氧化鋁廠分解分級工序的設(shè)計優(yōu)化與研究

易武平

（貴陽鋁鎂設(shè)計研究院有限公司，貴州 貴陽 550081）

晶種分解就是將鋁酸鈉溶液降溫，增大其過飽和度，再加入氫氧化鋁做晶種，并進(jìn)行攪拌，使其析出氫氧化鋁的過程。晶種分解是拜耳法生產(chǎn)氧化鋁的關(guān)鍵工序之一，它對產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量以及全廠的技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)有著重大的影響[1]。近年來，中國氧化鋁行業(yè)高速發(fā)展，氧化鋁廠分解分級工序在工藝流程、工藝配置、設(shè)備選型等方面也有不少創(chuàng)新和發(fā)展，本文提出了其中的一部分設(shè)計優(yōu)化與創(chuàng)新成果，并提出了相關(guān)建議和思考。

1 兩段分解氫氧化鋁分級工藝流程的優(yōu)化研究

二段分解技術(shù)就是采用低濃度、低固含的種子分解技術(shù)，種子按細(xì)晶種和粗晶種分兩次加入，氫氧化鋁顆粒的附聚在一段分解槽中完成，氫氧化鋁顆粒的長大在二段分解槽中完成。根據(jù)氫氧化鋁分級工藝的不同，目前氧化鋁廠主要有以下兩種流程方案。

1.1 兩級水力旋流器+細(xì)種子沉降槽方案（傳統(tǒng)方案）

此方案流程為：部分降溫后的精液與細(xì)種子混合后進(jìn)入分解附聚槽，另一部分精液繼續(xù)降溫后與附聚料漿及粗種子料漿混合進(jìn)入分解長大槽，經(jīng)分解長大后的料漿進(jìn)入分級旋流系統(tǒng)。一級旋流器底流作為成品去成品過濾，溢流送至二級旋流器。二級旋流器底流同分解末槽漿液合流作為粗種子，加入分解長大槽，溢流送去細(xì)種子沉降槽。細(xì)種子沉降槽底流送至細(xì)種子過濾機，濾餅與熱交換來精液混合，送分解附聚首槽，完成一個分解循環(huán)。

該分級流程較復(fù)雜，設(shè)置有兩級水力旋流器+細(xì)種子沉降流程，設(shè)備數(shù)量和種類相對較多，主要方案流程圖見圖1。

圖1 兩級水力旋流器+細(xì)種子沉降槽方案流程圖

1.2 一級水力旋流器方案（優(yōu)化后方案）

優(yōu)化后的方案流程為：從分解槽排出的氫氧化鋁料漿通過旋流器喂料泵進(jìn)水力旋流器，在旋流器進(jìn)行分級，旋流器溢流再經(jīng)溢流分離箱進(jìn)行二次分級，溢流底流送至細(xì)種子過濾機；旋流器底流再經(jīng)底流分離箱分離后，底流作為成品去成品過濾。

該方案的創(chuàng)新之處在于：①在旋流器內(nèi)部內(nèi)置了溢流分離箱，并且在去細(xì)種子過濾機的細(xì)種子漿液管道上增加了流量計和調(diào)節(jié)閥，用于控制細(xì)種子料漿管的流量。②在旋流器內(nèi)部內(nèi)置了底流分離箱，并且在去成品過濾機的管道上增加了流量計和調(diào)節(jié)閥，用于控制成品料漿管的流量。一級水力旋流器方案流程圖見圖2。

從圖2和圖1對比可以看出，優(yōu)化后的方案只采用了一臺旋流器，用一臺水力水旋流便能完成成品分級和細(xì)種子分級的目的。

圖2 一級水力旋流器方案流程圖

2 分解相關(guān)工藝配置的優(yōu)化研究

（1）分解槽基礎(chǔ)配置的優(yōu)化。傳統(tǒng)分解分級車間有約3%～5%的地坪坡度，分解首槽和末槽的地坪高度差能達(dá)到約9m～10m。新建氧化鋁廠的話，若廠區(qū)地坪較平整，則可以單獨將分解槽的基礎(chǔ)抬高，地坪無高度差。以某廠100萬噸氧化鋁分解分級車間為例，車間占地42m×308m，分解首槽和末槽地坪高度差9.4m，若將基礎(chǔ)配置優(yōu)化，能減少土石方量約2萬m3。

（2）種子過濾機配置的優(yōu)化。種子過濾是分解分級工序的一個重要部分，為分解分級提供氫氧化鋁晶種。傳統(tǒng)分解分級車間與配套的種子過濾車間是相互脫開的，種子過濾車間單獨占地，還配套有相應(yīng)晶種槽、晶種泵[2]。

以某廠100萬t氧化鋁分解分級車間和種子過濾車間為例，優(yōu)化前后的對比見表1。

表1 立盤過濾機配置優(yōu)化對比表

（3）分解中間降溫配置的優(yōu)化。傳統(tǒng)分解分級車間中間降溫裝置一般放置在分解槽頂，每組分解一般設(shè)置6組中間降溫裝置，配套的有沉沒式泵。該配置存在以下問題：①若分解槽內(nèi)液面泡沫較多時，存在沉沒式泵吸入管長度不夠的情況，沉沒式泵的效率一般也不高。②由于中間降溫裝置放置在分解槽頂，高度一般有40m左右，需要的冷介質(zhì)循環(huán)水的揚程較高，對水道專業(yè)泵的選型要求較高。

