+7 (343) 247-81-32

Инжиниринг Производство Строительство и монтаж

Публикации

8.09.2011

Анализ работы модернизированного выпарного оборудования на Уральском и Богословском алюминиевых заводах и Глиноземном заводе FRIGIA, г. Фрия (Гвинея)

В.М. Ковзель, В.М. Ронкин (ЗАО «НПП «Машпром», г. Екатеринбург), О.Г. Жарков (ОАО «УАЗ-СУАЛ», г. Каменск-Уральский), О.В. Паздников (ОАО «БАЗ-СУАЛ» г. Краснотурьинск), С.В. Верхотуров (Администрация г. Краснотурьинска)

Одним из наиболее энергопотребляющих переделов в глиноземном производстве является стадия концентрирования маточных растворов, поступающих с декомпозиции.

Данные растворы являются многокомпонентными системами, содержащими Na, Al, Si, OH, Co3, органику и другие соединения. Суммарная концентрация солей в них составляет 250 – 300 г/л. Присутствуют как легкорастворимые, так и труднорастворимые соединения. Концентрирование растворов на данной стадии осуществляется, как правило, в два раза.
Процесс выпаривания осуществляется в многокорпусных выпарных установках, что позволяет говорить о достаточно эффективной рекуперации тепла.

В то же время батареи имеют очень небольшой межпромывочный период работы. Как правило, через 6 – 8 часов эксплуатации уже невозможно достигнуть требуемой степени концентрирования. Поэтому приходится снижать количество подававшего на батарею раствора с целью получения оборотного алюминатного щелока требуемой концентрации. Практика эксплуатации показывает, что через 18-20 часов эксплуатации производительность выпарных батарей уменьшится на 30 – 40%. Поэтому батарею выводят на промывку.

И хотя данная операция осуществляется маточными растворами, вывод батареи на 3 – 4 часа из цикла через каждые 20 часов работы обуславливает значительное снижение производительности всего передела. Кроме этого, первые (высокотемпературные) корпуса батарей периодически подвергают химчистке с использованием растворов кислоты. Это в свою очередь приводит к появлению на переделе больших количеств отработанных растворов.

Основная причина столь непродолжительной работы батарей, образование инкрустаций на теплообменной поверхности выпарных аппаратов. Следствием этого является увеличение термического сопротивления и, соответственно, уменьшение количества тепла, передаваемого от пара к концентрируемой жидкости.

Поэтому при разработке аппаратов для выпаривания маточных растворов в первую очередь необходимо предусматривать мероприятия, уменьшающие вероятность образования отложений на теплообменной поверхности.

Как правило, большинство выпарных батарей, эксплуатирующихся в глиноземном производстве, оснащены выпарными аппаратами с естественной циркуляцией. То есть движение раствора в аппаратах осуществляется вследствие его значительного перегрева в теплообменных трубах и последующего вскипания.

Рассматривая гидродинамическую обстановку около теплообменной поверхности, следует отметить, что максимальная полезная разность температур между теплоносителем и нагреваемым раствором находится около стенки, в ламинарном слое. То есть там, где скорость движения потока минимальна. Соответственно в этой зоне происходит и максимальный перегрев жидкости. А это в свою очередь приводит к вскипанию жидкости, образованию паровых пузырей и выделению твердой фазы, которая, как правило, образует инкрустации на стенках. При наличие в растворе солей с обратной растворимостью большие перегревы также способствуют выделению твердой фазы из жидкости.

Следует отметить, что для увеличения объемной циркуляции в аппаратах данного типа повышают тепловую нагрузку, то есть увеличивают полезную разность. А это в свою очередь интенсифицирует процесс образования отложений.
Поэтому сразу напрашивается вывод о необходимости применения для концентрирования алюминатных растворов аппаратов с циркуляционными насосами.

Использование насосов позволяет достигнуть требуемой скорости движения жидкости в теплообменных трубках независимо от величины тепловой нагрузки.

