毛 鵬

(中鋁山東工程技術(shù)有限公司,山東 淄博 255052)

0 前言

晶種分解是拜耳法生產(chǎn)氧化鋁的關(guān)鍵工序之一,分解過程不僅應(yīng)得到質(zhì)量良好的氫氧化鋁,而且應(yīng)確保合格晶種的循環(huán)添加[1]。分解分級(jí)工藝控制的好壞直接影響產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量,而氫氧化鋁漿液分級(jí)旋流器是保證氫氧化鋁產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵設(shè)備[2]。本文通過分析某鋁業(yè)公司晶種分解工序存在的問題,設(shè)計(jì)選型適合生產(chǎn)實(shí)際的氫氧化鋁漿液水力旋流器,并進(jìn)行流程優(yōu)化改造。工藝優(yōu)化改造后,既達(dá)到了氫氧化鋁產(chǎn)品質(zhì)量的要求,也降低了生產(chǎn)成本。

1 旋流器的主要用途、工作原理及分類

1.1 旋流器的主要用途

旋流器自20 世紀(jì)80 年代末開始在國內(nèi)出現(xiàn),是一種離心分離裝置[3]。在20 世紀(jì)90 年代,旋流器發(fā)展成為主要的處理設(shè)備,用于礦砂的篩選及分級(jí)等。如今,旋流器因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、分離效率高、占地面積小等優(yōu)點(diǎn),已成為不可或缺的分離、分級(jí)設(shè)備,廣泛應(yīng)用于各種金屬及非金屬礦選、礦物漿液脫水、礦漿脫泥、漿液除渣、礦物濃縮、尾礦過濾等領(lǐng)域。例如,除渣旋流器在電廠原油除渣、濕法脫硫、污水處理等作業(yè)中得到了充分的應(yīng)用。

1.2 旋流器的工作原理及分類

旋流器是利用離心力場(chǎng)加速料漿中固體顆粒沉降和強(qiáng)化分離過程的有效分離設(shè)備,其分離原理是離心沉降[4]。其特點(diǎn)是在離心力的作用下將具有一定密度差的兩相或多相混合物分級(jí)或分離,基本原理是:將需分離的混合液以一定壓力從旋流器周邊切向送入旋流器,使其在圓柱腔內(nèi)產(chǎn)生高速旋轉(zhuǎn)流場(chǎng),進(jìn)行強(qiáng)烈的三維橢圓型強(qiáng)旋轉(zhuǎn)剪切湍流運(yùn)動(dòng)。由于受到的離心力、向心浮力、流體曳力等作用力的大小不同,在離心沉降的作用下,混合物中密度大的組分沿軸向向下運(yùn)動(dòng)和沿徑向向外運(yùn)動(dòng),形成外旋渦流場(chǎng),到達(dá)錐體段后沿器壁向下由底流口排出;密度小的組分朝中心軸線方向運(yùn)動(dòng),并在軸線中心形成向上運(yùn)動(dòng)的內(nèi)渦旋,最后由溢流口排出,從而達(dá)到兩相分離分級(jí)的目的[5]。

根據(jù)工藝流程的特點(diǎn),旋流器一般可分為一段分級(jí)旋流器和二段分級(jí)旋流器。一段分級(jí)旋流器與一段球磨機(jī)構(gòu)成閉路循環(huán),實(shí)現(xiàn)對(duì)磨礦的分級(jí),大大提高了球磨機(jī)的磨礦效率;二段分級(jí)旋流器用于各種礦選的二段檢查及分級(jí)。按照功能分類,旋流器可分為分級(jí)旋流器、濃縮旋流器、脫泥旋流器、脫水旋流器、除渣旋流器、尾礦干排專用旋流器等。

1.3 氫氧化鋁漿液水力旋流器的工作原理

在拜耳法氧化鋁晶種分解過程中,水力旋流器的作用主要是將晶種分解得到的氫氧化鋁漿液進(jìn)行旋流分級(jí),分級(jí)后的氫氧化鋁粗顆粒再經(jīng)過濾、洗滌即成為成品氫氧化鋁,細(xì)顆粒經(jīng)過濾分離出種分母液后作為晶種循環(huán)使用。其最重要的控制指標(biāo)就是分級(jí)底流氫氧化鋁的粒度,一般要求氫氧化鋁粒度-45 μm≤15%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。

本文選型使用的氫氧化鋁漿液分級(jí)旋流器由進(jìn)料箱、溢流箱、底流箱、角形閥門、旋流子、安裝支腿等組成,結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 氫氧化鋁漿液旋流器結(jié)構(gòu)示意圖

