赤泥漿液長距離管道輸送的換熱研究及應用

田 侶，孔蓮蓮

(中鋁國際貴陽鋁鎂設計研究院有限公司，貴州 貴陽 550081)

0 引 言

近幾年，國內新建氧化鋁廠為滿足環保等要求，通常將赤泥堆場選址在距離氧化鋁廠區較遠的區域，赤泥壓濾車間建設在赤泥堆場附近。因此赤泥沉降分離及洗滌車間或赤泥泵房送出的赤泥漿液需經過較長距離才能到達赤泥壓濾車間。選擇管道輸送時，赤泥輸送管線上的主要物料有3項：①從氧化鋁廠區到赤泥堆場的赤泥漿液；②從赤泥堆場附近壓濾車間返回的濾液；③從堆場返回的場壩回水。

這3種物料中場壩回水是室溫物料，輸送管道不需要保溫。赤泥漿液輸送管道若沒有進行保溫，經長距離輸送后，熱量在輸送過程中大量散失，甚至可能在到達赤泥壓濾車間時赤泥漿液溫度已降至環境溫度，返回的濾液溫度也與環境溫度相同，不需保溫。赤泥漿液輸送管道若進行保溫，返回的濾液溫度相對較高，具體溫度與輸送距離及保溫材料有關。若返回濾液管道也進行保溫，那么返回熱水站車間時，將其加熱至洗水溫度所需的熱量較少；若返回濾液管道不保溫，則將其加熱至洗水溫度所需的熱量較多。但在進行赤泥漿液長距離管道輸送時，因氧化鋁廠區和赤泥堆場距離遠，赤泥輸送管線路由長，管道保溫耗材量大，成本高昂。

1 換熱需求的背景

為節約投資，當赤泥漿液長距離管道輸送且廠址位于南方(管內物料在冬季不會凍結)時，為防止燙傷，需對管道進行保溫，但因輸送距離較遠，在到達赤泥壓濾車間后溫度較低，從赤泥壓濾返回的濾液溫度也較低，甚至趨于室溫。濾液返回熱水站后，進入氧化鋁生產系統作為赤泥洗水使用，因其溫度低，為保證赤泥沉降分離洗滌效果，需對返回的濾液進行加熱處理。傳統流程通常選用新蒸汽作為加熱媒介，也有通過將赤泥濾液加入末洗沉降槽進行提溫[1]和利用稀釋槽二次乏汽加熱赤泥濾液的方法[2]。

綜上所述，送去赤泥壓濾車間的赤泥漿液熱量流失而返回的濾液需加熱。這2種物料一來一往，都位于氧化鋁廠區與赤泥堆場之間的管架線路上，且都是連續物料，在空間上和時間上保持完美一致。因此，若將這2種物料進行換熱，即可將赤泥漿液流失的熱量進行部分回收，用于加熱赤泥壓濾的返回濾液，降低能耗，具體流程設計見圖1。

圖1 赤泥漿液與壓濾濾液換熱設計工藝圖Fig.1 Process diagram illustrating the design of heat transfer between red mud slurry and pressure filtration filtrate

如圖1所示，熱側介質為赤泥漿液，進料溫度約為85 ℃，需冷卻至≤50 ℃以防止燙傷；冷側介質為壓濾濾液，進料溫度為室外溫度。通過換熱設備進行換熱后，赤泥漿液溫度降低去赤泥壓濾車間，壓濾濾液溫度升高去熱水站。

2 換熱設備

2.1 換熱設備的選擇

氧化鋁工業中常用的換熱設備有板式換熱器和套管換熱器2種。常用板式換熱器主要有寬流道板式換熱器和螺旋板式換熱器2種；常用套管換熱器主要有單(多)套管換熱器和列管式換熱器2種。2種換熱器的使用情況對比見表1。

表1 板式換熱器及套管換熱器使用情況比較[3-4]Tab.1 Comparison of plate heat exchangers and double-pipe heat exchanger usage[3-4]