Опыт проектирования и эксплуатации данного типа аппаратов у специалистов НПП «Машпром» был. Кроме этого, с целью уточнения технических параметров работы оборудования применительно к концентрированию рассматриваемых растворов, были проведены дополнительные исследования на пилотных установках, в состав которых входили аппараты с циркуляционными насосами. Это, в частности, аппараты с падающей пленкой и аппараты с принудительной циркуляцией.

Как показали результаты проведенных исследований, для предварительного концентрирования маточных растворов наиболее целесообразно применение выпарных аппаратов с падающей пленкой и рециркуляцией раствора; для упаривания растворов «на кристалл» необходимо использование аппаратов с принудительной циркуляцией.

Учитывая, что в первую очередь предполагалась реконструкция аппаратов, где осуществлялось концентрирование раствора без выделения твердой фазы, то существующие аппараты с естественной циркуляцией были реконструированы в аппараты с падающей пленкой.

Основные технические задачи, которые стояли перед разработчиками оборудования, организация равномерно орошения теплообменной поверхности, определение оптимального количества жидкости, подаваемого в теплообменные трубки, а также величина тепловой нагрузки.

Как показали результаты ранее проведенных испытаний на пилотных установках, получение сплошной пленки и исключение «оголения» теплообменной поверхности позволяло значительно снизить вероятность образования инкрустаций на стенках трубок.

В 2002 – 2004 годах на ряде батарей Уральского и Богословского алюминиевых заводов начались работы по реконструкции отдельных аппаратов с естественной циркуляцией в аппараты с падающей пленкой. Это в частности 4/26, 4/27, 2/20, 3/20, 4/20, 5/20 на УАЗе, 3/3, 3/5 и 3/7 на БАЗе.

Данной реконструкции способствовала существующая компоновка технологического оборудования на площадках и по отметкам. Расположение нижней растворной камеры теплообменника на отметке 7,2м позволило обеспечить безкавитационный режим работы циркуляционного и перекачивающего насосов, располагающихся на отметке 0,0. Значительно упростило задачу по организации подачи раствора в теплообменные трубки и существующее взаимное расположение сепаратора и греющей камеры.

Последующая их эксплуатация показала правильность выбранных технических решений.

Реконструкция только одного (из четырех) корпуса батареи позволяет повысить производительность установки на 10 – 15%.

Анализ теплотехнических показателей работы модернизированных аппаратов показал, что в процессе работы они практически не изменяются. То есть образование инкрустаций на теплообменной поверхности незначительно. Соответственно можно сказать, что данные аппараты не лимитируют работу батареи.

Мягкое прокипание раствора в пленке и установке оригинальных сепарационных устройств позволило получить конденсат вторичного пара требуемого качества.

Следует отметить, что раздельный вывод циркулирующего и выпаренного раствора из нижней растворной камеры обеспечивает требуемую плотность орошения теплообменных трубок независимо от количества, поступающего в аппараты раствора.

Особого внимания заслуживает вопрос правильного выбора циркуляционного и перекачивающего насосов, а также конструктивное оформление распределительных устройств в верхней растворной камере.
Результаты эксплуатации показывают, что реконструкция только одного корпуса батареи позволяет повысить производительность установки на 10 – 12%.

Одновременно результаты, полученные еще раз, подтвердили, что применять выпарные аппараты с падающей пленкой наиболее целесообразно для концентрирования растворов, не образующих в процессе выпаривания твердую фазу.
Как правило, на Богословском и Уральском алюминиевых заводах выпаривание основной массы оборотных маточных растворов осуществляется в четырехкорпусных противоточных выпарных батареях. При этом выделение твердой фазы, представленной в основном содой и гидроалюмосиликатами, происходит в последнем по ходу раствора высокотемпературном корпусе.

В 2003 году была осуществлена реконструкция 20-ой пятикорпусной выпарной батареи на УАЗе. 5, 4, 3 и 2 корпуса батареи были переделаны в аппараты с падающей пленкой. Результаты последующей эксплуатации выпарной батареи показали, что не только первый корпус по ходу пара, но и второй лимитируют работу всей батареи. Наиболее вероятной причиной данного результата является изменение кратности упаривания по ступеням. Это привело к выделению твердой фазы из раствора не только в продукционном высокотемпературном корпусе, но и в предпродукционном. Следствием этого явилось образование отложений на теплообменной поверхности и уменьшение коэффициента теплоотдачи.
Упаривание растворов с выделением твердой фазы наиболее целесообразно, по нашему мнению, осуществлять в выпарных аппаратах с принудительной циркуляцией. Это подтверждают и проведенные исследования на пилотных установках, смонтированных на Богословском и Уральском алюминиевых заводах.

