種分槽新型高效攪拌技術研究和應用

王寶奎

(沈陽鋁鎂設計研究院有限公司，遼寧 沈陽 110001)

隨著我國氧化鋁產量的大幅增加,氧化鋁價格持續(xù)走低,氧化鋁生產企業(yè)利潤被不斷壓縮。為了生存發(fā)展,提高技術水平是必然之選。氧化鋁生產流程中種子分解是重要環(huán)節(jié)之一,其大量應用的種分槽是一種大型的攪拌槽,隨著氧化鋁單線產能從100萬噸向200萬噸方向發(fā)展,對種分槽進行大型化并配備高性能攪拌裝置成為必然趨勢,這對于降低能耗、提高產出率、降低運行成本、提升利潤意義很大。

1 工作原理及結構特點[1-4]

種分槽的工作原理是,將降溫后精液添加氫氧化鋁晶種,在種分槽內進行充分攪拌混和,停留一定的時間,完成分解反應析出氫氧化鋁。為了提高分解率,分解反應在高固含條件下進行。由于種分槽容積大,料漿固含高,在槽底部很容易產生沉淀,因此對攪拌裝置提出了很高的要求,表現在以下幾個方面:

(1)要保證料漿中固體顆粒和溶液充分接觸,均勻混合,加快晶粒長大,從而加速分解反應,槽內料漿無明顯分層,槽內上下料漿固含差需<10%;

(2)要有足夠的循環(huán)流量,使氫氧化鋁顆粒充分懸浮防止沉淀;

(3)在保證顆粒懸浮的前提下,盡量減輕槳葉葉片對氫氧化鋁晶粒的剪切,以利于氫氧化鋁晶粒生長;

(4)攪拌裝置包括電機、減速機、攪拌槳等要有很高的可靠性和使用壽命,以保證種分槽可連續(xù)穩(wěn)定運行。

2 種分槽攪拌系統的發(fā)展過程、現狀及存在的問題

國內早期種分槽的攪拌方式為空氣攪拌,以壓縮空氣作為介質,通入種分槽中心的提料管,使提料管內不斷形成密度小于管外漿液的氣、液、固三相混合物,利用管內外密度差驅動漿液在槽內循環(huán)而達到攪拌混合目的。空氣攪拌方式效率低、能耗高、料漿分層嚴重、易結疤,在攪拌過程中還會讓料漿吸收較多的二氧化碳。空氣攪拌式種分槽在我國氧化鋁生產初期曾經發(fā)揮過重要的作用。

機械攪拌種分槽采用軸流式機械攪拌,由羅馬尼亞奧拉迪亞氧化鋁廠于1970年設計提出并投入使用。我國二十世紀八十年代,由山西鋁廠二期工程φ14×30 m種分槽引進法國ROBIN公司的TPM及HPM混合槳式攪拌技術。其弱點是攪拌強度不足,料漿上下層固含差不夠理想。國內以HPM槳為原型進行國產化,推出了CBY攪拌槳。

二十世紀九十年代,平果鋁廠的種分槽引進了德國EKATO的Intermig攪拌裝置。這種槳的槳葉分為內外兩層,當槳葉旋轉時,內外槳葉同時產生兩個不同的液體流動方向,有利于料漿混合。國產化后改進了槳葉形狀并加長了底槳的尺寸稱之為改進型Intermig攪拌槳,沉淀有所改善但仍然嚴重。

另外國內某些鋁廠也引進了美國萊寧公司的導流筒攪拌裝置,該攪拌裝置存在以下幾點不足:① 結構復雜,安裝困難,槽內結構件多,易結疤,清理困難;② 啟動、停車等操作復雜;③ 料漿固含一般不大于500 g/L,底部結疤較多;④ 槽體中液面位置不能低于某一高度,否則槳葉接觸不到液體,攪拌系統就無法工作;⑤ 能耗高于槳式攪拌。國內新建種分槽已不再使用這種攪拌裝置。

某一時期國內現有種分槽攪拌裝置幾乎全部都是改進型Intermig攪拌裝置,也有少量的CBY攪拌裝置,這兩種攪拌裝置存在以下問題: 攪拌強度不夠,沉淀嚴重,年形成結疤高度達3 m以上; 能耗指標不夠理想; 攪拌扭矩大,當用于Φ14 m、Φ16 m大型種分槽時,常規(guī)減速機無法滿足其扭矩要求,需專門定制減速機,費用高昂,制約了種分槽大型化的進程。

3 高性能種分槽攪拌裝置的設計[5-7]

國內外大型種分槽攪拌技術進展緩慢,一方面因為大型種分槽攪拌裝置開發(fā)難度大;另一方面,傳統的經驗設計法、比例放大法等不能從本質上揭示流場內部真實情況及攪拌過程的運作機理。近年來,CFD模擬仿真技術在攪拌裝置的設計中開始應用,但關鍵問題是模擬結果必須要能真實地反映實際情況,否則獲得的結果沒有任何實際意義。

