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管-板式降膜蒸发器装备及工艺技术
一、 所属行业
有色金属
二、 技术名称
管-板式降膜蒸发器装备及工艺技术
三、 技术类型
新工艺新设备的开发运用
四、 适用领域
氧化铝生产行业
五、 技术内容
1、基本原理
我国氧化铝生产工艺有拜尔法、烧结法、混联法等，平均单位产品汽耗和水耗比国际先进水平要高1倍。蒸发是氧化铝生产的关键工序之一。主要浓缩铝酸钠溶液，平衡生产系统的水量，排出系统中碳酸钠、硫酸钠等盐类物质。蒸发工序能耗占氧化铝生产的40%；蒸汽消耗占氧化铝生产的50%；综合费用占氧化铝生产成本的30%。
我国铝土矿资源主要以一水硬铝石型铝土矿，占全部铝土矿资源的99%。其矿物组成复杂，二氧化硅含量，氧化钛含量高，生产技术条件难度大，溶出温度248℃以上，溶出苛性碱浓度250g/l以上，溶出时间45分钟以上，配料过程中需添加10%左右CaO作为催化剂，提高溶出速度。造成系统中碳酸盐和铝硅酸盐含量高，溶液在蒸发过程中，换热器生成大量的致密硅酸盐结垢和析出碳酸盐结晶，极大地影响蒸发器的传热效果。这一技术问题已成为我国氧化铝生产技术进步的最大制约环节之一，也是氧化铝生产蒸汽消耗居高不下的根本原因。
目前，我国氧化铝生产蒸发技术主要采用五十年代从前苏联引进消化设计的列管式外加热自然循环蒸发技术，其特点是：
（1）能耗高。每蒸一吨水需消耗蒸汽0.4～0.55吨。
（2）换热面结疤速度快，结疤清理困难，运转率低。蒸发器组运行4～6天水清洗一次，20～30天需要酸洗一次。
（3）传热系数低，传热系数低小于1000W/m•℃•h;蒸发强度低，四效作业时每小时每平方米换热面积蒸水10.23～11.23Kg。
（4）自动化水平低，操作劳动强度大。
另一种九十年代初从法国引进的管式降膜蒸发技术。虽然传热系数、蒸发器能力、寿命周期较列管式自然循环蒸发器有较大的进步和提高。但结构复杂，用材高，依赖进口，投资大等不利因素，况且蒸发能力和传热系数仍处于不理想的水平（汽水比0.32～0.38）。
这两类蒸发技术的致命缺点是无法满足我国矿石资源特点的混联法氧化铝生产技术。
此项技术是在自主开发的自流式外循环降膜板式蒸发器用于氧化铝生产并取得了较显著的效果的基础上，系统创新开发了管-板式降膜蒸发器，并实现了产业化应用，主要创新点是：
(1)开发成功了管排式加热器技术
采取科学的流场和热力场设计，开发应用方管结构，改善了受力状况，提高蒸发效率的同时大幅度降低制造费用（图1）；
利用碳素钢代替不锈钢，解决了加热器板片在高温效因压力、温度和苛性碱浓度高等恶劣工况条件下使用而产生应力腐蚀破坏且寿命低的重大技术难题（图2）；
具有间接加热和二次蒸汽直接加热的双重蒸发过程，增大了液体的自由表面积；在运行过程中加热器结垢能够自动脱落，具有自洁作用（图3）。
(2)发明了适应铝酸钠溶液特点的免清理布膜器，利用分散、均化技术，简化布膜器结构，具有排除垢体功能，实现免清理；解决了氧化铝生产铝酸钠溶液蒸发易结疤堵塞及汽、液争流现象而导致布膜不均的世界性技术难题，提高蒸发强度（图4）。
(3)六效蒸发加四级自蒸发工艺技术，利用蒸发表面积和合理的结构配置，使每效因静压造成的温损在1℃以内，解决了多级蒸发装置各效间流体阻力引起的温度损失难题，有效温差在3.5～5℃能够正常工作，使原有最多五效蒸发工艺实现了六效蒸发；实现了汽水比0.21~0.23的国际领先水平，大幅度降低了系统能耗。
(4)开发应用了避免碳酸钠在蒸发器中结晶析出的新工艺，根据碳酸钠、硫酸钠、铝硅酸钠等盐类物质在铝酸钠溶液中的溶解度特征，创造性地引入外循环系统改变蒸发溶液参数，从而避免了碳酸钠在蒸发器内结晶析出；有效解决了氧化铝混联法生产中蒸发过程的排盐问题，排盐温度低，效果好，提高了蒸发强度，降低了清理劳动强度。
（5）与国内外同行业蒸发技术指标的对比：
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名
称
项
目 |
国内外联合法厂家列管式蒸发器 |
国内外拜尔法厂家 |
本项技术 |
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板式蒸发器 |
凯斯特拉公司 |
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每吨水蒸汽消耗（t/t-水） |
0.45～0.55 |
0.22～0.27 |
0.32～0.38 |
0.21～0.24 |
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吨水工艺电耗（kwh/t-水） |
4.7～6.4 |
7.5～7.7 |
7.1～7.8 |
7.5～7.7 |
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砘水循环水消耗（t/t-水） |
16～18 |
13～15 |
13.4～14.3 |
14～17 |
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吨蒸汽蒸发合格水量（t/t-汽） |
1.2～1.7 |
3.5～4 |
3～3.5 |
4～4.8 |
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使用寿命（I效）（年） |
1.8 |
0.8 |
5.5 |
1.5 |
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蒸发传热系数（w/m2·℃） |
700 |
1500 |
1500 |
1550 |
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结疤 |
重 |
轻 |
偏重 |
轻 |
2、技术评审情况
2002年通过轻金属研究所检测。
2004年通过中国有色金属工业协会组织的科技成果鉴定。结论为：“该项目技术先进，设备实用性强，具有自主知识产权，在处理一水硬铝石在氧化铝生产行业中，其技术装备水平达到了国际领先，具有很好的推广应用价值”。
