+7 (343) 247-81-32

Engineering Production Building and Commissioning

Publications

22.10.2012

Работа выпарных батарей для концентрирования алюминатных растворов в условиях подачи сгущённой содовой пульпы

Б.А.Кальченко1, В.М.Ронкин1, С.И.Фролов1, Е.В.Пустынных2, О.Г.Жарков2, И.Е.Третьяков2, А.В.Пересторонин3, А.В.Панов3

1 - ЗАО НПП «МАШПРОМ», 620012, г.Екатеринбург, ул. Краснознаменная, 5.

Тел.: (343) 287-01-23. Факс: (343) 338-66-76.

2 – Филиал «УАЗ-СУАЛ» ОАО «СУАЛ», 623406, Свердловская обл., г.Каменск-Уральский, ул.Заводская, 4.

3 – ООО «РУСАЛ-ИТЦ», в г. Санкт-Петербург, 199106, г.Санкт-Петербург, В.О., Средний проспект, 86.

При получении глинозёма, являющегося сырьем для производства алюминия, важную роль играет процесс выпаривания. Выпариванию подвергают алюминатные растворы, полученные в результате выделения гидроокиси алюминия из алюминатно-щелочных растворов, образующихся при выщелачивании оборотным раствором бокситов. При выпаривании алюминатных растворов из них удаляют воду, введенную в процесс для разбавления алюминатных растворов, а также при многочисленных промывках, концентрируют содержащуюся в растворе каустическую щелочь и выделяют кристаллическую карбонатную соду, также находящуюся в растворе. Образующуюся твердую фазу отделяют от раствора на фильтрах и подают на стадию получения глинозема методом спекания, а раствор, называемый оборотным, отводят на узел выщелачивания бокситов [1].

В настоящее время в глинозёмных производствах для упаривания алюминатных растворов используются многокорпусные выпарные батареи, оснащённые аппаратами с естественной циркуляцией и плёночного типа с падающей пленкой. При этом в качестве продукционных корпусов, в которых происходит конечное концентрирование раствора и выделение кристаллической соды, применяются выпарные аппараты с естественной циркуляцией. Как показывает практика эксплуатации этих батарей, продукционные выпарные аппараты имеют ряд существенных недостатков, связанных с тем, что кипение раствора в них происходит в греющих трубках. В процессе работы в этих аппаратах происходит интенсивное зарастание солью греющих трубок и производительность всей батареи падает. Это приводит к тому, что межпромывочный период работы батареи не превышает 20 часов, после чего ее необходимо промывать. При этом в ходе промывки потребляется пар и электроэнергия, а продукция – оборотный раствор – не выпускается. Кроме того, зарастание греющих трубок содой снижает интенсивность теплообмена в них, что еще более уменьшает производительность батареи. Недостатки конструкций применяемых выпарных аппаратов не дают возможность также получить достаточно крупные кристаллы соды, хорошо отделяемые от упаренного алюминатного раствора. Основной причиной перечисленных недостатков является несовершенство конструкций применяемых выпарных аппаратов, которое и приводит к кипению раствора в трубках, что обусловливает забивку трубок солями [2].

При выпаривании алюминатных растворов на Богословском и Уральском алюминиевых заводах начальная концентрация каустической щелочи в растворе составляет обычно 140-160 г/л, а конечная – 295-300 г/л [3]. Это вызвано наличием большого количества соды в перерабатываемых бокситах и тем, что при отмеченной концентрации сода с достаточной полнотой выводится из Байеровского цикла на последней стадии выпаривания.

В настоящее время в рассматриваемых производствах на технологическом переделе выпаривания верхний предел концентрации упаренного раствора по каустической щелочи снижен с 300 до 285 г/л по Na2OКУ. Целью данного мероприятия является уменьшение затрат пара при получении глинозема. Однако это привело к повышению содержания карбонатной соды в оборотном растворе с 7,4-7,5 до 8,3-8,5 %. В результате имеет место преждевременная забивка выпарных батарей, что приводит к снижению их производительности на 20-25 % и более, а также к уменьшению межпромывочного периода их работы. Итогом является нестабильная работа выпарных батарей, которая приводит к нарушению ритмичности функционирования последующих технологических переделов получения глинозема.