從2008年開始,我們做了大量的基礎工作,通過小型實驗槽和大型工業(yè)攪拌槽的測試、Fluent軟件模擬驗證,取得了以下幾方面重要的技術成果,為高性能攪拌裝置及種分槽大型化提供了強有力的設計開發(fā)依據,具體情況如下:

(1)獲得了用于fluent模擬仿真的準確數學模型,開發(fā)成功高性能攪拌模擬仿真技術[11]。經大量的實驗測試和工業(yè)應用證明,模擬計算值和測試值的誤差較小,平均誤差為3.2%,高于工程計算精度5%的要求。

(2)獲得了攪拌槳的優(yōu)化設計規(guī)律,軟件模擬結合實驗測試表明,攪拌槳葉片存在最優(yōu)的槳葉/槽體直徑比、葉片離底間距和葉片層間距、底層攪拌槳和上層攪拌槳最優(yōu)直徑比。攪拌槳在最優(yōu)狀態(tài)下,能耗顯著降低,攪拌性能獲得顯著提升[8-9]。

(3)開發(fā)多種節(jié)能型高性能攪拌槳型,如下圖所示。

HSG型槳為底層槳,槳葉弧面的軸線與回轉面夾角為0度,如圖1所示。HQG型槳為上層槳,槳葉弧面的軸線與回轉面成一夾角,如圖2所示。HBJG型槳既可以用作底層槳也可以作上層槳,槳葉弧面逐漸扭轉,如圖3所示。

圖1 HSG型攪拌槳

圖2 HQG型攪拌槳

圖3 HBJG型攪拌槳

對于攪拌槳葉片,功率準數和剪切越低越好,流量準數越大越好,有利于降低能耗,提高混合效果。以上攪拌槳類型為國內外首創(chuàng),葉片幾何尺寸經多次優(yōu)化,并在工業(yè)應用中測試驗證滿足要求后作為定型產品,性能全面優(yōu)于改進型Intermig攪拌槳和CBY攪拌槳,具體情況見表1。

表1 種分槽不同類型攪拌槳性能對比

圖4是Intermig和CBY攪拌槳截面形狀,圖5是HSG/HQG/HBJG型槳葉片截面形狀。HSG槳特點阻力系數小,排量大,適用于底層槳,徑向作用范圍大,有利于消除槽底邊角處沉淀;HQG型槳徑向尺寸小、軸向尺寸長,液流被匯聚集中,增大軸向作用范圍,而其本身軸向尺寸加長,進一步加大了軸向作用范圍,有效減少了槳葉層數。HBJG在HQG型槳基礎上對槳葉弧面逐漸扭轉,能夠產生更好的柱形導流區(qū),軸向作用范圍更大。HSG、HQG便于加工,而HBJG加工制造復雜一些。

圖4 Intermig和CBY攪拌槳葉片截面形狀

圖5 HSG/HQG/HBJG攪拌槳葉片截面形狀

(4)最優(yōu)化的料漿攪拌流動路徑,能夠有效降低能耗提高攪拌均勻度。如圖6、7所示,分別為料漿流動路徑優(yōu)化和未優(yōu)化的矢量圖和攪拌均勻度云圖,優(yōu)化后均勻度提高,而未優(yōu)化的底部固體顆粒體積分數明顯增加。

圖6 優(yōu)化的料漿流動路徑和攪拌均勻度

圖7 未優(yōu)化的料漿流動路徑和攪拌均勻度

4 應用對比

相同的工藝條件下,針對以下幾種規(guī)格的種分槽攪拌裝置性能進行對比見表2和表3,規(guī)格都是Φ14 m情況下,HSG/HQG攪拌裝置的各項性能指標(功率、槽底結疤和固含差)都遠遠優(yōu)于改進型Intermig攪拌裝置,甚至連Φ16 m HSG/HQG攪拌裝置的性能指標都優(yōu)于Φ14 m改進型Intermig攪拌裝置,可見HSG/HQG攪拌裝置的優(yōu)勢非常明顯。

HSG/HQG攪拌裝置Φ16 m、Φ14 m和Intermig攪拌裝置的綜合性能如表3所示。

表3 不同規(guī)格種分槽HSG/HQG和Intermig攪拌裝置的綜合性能

5 結 論

該技術2014年通過了中國有色金屬工業(yè)協會的鑒定,達到國際領先水平;2015年獲得中國有色金屬工業(yè)協會科技進步二等獎。已在中鋁系統各企業(yè)、信發(fā)集團、國家電投集團等公司所屬氧化鋁廠的Φ14 m種分槽新建和改造項目上,應用了新型高性能攪拌技術;在中鋁系統各企業(yè)、信發(fā)集團、東方希望集團等公司所屬的氧化鋁廠Φ16 m種分槽新建項目上,應用了該技術。以上項目均已投產,使用效果顯示,攪拌效果良好,運行穩(wěn)定,能耗顯著降低,槽底部結疤明顯減少,達到了預期的設計效果。

新型種分槽攪拌技術的應用,將為種分槽大型化、節(jié)能降耗及降低種分槽沉淀等提供理想的解決方案。