3、技术专利和知识产权情况
避免碳酸钠结晶在蒸发器中析出的新工艺
ZL98 1 12244.2
消除氧化铝生产中蒸发器内碳酸钠结垢的方法
ZL98 1 12243.4
用于氧化铝行业的板式蒸发器
ZL01 2 44981.4
方管式蒸发器加热原件
ZL2004 20033128.X
已授理的专利申请：
板式蒸发器加热原件的加工方法
公布(申请)号：03135613.3
六、
主要技术经济指标
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运转率% |
65 |
85 |
92 |
90 |
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单位投资（万元/组） |
1056 |
5947 |
6813 |
3460 |
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占地面积（m2/组） |
1800 |
990 |
980 |
990 |
七、
投资与效益
1、经济效益
这里仅列出与原使用列管式蒸发器比较节能、降耗给中铝贵州分公司创造的直接经济效益。水、电、汽价格基准值如下表。
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项目
名称 |
回水（吨） |
电（度） |
汽（吨） |
|
软水 |
热能折蒸汽 |
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单价（元） |
7.2 |
3.89 |
0.28 |
49.76 |
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11.09 |
（1）计算公式
年节约蒸汽费=蒸汽价×比较汽水比差×年蒸汽水量
年回水增加收入=回水价×年增加回水量
年增加电费=蒸发系统年增加用电量×电费价格
年新增直接效益=年节约蒸汽费＋年回水增加收入－年增加电费
年新增所得税年新增直接效益×税率（0.33）
（2）新增直接经济效益和所得税
根据上述计算公式和生产考核实际指标，本项目成果已取得的直接经济效益和新增上缴所得税如下表（单位：万元）
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投资总额 |
23,788.00 |
回收期(年) |
6.80 |
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年份 |
新增利润 |
新增税收 |
节约外汇(万美元) |
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2002 |
2,376.00 |
784.10 |
0 |
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2003 |
3,168.00 |
1,045.46 |
28 |
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2004 |
5,297.88 |
1,748.29 |
84 |
|
累计 |
10,841.98 |
3,577.85 |
112 |
（3）降低投资（制造）费用和维护费用
1580m2板式加热原件Incoloy800材质造价780万元/台，SUS316L材质造价380万元/台；20g材质管-板式加热原件造价＜100万元/台，单组板式加热器6效全部改造为管-板式加热器可减少费用2480万元/组。
中铝贵州分公司蒸发器在产能由原来的42万吨/年增加到85万吨/年的条件下，原来的9～11组运行，变到目前的7～9组运行，维修费用由原来的年平均3488万元降到目前的1348万元。
2、社会环境效益
本项目产业化实施过程中，已给中铝贵州分公司带来了实实在在的社会环保效益。
（1）降低蒸汽消耗，已减少燃煤用量折合标准煤28.25万吨。
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2002年 |
2003年 |
2004年 |
2005年一季度 |
合计（万吨） |
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减少燃煤 |
5.73 |
8.02 |
11.6 |
2.9 |
28.25 |
（2）提高回水质量和水循环利用率，已减少取水量690万吨，减少排污水770万吨。
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2002年 |
2003年 |
2004年 |
2005年一季度 |
合计（万吨） |
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减少取水 |
140 |
200 |
280 |
70 |
690 |
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减排污水 |
150 |
220 |
320 |
80 |
770 |
（3）实现了国产材料替代进口和制造本地化，制造材质由碳钢替代不锈钢，有效减少了镍、铬等稀缺资源的用量。
八、
技术应用情况
此项技术已成功应用于中铝贵州分公司全部蒸发系统技术升级改造。氧化铝产量由原来的42万吨/年，增加到2004年的85万吨/年；氧化铝的单位汽耗由原来的6.04t/Ao.t降到了4.10t/Ao.t。
九、
已成功应用该技术的主要用户
中铝山西分公司，中铝山东分公司
十、 推广应用的建议
这是一项成熟的节能降耗生产技术，已经在中铝贵州分公司成功运行3年，节能节水效果明显。推广这项技术对促进我国氧化铝清洁生产，缓解资源、能源、环境制约因素，具有重要的现实作用和深远的历史意义。
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