Снижение конечной концентрации упаренного раствора при выпаривании ведет к уменьшению количества кристаллической карбонатной соды, выделяющейся из растворов. В связи с этим условия процесса кристаллизации соды значительно ухудшились, что проявляется в уменьшении размеров кристаллов. Вследствие этого происходит ухудшение отделения соды от упаренного раствора на содоотстойниках и уносу ее со сливным раствором, что осложняет его дальнейшее применение.

Как известно из теории кристаллизации, улучшить условия выделения кристаллов из раствора, которые ведут к их укрупнению, можно за счет наличия в растворе дополнительной твердой фазы, которая играет роль затравки [4]. На ней происходит выделение вновь образующейся твердой фазы, за счет чего происходит увеличение размеров кристаллов, а также снижение забивки теплообменных трубок содой, ведущее к удлинению межпромывочного периода работы выпарных аппаратов. Кроме того, наличие затравки в упариваемом растворе даст возможность значительно снизить остаточное пересыщение оборотного раствора по соде, вследствие которого постоянно происходит зарастание трубопроводов [5].

Для выполнения отмеченных намерений в выпарной аппарат требуется подать пульпу с высоким содержанием твердой фазы. В глиноземном производстве такая пульпа имеется на узле отделения соды от упаренного раствора, в виде сгущенной пульпы после содоотстойника, которую необходимо подать на выпаривание. Подобные решения с использованием затравки испытывались ранее [6] и показали положительный результат.

Однако практическая реализация мероприятий, связанных с бесперебойной подачей высококонцентрированной пульпы из отстойника соды на выпарную батарею сопряжена со значительными трудностями. В первую очередь они связаны с постоянными забивками трубопроводов, а также со сложностью регулирования необходимого расхода пульпы. Одна из основных причин этого состоит в особых свойствах кристаллической соды, проявляющихся в ее способности к налипанию, причиной чего является наличие в ней органических соединений [7]. Забивка тракта подачи часто вызывается его исполнением, неверной прокладкой трубопроводов и подбором регулирующей арматуры, а также неудачными гидравлическими режимами течения пульпы.

С целью укрупнения кристаллов соды и улучшения их отделения от упаренного раствора, а также удлинения межпромывочного периода работы выпарной батареи на Уральском алюминиевом заводе было решено подать на одну из действующих батарей содовую пульпу. Для этого был создан узел подачи сгущенной содовой пульпы из содоотстойника на выпарную батарею. При этом с учетом того, что батарея работает по противоточной схеме, пульпа подавалась в первый корпус, являющийся продукционным.

Указанные работы были намечены как опытно-промышленные испытания, в ходе которых отрабатывались различные режимы выпаривания растворов с высоким содержанием твердой фазы. Целью испытаний являлось определение возможных режимов концентрирования (и их границ) указанных растворов на действующем выпарном оборудовании и условий надежной подачи в него сгущенной пульпы после содоотстойника.

Реализация намеченных мероприятий осложнялась размещением существующего ранее оборудования в цехе. Так, содоотстойники, в которых получается сгущенная пульпа, располагались в помещении участка отделения соды. Выпарная батарея размещена в помещении участка выпаривания. При этом расстояние по прямой между отстойником и выпарным аппаратом достигает 70 м, однако прокладке пульпопровода по кратчайшему пути мешало уже имеющееся в цехе оборудование. Поэтому общую длину трубопровода пришлось значительно увеличить.

В состав узла подачи содовой пульпы входил бак с мешалкой, перекачивающие насосы и трубопроводы с регулирующей и запорной арматурой. Основной задачей создания данного узла являлось обеспечение бесперебойной подачи заданного количества сгущенной содовой пульпы в продукционный корпус выпарной батареи. При этом основная проблема состояла в прокладке пульпового трубопровода таким образом, чтобы исключить или в максимальной степени снизить его забивку густой пульпой. Кроме того, в узле подачи пульпы на выпарную батарею были предусмотрены приборы для контроля и стабилизации необходимого расхода пульпы, подаваемой в выпарной аппарат и других параметров работы узла.