分解中間降溫優(yōu)化后的具體配置為：①將中間降溫裝置下移至分解槽底的地坪上；②將配套的泵由沉沒式泵改為離心泵，并也放置在分解槽底。優(yōu)化后的配置對水道專業(yè)循環(huán)水的揚程要求降低不少，并且中間降溫裝置的檢修更加方便，同時離心泵的效率更高、運行更加穩(wěn)定。

（4）化學(xué)清洗槽配置的優(yōu)化。根據(jù)氧化鋁廠的生產(chǎn)經(jīng)驗，單臺分解槽運行1年～1年半左右，就必須退槽進(jìn)行清理底部的結(jié)疤。對分解槽結(jié)疤的清理辦法一般用化學(xué)清洗液清洗。老的氧化鋁廠一般在分解槽末端設(shè)有單獨的化學(xué)清洗槽，此配置存在問題如下：化學(xué)清洗液腐蝕性強，存在泄漏的隱患；化學(xué)清洗槽占地面積較大，利用率較低。因此，新建氧化鋁廠一般在分解車間取消了化學(xué)清洗槽，當(dāng)某個分解槽需要用化學(xué)清洗液清洗時，一般單獨制備好化學(xué)清洗液送至此分解槽，通過套管換熱器打循環(huán)，直到將分解槽底部的結(jié)疤溶解。

（5）分解土建管架配置的優(yōu)化。傳統(tǒng)分解分級車間土建管架有兩部分，一是分解槽底部土建管架，二是分解槽頂部土建管架，跨分解槽距離較長的管架采用桁架形式。該配置存在以下問題：①分解槽底部土建管架因與分解槽基礎(chǔ)距離較近，數(shù)量較多，施工比較復(fù)雜，造成工期較長，投資也較大；②分解槽頂部土建管架部分采用的是桁架形式，投資較大，施工復(fù)雜。

分解土建管架優(yōu)化方案為：①取消底部土建管架，管道能沿地鋪設(shè)便沿地鋪設(shè)，其余管架改為從分解槽上做懸臂支架的形式。②增大分解槽頂部土建管架的間距，改為7m～9m一跨，取消桁架的形式。若是小管子跨距要求低的話，則采用小管子放置在大管上面的布置形式。優(yōu)化后的配置，節(jié)省了土建投資，縮短了工程建設(shè)工期。

3 分解相關(guān)設(shè)備選型的優(yōu)化研究

（1）分解槽選型優(yōu)化。現(xiàn)代氧化鋁廠的種子分解槽逐漸向大型化發(fā)展，新建、擴建的工程一般都采用大型平底機械攪拌槽。錐底空氣攪拌槽在一些老廠仍在使用，但這種錐底空氣攪拌槽能耗高，槽頂易結(jié)疤，容積相對較小，每個分解系列槽子數(shù)量多，占地面積大，單位投資高。大型平底機械攪拌分解槽的主要優(yōu)點有：能耗低，結(jié)疤少，料漿攪拌均勻，槽內(nèi)上下的密度差不大于1.5%，固含可達(dá)700g/l～900g/l。

目前中國的氧化鋁廠普遍采用了直徑為Φ14m的分解槽，一些新建的大氧化鋁廠采用了更大的Φ16m分解槽。云南文山氧化鋁廠二期擴建采用了Φ18m的分解槽，目前運行效果良好。

（2）分解中間降溫設(shè)備選型優(yōu)化。合理的溫度制度是獲得較高分解率和較好氫氧化鋁產(chǎn)品質(zhì)量的基礎(chǔ)，而可靠、先進(jìn)的中間降溫設(shè)備是實現(xiàn)種分過程溫度制度的保障。

傳統(tǒng)分解中間降溫設(shè)備有分解槽內(nèi)置盤管、螺旋板式換熱器、臥式寬流道板式換熱器、立式寬流道板式換熱器等。分解槽內(nèi)置盤管優(yōu)點是投資少、運行費用低，缺點是降溫效果較差、分解結(jié)疤難于清理，目前很少有氧化鋁廠使用。螺旋板式換熱器優(yōu)點是傳熱效果良好，價格便宜，缺點是壽命短，面積較小，不可拆卸，不易清洗，目前國內(nèi)有小部分氧化鋁廠使用。臥式寬流道板式換熱器優(yōu)點是傳熱效果好，價格適中（國產(chǎn)），壽命較長（5年～10年），容易清洗，目前國內(nèi)大部分氧化鋁廠都使用的是臥式寬流道板式換熱器。最近幾年，一種新型的立式寬流道板式換熱器在各大氧化鋁廠得到應(yīng)用，相比較臥式寬流道板式換熱器，立式寬流道板式換熱器優(yōu)點是傳熱效率高，占地面積更小，缺點是設(shè)備較高，對配置高度方向要求較高。對于占地面積較緊湊的氧化鋁廠來講，立式寬流道板式換熱器是一種較好的選擇。

4 結(jié)語

通過對氧化鋁廠分解分級工序在工藝流程、工藝配置、設(shè)備選型等方面的不斷優(yōu)化與改進(jìn)，相信對分解分級工序的技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)能起到不斷優(yōu)化的效果，也更加便于氧化鋁廠分解分級車間人員的生產(chǎn)與操作。