流化床预热脱硅技术研究.pdf

第5 3 卷第3 期 2 0 01 年8 月 有色金属 N O N F E R R O U SM E T A L S V o l5 3 ．N O3 A u g u s t 2 00 I 流化床预热脱硅技术研究 马红钦1 ，朱慧铭1 ，谭欣1 ，赵林1 ，温金德2 ，李志方2 1 ．天津大学化工学院，天津3 0 0 0 7 2 ；2山东铝业公司生产技术处，山东淄博2 5 5 0 5 2 摘 要将特定的固体腰粒引入换热系统．研究藏固两相流化床传热技术，解决氧化铝厂管道化问接加热连续脱硅预热器硅 渣结垢严重、清洗周期短、费用高、传热就事低等问题。试验结果表明固体颗粒防止硅渣结垢；强化传热过程．使总传热系数提高 刭1 8 8 52 ～2 3 4 53 W “m 2 ℃ 。利用靠化床自清洁传热．设备改造投赍小，节能增产技益显著。 关t 词脱硅；预热器；结垢；漉化床 中圈分类号T F 8 2 1文献标识码A 文章编号1 0 0 10 2 1 1 2 0 0 1 0 3 0 0 2 4 0 3 氧化铝生产中采用管道化预热连续脱硅技术脱 硅，铝土矿熟料的溶出液边加热边脱硅，脱硅效果主 要受温度的影响，只要溶液加热到指定的温度，就能 达到较理想脱硅指数。在加热过程中，脱硅预热器 加热表面上所产生的硅渣结疤严重影响预热器的传 热效率，从而影响脱硅效果。在对现有脱硅预热器 运行情况分析的基础上，提出脱硅预热器中应用流 化床自清洁换热技术并进行了实验。 l 常规预热脱硅 氧化铝生产中预热脱硅的工艺流程如图l 所 示【1J ，采用四级预热，一至三级预热分别由四台换 热器组成，其加热蒸汽为脱硅原料液闪蒸汽和预热 器蒸汽冷凝水闪蒸汽；第四级预热由八台换热器组 成，其热源为0 ．8 M P a 的生蒸汽。按工艺设计，经四 级预热后，料液温度由8 0 ℃升高至1 6 5 ℃。在预热 的过程中，随温度的升高，料液中不断有硅渣析出， 从而导致预热器加热壁面严重结垢【2 】。生产中，连 续运行一个月后，加热管壁结垢厚度可达2 ～5 m m ， 并发生堵管现象。通常第四级预热器的结垢最为严 重。 换热器的严重结垢带来以下几方面的不利 1 传热效率降低。结疤的导热系数很小，约为 1 ．2 ～1 ．6 W ／ m 2 ℃ ，结疤的产生导致总传热系数 显著下降”J 。实际生产中平均总传热系数仅为 8 4 4 ．3 W ／ m 2 ．℃ 。 图1常规预热脱硅生产工艺流程 F i g1 N o r m a lp r e h e a t i n gd e s i | i c o n i z a t i o nf l o W s h e e t 收藕日期2 0 0 1 0 5 2 3 作者筒介马红钦 1 9 6 6 一 ，男．河南求城人．剐教授．博士 万方数据 第3 期马红铰等流化床预热脱硅技术研究 2 必须定期停车清理。实际生产中，1 个月清 洗一次，清洗费用高 8 ～1 0 万元／0 ，劳动强度大。 反复地拆装及清洗还影响设备的使用寿命。 3 不利于低品位热源的利用。由于传热系数 较低，必须要求较高的传热温差才能达到一定的传 热速率，因此，低温热源无法利用，不利于节能。 4 增加固定投资费用及生产维护费用。由于 清垢费时费力，为保证生产的连续性，必须有备用设 备，实际生产中，4 0 台换热器中2 0 台为备用设备。 因此，采用新技术预防预热器结垢是非常必要的。 2 流化床换热的原理及实验 2 0 世纪6 0 年代，美国首先将流化床换热器作 为盐卤加热器应用到海水淡化中，荷兰、德国也于 2 0 世纪7 0 年代开始了对流化床换热器工业应用的 研究【4 】。目前，流化床换热技术在西方发达国家已 工业化。天津大学化工学院经过十几年的试验室实 验研究及扩大实验，该项技术在中试规模上已获得 成功‘”。 流化床换热技术是固体流态化和传统问壁换热 的结合。如图2 所示，流体流过竖直管道内的固体 颗粒层时，当流速较低时，颗粒静止不动，此时的床 层称为固定床；当流速增大到一定程度时，固体颗粒 开始悬浮于向上流动的流体中，并能作随机的自由 运动，床层不断提高，床层空隙率不断增大，此时的 床层称为流化床；当流速大于固体颗粒的沉降速度 时，固体颗粒将被流体带走，此时的床层称为稀相输 送床。流化床中的固体颗粒在流体的推动下，并不 是作直线运动而是不停地随机跳动，固体颗粒之间 发生摩察、碰撞，固体颗粒与管壁之间也发生摩察、 碰撞等现象”】。 F i x e db e d F l u i d i z e db e d T r { m s p o r t e db e d 图2 不同流速时床层的变化 F i g ．2 V a r i a t i o n so ft h es o l i dp a r t i c l e s b e dw i t hf l u i dv e l o c i t y 由于流化床中固体颗粒的运动特征，应用于换 热器，必定产生下列效应 1 固体颗粒将破坏流体流动的边界层，降低对 流传热的热阻，增大对流传热系数。 