При разработке и монтаже оборудования узла подачи содовой пульпы на выпарную батарею основное внимание было уделено достижению его надежной работы. Для этого пульповые коммуникации и установленная на них арматура, а также контрольно-измерительные приборы были выбраны, исходя из имеющегося у нас опыта проектирования оборудования для переработки пульп, а также на основании рекомендаций в литературе [8, 9]. На основании этих же данных были выбраны и гидравлические условия работы узла подачи пульпы.

Узел подачи содовой пульпы работал следующим образом. Сгущенная содовая пульпа отбиралась из содоотстойника в бак с мешалкой. При этом пульпу можно было отбирать из нескольких отстойников. Пульпа из бака откачивалась насосом и прокачивалась по замкнутому контуру, с возвратом в бак. Часть потока пульпы отбиралась из контура и подавалась в первый (продукционный) корпус выпарной батареи. Необходимый расход пульпы устанавливался с помощью регулирующего клапана с дистанционным управлением в зависимости от заданной концентрации твердой фазы и измерялся при помощи расходомера.

В продукционном корпусе выпарной батареи происходило окончательное концентрирование алюминатного раствора. В ходе выпаривания в этом аппарате кристаллическая сода выделяется из раствора, осаждаясь на присутствующей в растворе твердой фазе как на затравке. При этом в аппарате поддерживалась заданная концентрация твердой фазы. Упаренная пульпа с повышенной концентрацией твердой фазы отводилась из аппарата в самоиспаритель раствора, после которого насосом откачивалась на содоотстойник.

При работе батареи совместно с узлом подачи пульпы постоянно осуществлялся отбор проб перерабатываемых растворов и пульп. Контроль за действием оборудования узла подачи пульпы проводился по показаниям контрольно-измерительных приборов. Технологический режим работы выпарной батареи измерялся при помощи штатных средств контроля, установленных на оборудовании. С целью оценки концентрации упаренного раствора аппаратчиками регулярно отбирались пробы для измерения плотности.

Опытно-промышленные испытания выпарной батареи и узла подачи содовой пульпы состояли из нескольких этапов. На каждом из них в продукционном корпусе поддерживался заданный режим, путем подачи в него такого расхода пульпы, который позволял иметь в аппарате требуемую концентрацию твердой фазы.

Перед проведением испытаний выпарной батареи было проведено обследование ее работы в обычном режиме – без подачи пульпы. В период подачи пульпы также проводились измерения технологических параметров работы батареи. После проведения испытаний был выполнен сравнительный анализ технологических показателей работы батареи, а также данных химических анализов перерабатываемых растворов и пульп.

Главным итогом проведенных испытаний является увеличение межпромывочного периода работы выпарной батареи вследствие подачи на нее содовой пульпы. Причем, чем выше содержание твердой фазы в продукционном корпусе, тем больше продолжительность межпромывочного периода работы. При этом начальная производительность батареи в ходе различных этапов испытаний, а также при работе без подачи содовой пульпы находилась на одном и том же уровне. Степень снижения производительности при работе без подачи пульпы больше, чем в случае подачи затравки в продукционный корпус.

Для увеличения межпромывочного периода работы выпарной батареи при проведении испытаний предусматривалась подача на нее содовой пульпы с различным расходом. Предварительные испытания с подачей на батарею такого количества пульпы, чтобы содержание твердой фазы в упаренном растворе составляло бы около 100 г/л, вместо 80 г/л, которые были в упаренном растворе при работе без подачи затравки, не привели к ощутимому изменению межпромывочного периода работы.

Заметного увеличения межпромывочного периода работы удалось достигнуть при подаче на батарею такого количества содовой пульпы, чтобы концентрация твердой фазы в упаренном растворе составляла бы около 120 г/л. Это в 1,5 раза больше, чем при работе батареи без подачи затравки. В этом случае продолжительность работы без промывки увеличивается до 24-27 ч, что почти на 40 % больше, чем в обычном режиме.