如表1所示，當進行長距離輸送時，赤泥漿液管道的壓力較大(可達10 MPa)，且因含有固體顆粒磨損也較大，因此盡管板式換熱器的占地小，傳熱系數高，價格更低廉，但板式換熱器的設備結構不適用于赤泥漿液的換熱。而套管換熱器構造簡單、能耐高壓，傳熱面積的選擇比較方便，雙方的介質可作嚴格的逆流，有利于傳熱[5]，且不易堵塞，檢修及清洗也較方便，更適用于赤泥漿液的換熱。

2.2 換熱流程的考慮

套管換熱器有多種換熱方式，如順流，逆流，混流，或幾種流態結合等，具體選擇取決于介質特性和經濟指標。赤泥漿液與壓濾濾液換熱設計中，赤泥漿液作為熱介質位于內管，赤泥壓濾濾液作為冷介質位于外管。外管冷介質底部進料，頂部出料，從而使熱介質和冷介質充分換熱。換熱器可置于氧化鋁廠區內管網支架上，盡可能靠近赤泥沉降車間和熱水站車間，減少熱量流失，也方便檢修。

因傳熱系數小，當選用套管進行換熱時，為增大傳熱面積，可選擇多套管或列管式換熱器。多套管換熱器和列管式換熱器示意見圖2-4。

圖2 多套管換熱器組示意圖Fig.2 Schematic diagram of multiple-tube heat exchangers

圖3 三套管換熱器截面設計示意圖Fig.3 Cross-section design schematic diagram of three sets of tube heat exchangers

圖4 列管式換熱器示意圖Fig.4 Schematic diagram of a tube-and-shell heat exchanger

多套管換熱器和列管式換熱器的使用情況比較見表2。

表2 多套管換熱器與列管式換熱器使用情況比較Tab.2 Comparison of multi-tube heat exchangers and tube-and-shell heat exchangers usage

由表2可知：赤泥漿液和壓濾濾液的換熱設備更適宜選擇多套管換熱器。

3 工業應用

以某氧化鋁廠為例，進行管道換熱計算。該氧化鋁廠區年產110萬t，距離赤泥堆場25 km，赤泥量為145 t/h，赤泥漿液固含35 %，溫度85 ℃，漿液比熱2.98 kJ/℃.kg，赤泥輸送管線上管道無保溫。沉降車間采用隔膜泵輸送赤泥漿液，隔膜泵出口壓力8.0 MPa。返回濾液103 t/h，溫度35 ℃，濾液比熱3.93 kJ/℃.kg，壓力3.0 MPa。赤泥漿液與壓濾濾液套管換熱計算見下表3。

表3 赤泥漿液與壓濾濾液的換熱計算Tab.3 Calculation of heat exchange between red mud slurry and pressure filtration filtrate

如表3所示，返回濾液經換熱后可提升約55 ℃，經計算，此換熱可節省新蒸汽(180 ℃)消耗約7.74 t/h，蒸汽成本按93元/t計算可得，每年可節省約5 990萬元。此時，赤泥漿液溫度尚未降至防燙傷溫度(≤ 50℃)，可繼續與新水進行換熱。

4 結 語

赤泥漿液長距離管道輸送的換熱設計是一種氧化鋁廠赤泥漿液長距離輸送中的熱回收工藝的方法，將拜耳法氧化鋁廠的赤泥輸送管線上的赤泥漿液和赤泥壓濾返回濾液進行套管換熱，利用赤泥漿液和赤泥壓濾返回濾液之間的溫差，將赤泥漿液的熱能回收利用。該設計取消了赤泥輸送管線上赤泥漿液和壓濾濾液管道的保溫，通過2種流體間的換熱，既延長了赤泥壓濾車間壓濾機濾布的使用壽命，又減少了蒸汽的使用量，流程簡單、投入成本低，運行過程無任何能耗。