2 固体颗粒对换热管壁表面具有清洁作用，即 具有除垢作用。 3 固体颗粒的运动加大对边界层的扰动，能防 止或减缓污垢成分在壁面上的吸附沉积，即具有防 垢作用。 流化床换热器中，惰性固体颗粒起防垢、除垢和 强化传热等多重作用。 根据流化床换热器的原理，设计试验室单管传 热实验装置，用山东铝业公司氧化铝厂的铝土矿浸 出液进行流化床传热实验，结果如图3 所示。可以 看出，固体颗粒的加入具有显著地强化传热和防结 垢效果。当无固体颗粒时，随运行时间的延长传热 系数明显降低，连续运行2 8 天后，总传热系数由开 始的1 5 3 0 W ／ m 2 - ℃ 降低到1 0 0 0 W ／ m 2 - ℃ 左 右。当加入特定材质、形状、大小和～定浓度的固体 颗粒后，总传热系数基本不随运行时间而变化，并保 持在2 3 0 0 W ／ m 2 ℃ 左右这样一个较高的水平。 说明固体颗粒对铝土矿浸出液在传热过程中硅渣结 垢的防止效果是明显的，流化床自清洁换热技术应 用于氧化铝生产中脱硅预热器是可行的。 图3 总传热系数h ，与运行时间的关系 F i g3 V a r i a t i o n so ft h et o t a lh e a tt r a r t s [ e r c o e f f i c i e n th Tw i t ho p e r a t i o nt i m e 3 应用流化床换热器的预期效果 3 ．1 防垢和除垢 从实验结果来看，实施流化床技术换热，脱硅预 热器基本无结垢，不需停车清洗。因此，可节省绝大 部分清洗费用。 3 ．2 强化传热 3 ．2 ．1 常规预热器的传热情况。常规预热器传热 H刚嘲嘲W洲⋯叫矧鞫洲 ㈠㈠翮⋯Ⅲ 万方数据 有色金属第5 3 卷 情况如表1 所示，平均总传热系数为h t 8 4 4 ，3 W ／ m 2 - ℃ 。 表1常规预热器各级预热器的传热情况 T a b l e1 W o r k i n gc o n d i t i o n so fn o r m a ld e z i l i c o n i z a t i o n p r e h e a t i n ge x c h a n g e r s 3 ．2 ．2 采用流化床换热技术的传热情况。管内流 化床一侧的传热系数为6 0 0 0 ～1 6 0 0 0 W ／ m 2 “ 1 3 ； 管外蒸汽冷凝侧的传热系数为5 0 0 0 ～1 5 0 0 0 W ／ I T l 2 ℃ 。以5 0 0 0 W ／ I l l 2 ℃ 计，实际生产中水蒸汽侧 可能的污垢热阻为8 ．5 9 8 1 0 。5 W ／ m 2 - ℃ ，计算 出总传热系数的范围为h ’， 1 8 8 5 ．2 ～ 2 3 4 5 ．9 W ／ m 2 ℃ 。两个方案的总传热系数之比为 h “ T ／h T 2 ．2 3 ～2 ．7 8 ，即提高1 2 3 ％～1 7 8 ％。 3 ．2 ．3 流化床预热脱硅流程。由于总传热系数有 大幅度的提高，可更好地利用低品位热源，可采用如 图4 所示的流程进行预热脱硅。将原来的四级预热 改为五级预热，每级预热有四台换热器组成，换热器 总数不变。其中前四级预热热源为预热后料液自蒸 发产生的蒸汽，第五级预热热源为08 M P a 的生蒸 汽，原来的三级闪蒸改为四级闪蒸，减少热源蒸汽的 消耗。 图4 流化床预热脱硅工艺流程 F i g ．4 F l u i d i z e db e dp r e h e a t i n gd e s i l i c o n i z a t i o nf l o w s h e e t 流化床预热器与闪蒸器的传热情况列于表21 7 1 ，1 6 ℃ 1 6 5 ．0 * C 。因此，预热器能满足生产工艺 中，并将总传热系数为1 8 8 5 ．2 W ／ n 1 2 ℃ 时的结果 标于工艺流程图中。 表2 流化床预热器与闪蒸器的传热情况 T a b l e2 W o r k i n gc o n d i t i o n so ft h ed e s i l i e o n i z a t i o n p r e h e a t i n ge x c h a n g e r sa f t e ri n n o v a t i o n Ⅳ级1 4 10 4 ～1 4 20 41 0 45 6 ～1 0 35 69 8 5 6 ～9 75 6 Ⅲ级 1 2 57 8 ～1 2 65 31 1 98 2 ～1 1 9 0 71 1 38 2 ～1 1 30 7 U 级 1 1 05 2 ～1 1 15 31 3 50 8 ～1 3 45 81 2 90 8 ～1 2 85 8 I 缓 9 52 6 ～9 5 ．