При поддержании в упаренном растворе содержания твердой фазы 140-160 г/л межпромывочный период выпарной батареи возрастает до 42-46 ч. Это в 2,5 раза больше, чем при работе без подачи затравки. Если в упаренном растворе содержится около 200 г/л твердой фазы, продолжительность работы батареи до промывки возрастает еще больше – до 47 ч, что в 2,7 раза больше, чем в обычном режиме. Однако при этом плотность упаренного раствора составляла 1440-1445 кг/м3, что вызывает опасение забивки циркуляционного контура выпарного аппарата вследствие оседания в нем твердой фазы из пульпы [10].

Для иллюстрации на рис. 1 приведены графики изменения производительности батареи по исходному раствору в течение межпромывочного периода в двух случаях: без подачи затравки (когда межпромывочный период был 17 ч 30 мин) и при работе батареи с подачей пульпы (при межпромывочном периоде 47 ч). На рисунке видно, что оба графика начинаются при производительности 210 м3/ч. Закачивается же работа батареи в обычном режиме через 17,5 ч, имея производительность 122-127 м3/ч. При работе с затравкой продолжительность работы достигает 47 ч, а минимальная производительность по исходному раствору 145 м3/ч. На рис. 2 показан график изменения расхода пара на выпарную батарею в рассмотренных режимах. Видно, что расход пара меняется почти пропорционально изменению производительности батареи.


Рис. 1. Расход исходного раствора на выпарную батарею при работе с подачей (1) и без подачи (2) содовой затравки 


Рис. 2. Расход пара на выпарную батарею при работе с подачей (1) и без подачи (2) содовой затравки


Для сравнения и оценки показателей работы выпарной батареи при различных режимах составлена таблица 1. В ней приведены усредненные данные и показатели в различных условиях как за один цикл, так и за год работы. В состав одного цикла входит работа батареи в течение межпромывочного периода, промывка и закрепление. В таблице указаны удельные расходы пара как на тонну выпаренной воды, так и на тонну упаренного раствора. Приведены также годовая выработка этого раствора и годовое потребление пара.

Эффективность действия выпарных установок обычно оценивают по удельному расходу пара на тонну выпаренной воды. Однако, вследствие того, что количество выпаренной батареей воды меняется в довольно большом интервале из-за колебаний состава исходного раствора, этот показатель, в данном случае, не является объективным. Более правильно, по-нашему мнению, судить о затратах тепла при работе батареи с различным содержанием твердой фазы по удельному расходу пара на тонну упаренного раствора. Получение упаренного (оборотного) раствора с заданной концентрацией каустической щелочи является основной целью использования технологической операции выпаривания при получении глинозема, а указанный раствор - основной продукт выпарной батареи. Поэтому именно удельный расход пара на тонну упаренного раствора наиболее точно характеризует необходимые затраты пара на получение готового продукта. При этом расход упаренного раствора мало зависит от его конечной концентрации.

Рассмотрим удельные расходы пара на тонну упаренного раствора при различных условиях работы выпарной батареи. Условия работы отличаются содержанием твердой фазы в упаренном растворе. По данным таблицы 1 видно, что с увеличением концентрации твердой фазы удельный расход пара на тонну упаренного раствора возрастает. То есть, удлинение межпромывочного периода работы батареи вследствие повышения содержания соды в упаренном растворе приводит к увеличению удельных затрат пара. Это происходит вследствие того, что для повышения содержания твердой фазы в продукционный корпус приходится  подавать  большое  количество  содовой  пульпы,  которое  может  доходить до 30-40 % от расхода упаренного раствора. При этом температура содовой пульпы, равная 100-105 ОС намного ниже, чем температура раствора в выпарном аппарате (128-130 ОС) и ее приходится дополнительно подогревать до температуры кипения, на что требуется дополнительно тратить пар. Поэтому происходит увеличение удельного расхода пара.