Несколько иная ситуация получилась после реконструкции одной из пятикорпусных выпарных батарей на глиноземном заводе « FRIGIA», г. Фрия (республики Гвинея). Данные батареи оснащены выпарными аппаратами с восходящей пленкой жидкости. Значительный нагрев раствора в трубках и его последующее кипение способствовало образованию инкрустаций на теплообменной поверхности и снижению производительности установки.

Следует отметить, что конструктивное исполнение данных аппаратов отличается от аппаратов, используемых на БАЗе и УАЗе. Сепаратор в них расположен соосно с греющей камерой, а сливной штуцер нижней растворной камеры находится на расстоянии 1,5 м от отметки 0,0. Поэтому при реконструкции батареи были использованы технические решения, апробированные ранее на Павлодарском алюминиевом заводе. Подача исходного раствора осуществлялась в нижнюю часть сепаратора, расположенного под греющей камерой, а в каждую теплообменную трубку (в районе верхней трубной решетки) была установлена вставка, представляющая собой трубку меньшего диаметра длиной 450 – 500 мм.

Предполагалось, что кольцевой зазор между вставкой и теплообменной трубкой будет формировать пленку жидкости, стекающую вниз, а образующийся при кипении раствора пар отводиться через вставку в сепаратор.

Последующая эксплуатация реконструированной батареи показала неэффективность внедренных технологических решений. Установка имела самые низкие эксплуатационные показатели.

При вскрытии аппаратов выяснилось, что все кольцевые зазоры в теплообменных трубках заросли. Поэтому нисходящее движение раствора и восходящее перемещение вторичного пара осуществлялось во вставке, навстречу друг другу. Соответственно говорить о сохранении сплошности падающей пленки не имеет смысла.

Очевидно, здесь необходимы другие технические решения, и мы готовы представить их Заказчику.

Значительное влияние на работу выпарных батарей и снижение энергозатрат оказывает установка охладителей пара. Как правило, пар, поступающий в выпарные батареи, является перегретым по отношению к температуре конденсации его в греющей камере. Для обеспечения передачи нагреваемому раствору максимального количества тепла и увеличению производительности батареи необходимо перегретый пар охлаждать. Разработка и внедрение охладителей пара оригинальной конструкции на Уральском алюминиевом заводе позволила повысить производительность выпарных батарей на 5 – 7% без увеличения расхода свежего греющего пара.

Учитывая постоянное возрастание стоимости энергоносителей, очень актуальной является проблема рекуперации вторичного тепла.

Используемые в настоящее время многоходовые подогреватели раствора достаточно быстро зарастают.
Это обусловлено значительной величиной нагрева раствора в них и наличии солей с обратной растворимостью. При большом перегреве происходит их выделение из жидкости, в первую очередь в ламинарном подслое, и образование на стенках слоя инкрустаций. Соответственно эффективность работы данного оборудования резко снижается.
В ЗАО НПП «Машпром» разрабатываются и начинают внедряться циркуляционные подогреватели раствора. Конструкция данных аппаратов позволяет нагревать растворы на 30 – 40%. При этом нагрев раствора в греющей камере подогревателя на превышает 2 – 3 ºС, а полезная разность температур составляет 12 – 15 ºС.

Соответственно вероятность образования инкрустаций на теплообменной поверхности значительно уменьшается.
Таким образом, разработка выпарного и теплообменного оборудования с учетом гидродинамической обстановки в аппаратах, закономерностей процесса теплообмена и свойств концентрируемых растворов позволяет создавать оборудование с высокими эксплуатационными показателями. А их применение дает возможность увеличить производительность технологических переделов без установок дополнительного оборудования, снизить энергозатраты, уменьшить объем капитальных затрат и габариты производственных помещений.

Вернуться к списку публикаций