5 11 5 03 4 ～1 5 0 0 91 4 43 4 ～1 4 40 9 第V 级预热后的温度为t 2 1 6 8 ．9 6 ～ 的要求。料液闪蒸预热温度由1 2 9 ．0 * C 提高到 1 4 1 ．0 4 ～1 4 2 ．0 4 ℃，生蒸汽用量节省近1 ／3 。 4 结束语 流化床自清洁换热技术不仅能有效防止脱硅加 热过程的结垢结疤，而且能强化传热过程，使总传热 系数提高1 2 3 ％～1 7 8 ％，节省生蒸汽近1 ／3 。考虑 流行床介质流速与热交换器介质流速一致性和材料 磨损等因素，经冷模试验和半工业试验，流化床自清 洁换热技术可用于改造现有的脱硅预热器。技术改 造的投资小，经济效益显著，而且还能提高脱硅器的 产能。流化床自清洁换热技术对碳分母液和种分母 液蒸发器的防垢和除垢也是有效的。 万方数据 第3 期马红钦等流化床预热脱硅技术研究 参考文 献 2 7 [ i J 山东铝业公司生产技术处．山东铝厂新南组间接加热连续脱硅技术改造f R J ，山东淄博山东铝业公司．1 9 9 2 [ 2 ] 山东铝业公司氧化铝厂技术科管道化预热连续脱硅运行小结[ R ] ．山东淄博山东铝业公司，2 0 0 0 【3 ] 杨重愚．氧化铝生产工艺 修订版 [ M ] ．北京冶金工业出版社，1 9 9 3 9 2 1 4JR a u t e n b a e hR ，E r d m a r mC ．K o l l b a c hJS tT h ef l u i d i z c db e dt e c h n i q u ei nt h ee v a p o r a d o no fw a s t e w a t e rw i t hs e v e r ef o u l i n g ／s e a l i n gp o t e n t i a l l a s t e dd e v e l o p m e n t s ，a p p l i c a t i o n ，l i m i t a t i o n 【』] ．D e s a l i n a t i o n1 9 9 1 ，8 I 2 8 5 [ 5 ] 刘妹红，李修伦，林瑞泰，等汽、液、固三相流新技术在卤水蒸发过程中的工程应用[ J ] 海湖盐与化工1 9 9 9 ，2 8 4 1 2 [ 6 ] 国井太藏，列文斯比尔。流态化工程[ M ] ．华东石油学院，上海化工设计院译北京石油化学工业出版社，1 9 7 7 1 S T U D YO Nf D U L I N GP R E V E N T I o No FD E S l L I C o N r Z A T I o N P R E H E A T l N GE x C H A N G E Rw I T HL I Q u l D - S o L I DF L u I D I z E DB E D M A H o n g q i 一，Z H U H u i m i “g l - T A N X i 一，Z H A OL i H l ，w E NJz n d e 2 ，uz h i 如“g l t 1 c h n Mo f C h e m i c a E n g i n 贸r i n g ＆T e c h n o l o g 。T i a 珊i nU 删H } 舛，；v i a Ⅳi n3 0 0 0 7 2 。C h i n a ； 2D e p a r t m e n to ／P r o d u c t i o n 8T e c h n o l o g y ．S h a n d o n g A l u m i n u mC o r p o r a t i o n ，Z i b o2 5 5 0 5 2 ．S h a n d o n g ，C h i n a A B S T R A C T T h el i q u i d s o l i df l u i d i z e db e dp r e h e a t i n gd e s i l i c o n i z a t i o nf o ra l u m i n ap r o d u c t i o ni s i n v e s t i g a t e d ．T h ep a r t i c u ， 1 a ri n e r ts o l i dp a r t i c l e sa r ei n t r o d u c e di n t ot h eh e a te x c h a n g e r sr of o r m1 i q u i d s o l i df l u i d i z e db e d ．t h ef o u l i n gi s p r e v e n t e df r o md e p o s i t i o no nt h ed i a t h e r m a ls u r f a c e ．