С целью оценки фактической производительности выпарной батареи по готовой продукции – упаренному раствору, а также необходимых затрат пара, в таблице 1 приведены общая выработка упаренного раствора и потребления пара за рабочий цикл. Для большинства выпарных батарей, действующих в обычном режиме, рабочий цикл составляет примерно сутки или чуть меньше, из которых 4 ч занимает промывка и закрепление. Отметим, что при удлинении межпромывочного периода работы батареи время на промывку и закрепление не меняется. В таблице приведены данные по работе батареи при различном содержании твердой фазы в продукционном корпусе (как с подачей, так и без подачи содовой пульпы) и годовой выработке упаренного раствора и требуемых для этого затратах пара. При этом общий годовой ресурс рабочего времени использования батареи принят равным 330 суток.

Из таблицы 1 видно, что при увеличении продолжительности межпромывочного периода  до 47 ч (при содержании твердой соды в продукционном корпусе около 200 г/л) производительность батареи за цикл работы возрастает до 6025 т. Это почти в три раза больше, чем при эксплуатации батареи без подачи затравки. Также видно, что в случае  работы батареи без промывок более 40 ч, ее годовая производительность по упаренному раствору возрастает на 15-20 %. При этом общее годовое потребление пара (в случае работы с подачей затравки) возрастает пропорционально увеличению производительности. То есть, рост производительности по продукционному раствору сопровождается практически таким же ростом затрат пара. Это объясняется тем, что, несмотря на снижение количества рабочих циклов с увеличенным межпромывочным периодом за год, удельные затраты пара на тонну упаренного раствора увеличиваются. То есть, в результате работы выпарной батареи с повышенным содержанием твердой фазы происходит повышение ее годовой выработки по упаренному раствору с соответствующим увеличением потребления пара.

Представляет интерес рассмотреть изменения коэффициента теплопередачи продукционного выпарного аппарата по времени при различных режимах работы батареи как без подачи, так и с подачей затравки. Для этого по данным испытаний в различных режимах были просчитаны показатели батареи и коэффициентов теплопередачи. График их изменения приведен на рис. 3.


Рис. 3. Изменение коэффициента теплопередачи продукционного корпуса выпарной батареи при различных режимах в течение цикла работы: 1 и 2 - испытания без подачи затравки; 3 - испытания с 140-160 г.тв./л; 4 - испытания с 160-200 г.тв./л.

