒一段時間(圖4),再使用高壓水進行清洗的方式進行優化,并進行結疤清理試驗。

圖4 高壓溶出高溫加熱段套管通鹽干燒示意圖

溶出機組計劃停車檢修時,在高溫預熱套管加熱段通入不同溫度的熔鹽,加熱2 h,使套管膨脹,結疤產生龜裂,再利用150 MPa的高壓水清洗。不同熔鹽溫度下清洗套管結疤后套管換熱系數見表11。由表11可知,隨著熔鹽溫度升高,清理結疤后的換熱系數提高,改善效果明顯。

表11 高溫段套管不同熔鹽溫度下清理后的換熱系數

通入285～320 ℃熔鹽,清洗壓力150 MPa,在通鹽時間不同的條件下,結疤清理過后套管換熱系數見表12。由表12可知,隨著通鹽時間延長,套管清理完后換熱系數也提高,改善效果明顯。

表12 高溫段套管不同通鹽時間清理后的換熱系數

4.3 優化方法清理效果

根據高壓溶出不同溫度段結疤礦物組成和物理性質不同,優化調整清理結疤的方法。低溫套管可以通過提高清洗壓力來實現結疤清除;高溫段可以使用熔鹽加熱干燒結合高壓水清除的方法消除結疤。在通鹽干燒3～4 h,熔鹽溫度300～320 ℃,清理壓力150 MPa的條件下,高溫段套管結疤的清理效果明顯改善(圖5),換熱系數明顯提高,均值達到900 W/m2·℃。對于不具備熔鹽加熱工藝的企業,也可以根據結疤和金屬套管導熱率的不同,使用高壓蒸汽加熱的方法來改善套管結疤清理效果。

圖5 溶出套管結疤采用熱法+高壓水清除法清理后效果

5 結束語

氧化鋁生產過程中,在不同的工藝條件下,高壓溶出管道結疤形成的機理及物相組成有很大差異,低溫段結疤主要為鈉硅渣,高溫段結疤主要為鈣鈦礦、羥基鈣鈦礦,無論哪種結疤對生產能耗、機組壓力等都有較大影響。由于目前還沒有有效阻止結疤生成的方法,根據高壓溶出套管溫度不同結疤不同的特點,熱法加高壓水清除法是目前采用的最有效的措施,可以加快清理速度,獲得較好清除效果,保障生產正常運行和能耗降低。