T h eh e a te x c h a n g i n gi si n t e n s i f i e d ，a n dt h et o t a lh e a tt r a i l s f e rc o e f f i c i e n ti sp r o m o t e df r o mc o n v e n t i o n a l8 4 4 ．3 W ／ m 2 ℃ t o1 8 8 5 ．2 ～2 3 4 5 ．3 W ／ m 2 ℃ ．T h et e m p e r a l u r e o fs o l u t i o nr i s e st o1 4 1 ．0 4 ～1 4 2 ．0 4 Vb yf l a s hv a p o r i z a t i o n ，t h eq u a n t i t yo fv a p o rf o rh e a t i n gf a l l s1 ．5 t i m e s ．T h ea p p l i c a t i o no fl i q u i d s o l i df l u i d l z e db e dt e c h n i q u e st od e s i l i c o n i z a f i o np r e h e a t i n ge x c h a n g e r si sf e a s i b l e a n dw i t hc o n s i d e r a b l eo fb e n e f i t ． K E YW O R D S d e s i l i c o n i z a t i o n ；h e a te x c h a n g e r ；f o u l i n g ；f l u i d i z e db e d 上接第1 9 页C o n t i n u e df r o mP1 9 P H Y S I C O C H E M I C A LP R I N C I P L E S0 FC O N T R O L L I N G C H I N E S EC O N T I N U O U SC R Y S T A L L I Z E R o f UK e q l u n a C e n t r a lS o u t hU n i w r s i t y C H E NQ i y u a n C h a n g s h a4 1 0 0 8 3 ．C h i n a A B S T R A C T I no r d e rt od e e p e nt h eu n d e r s t a n d i n go ft h ec o n t r o lm e t h o do fC h i n e s ec o n t i n u o u sc r y s t a l l i s a t o r ，p h y s i c o c h e m i c a lp r i n c i p l e so f c o n t r o l l i n gC h i n e s ec o n t i n u o u sc r y s t a l l i z e r a r e s y s t e m a t i c a l l yg i v e n i nt h i s p a p e r ．T h e r m o d y n a m i ca n a l y s i sa n de x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e dt h a tt h et e m p e r a t u r ec o n t r o lm u s ta g r e ew i t ht h e l a w so ft h ep h a s ed i a g r a m ，a n dt h e o r yf o rt h ee f f e c t i v ed i s t r i b u t i o nc o e f f i c i e n ts h o u l db ec o n s i d e r e da st h ei n c l i n e d a n g l e ，a n dt h er o t a t i o n a ls p e e do ft h es p i r a la g i t a t o ra r er e g u l a t e da n ds e l e c t e d ． K E YW O R D S m e t a l ；r e f i n i n g ；c r y s t a l l i z e r ；f r a c t i o n a lc r y s t a l l i z a t i o n 万方数据