На графике видно, что при работе батареи без подачи затравки коэффициент теплопередачи продукционного корпуса в начале цикла составляет около 770 Вт/м2·К, а в конце цикла, через 17 ч 30 мин – 450-500 Вт/м2·К. В условиях подачи содовой затравки в начале цикла коэффициент теплопередачи аппарата возрастает до 900-1000 Вт/м2·К и даже выше. В конце цикла после длительной работы с высоким содержанием твердой фазы коэффициент теплопередачи снижается примерно до таких же значений, что и при работе батареи без затравки. Причина отмеченного факта состоит в том, что наличие затравки значительно снижает инкрустации внутренней поверхности теплообменных трубок. Причем, чем больше концентрация кристаллов, тем меньше происходит снижение коэффициента теплопередачи. При окончании рабочего цикла трубки аппарата, вследствие кипения раствора в них, зарастают содой, и коэффициенты теплопередачи снижаются до одних и тех же значений как в режимах без подачи, так и с подачей содовой пульпы.
Заслуживает внимание также оценка размеров кристаллов соды выделяющихся из упариваемого алюминатного раствора при подаче в аппарат содовой пульпы. Для этого были проведены гранулометрические анализы кристаллической соды. Результаты анализов показали, что при подаче содовой затравки в продукционный корпус, в котором происходит выделение кристаллической соды из раствора, наблюдается увеличение размеров кристаллов более, чем в два раза.
Таким образом видно, что проведенные испытания промышленной выпарной батареи в условиях работы с подачей в продукционный выпарной аппарат содовой пульпы показали положительный эффект. Благодаря этому улучшается работа выпарного аппарата, удлиняется его межпромывочный период работы батареи. При этом, чем выше концентрация твердой фазы в выпарном аппарате, тем больше длительность межпромывочного периода. В результате увеличивается годовая производительность выпарной батареи по упаренному раствору.
Одно из ограничений при подаче содовой пульпы в выпарной аппарат с естественной циркуляцией, какими являются продукционные корпуса батарей, является поддержание в нем такого содержания твердой фазы, чтобы плотность упаренной пульпы в нем не превысила бы 1440-1450 кг/м3. При превышении этих значений в аппарате будут происходить заносы и осаждение твердой фазы в циркуляционном контуре [10]. Это приведет к прекращению циркуляции и нарушению нормальной работы аппарата.
Главным ограничивающим фактором при организации мероприятий по подаче содовой пульпы на существующие выпарные установки являются трудности с подачей высококонцентрированной пульпы. Эта пульпа имеется только на узлах содоотделения и представляет собой сгущенную суспензию из отстойников соды. Как правило, узлы содоотделения находятся достаточно далеко от выпарных батарей. Поэтому сгущенную содовую пульпу необходимо транспортировать на большое расстояние. Основная трудность при этом состоит в прокладке пульпопровода, который должен быть проведен таким образом и иметь такую конфигурацию, чтобы в нем были исключены застойные зоны, места заносов и осаждения твердой фазы. Кроме того, данный трубопровод должен быть оснащен такой запорно-регулирующей трубопроводной арматурой, которая в наименьшей степени подвержена забивке твердой фазой. Как показывает имеющийся у нас опыт, именно прокладка пульпового трубопровода и обеспечение его надежной и безостановочной работы представляют главную проблему при перекачивании густых пульп на большие расстояния.
Следует отметить, что мероприятия, касающиеся узла подачи содовой пульпы с участка отделения соды на промышленную выпарную батарею глиноземного производства, были проведены по проекту, выполненному ЗАО НПП «Машпром». Узел подачи пульпы на выпарную батарею был проложен в цехе и оснащен такой арматурой, которая обеспечила его надежную и безостановочную работу в течение всего периода испытаний и во всех режимах. При этом не было отмечено никаких перебоев в действии входящего в данный узел оборудования. Таким образом, проведенные испытания показали работоспособность и надежность примененного оборудования, подтвердили высокое качество проектных и монтажных работ, правильность заложенных в проекте технических решений и расчетов узла подачи содовой пульпы.
Вместе с тем, при рассмотрении возможности подачи содовой пульпы на имеющиеся в производстве выпарные батареи, следует учитывать особенности конструкции применяемых продукционных выпарных аппаратов. Так как в глиноземном производстве используются продукционные аппараты различных типов, в основном с естественной циркуляцией, то при оценке возможности подачи на них затравки следует учитывать способность этих конструкций работать с повышенной концентрацией твердой фазы.
При проведении испытаний схемы подачи содовой пульпы на выпарную батарею, особенно в условиях работы с повышенным содержанием твердой фазы, для ведения процесса необходимо знать концентрацию каустической щелочи в упаренном растворе. По ней ведется процесс выпаривания и устанавливается режим батареи. Однако, на действующих выпарных батареях оперативный контроль за содержанием каустика ведется только путем периодического отбора проб и измерения их плотности. Причем, если для установившихся режимов работы батарей без подачи затравочной пульпы, подобный метод может быть допустим, то при подаче затравки плотность пульпы возрастает и не позволит  определенно судить о содержании щелочи в растворе. Поэтому, в случае подачи затравки на выпарную батарею, необходим более точный метод измерения концентрации каустика, такой, например, как измерение температурной депрессии раствора.
Кроме того, при работе выпарной батареи с подачей на нее содовой пульпы, значительно возрастает нагрузка на отстойник соды. Поэтому, при проработке возможности работы других выпарных батарей с затравкой, необходимо учитывать способность действующих содоотстойников переработать дополнительное количество твердой фазы.
В заключение следует отметить, что результаты испытаний выпарной батареи с узлом подачи содовой пульпы могут быть использованы при создании нового промышленного выпарного оборудования, а также при модернизации существующих батарей с целью повышения их эффективности и производительности на различных глиноземных заводах.

Back