在氫氧化鋁漿液種子分級(jí)過程中,需要處理的氫氧化鋁漿液量通常較大。為了實(shí)現(xiàn)大液量連續(xù)處理,提高旋流器的運(yùn)行效率,降低動(dòng)力消耗,減少占地面積,一般將一定數(shù)量的旋流器組成旋流器組來使用。在一組旋流器中,單臺(tái)旋流器一般稱為旋流子。氫氧化鋁漿液分級(jí)旋流器的工作原理是分解后的氫氧化鋁漿液通過旋流器進(jìn)料泵輸送至旋流器進(jìn)料箱,再以一定的壓力由進(jìn)料箱射入旋流子,然后以漸開線或螺旋線方式形成強(qiáng)烈的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng);由于漿液中的顆粒受到的離心力、向心浮力、液體曳力不同,大部分密度小或者粒度細(xì)的料漿從旋流子的溢流管排出至溢流箱,然后返回分解系統(tǒng)作為晶種使用;密度大或者粒度粗的料漿從旋流子底流口排出至底流箱,然后送往成品過濾、洗滌系統(tǒng)生產(chǎn)成品氫氧化鋁。

2 晶種分解工序優(yōu)化

2.1 晶種分解工序存在問題

某鋁業(yè)公司拜耳法氧化鋁生產(chǎn)線晶種分解工序需處理的氫氧化鋁漿液流量為600 m3/h,氫氧化鋁漿液密度為1.33～1.35 t/m3。工藝流程如圖2 所示。改造前,分解工序共有氫氧化鋁漿液旋流器2 組,每組氫氧化鋁漿液處理能力為300 m3/h。因旋流器使用年限過長,結(jié)疤嚴(yán)重,分級(jí)效果明顯不好,再加上旋流器布局分散,流程長,開動(dòng)設(shè)備多,動(dòng)力輸送設(shè)備存在大馬拉小車的現(xiàn)象,動(dòng)力消耗居高不下。

圖2 分解分級(jí)工序優(yōu)化改造前工藝流程

2.2 晶種分解工序節(jié)能優(yōu)化方案

2.2.1 水力旋流器選型設(shè)計(jì)

針對(duì)某鋁業(yè)公司氧化鋁生產(chǎn)線分解工序的實(shí)際情況,設(shè)計(jì)選用1 組處理能力為600 m3/h 的氫氧化鋁漿液水力旋流器替代原有的2 組旋流器。

2.2.1.1 水力旋流器旋流子數(shù)量確定

分級(jí)旋流器單臺(tái)旋流子直徑計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式如下:

式中:D——旋流子直徑,mm;

qm——單個(gè)旋流子處理量,m3/h;

ρm——?dú)溲趸X漿液密度,t/m3;

Δpm——旋流子進(jìn)口壓力,MPa。

結(jié)合目前生產(chǎn)實(shí)際經(jīng)驗(yàn),選用直徑250 mm 的旋流子的分級(jí)效果較為理想。因此,旋流子直徑確定為250 mm,氫氧化鋁漿液密度按1.35 t/m3計(jì)算,結(jié)合進(jìn)料壓力與分級(jí)粒度關(guān)系圖(圖3),旋流子進(jìn)口壓力選0.15 MPa。將相關(guān)參數(shù)代入公式(1)得到單個(gè)旋流子的處理量為54.8 m3/h。

圖3 旋流器進(jìn)料壓力與分級(jí)粒度關(guān)系圖

分級(jí)旋流器組處理能力采用公式(2)計(jì)算:

式中:Q——分級(jí)旋流器處理能力;m3/h;

n——旋流子數(shù)量,臺(tái)。

分級(jí)旋流器處理能力600 m3/h,單個(gè)旋流子的處理量為54.8 m3/h,將相關(guān)參數(shù)代入公式(2)進(jìn)行計(jì)算,得到旋流子數(shù)量為10.9 臺(tái)。考慮到生產(chǎn)過程中旋流子輪流清理檢修的情況,設(shè)計(jì)選用12 臺(tái)旋流子組成分級(jí)旋流器組。

2.2.1.2 分級(jí)旋流器其他參數(shù)確定

確定旋流子的數(shù)量和直徑后,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定旋流子的具體尺寸,相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 分級(jí)旋流器其他參數(shù)一覽表

旋流子的數(shù)量及各個(gè)參數(shù)確定后,分級(jí)旋流器的選型設(shè)計(jì)基本完成。選用角形閥門對(duì)各旋流子的進(jìn)料量進(jìn)行控制,然后再根據(jù)旋流器的總進(jìn)料量、溢流量、底流量等參數(shù)估算該組旋流器進(jìn)料箱、溢流箱、底流箱的大小即可。最后,按照選型設(shè)計(jì)參數(shù),選擇符合要求的廠家采購旋流器。

2.2.2 分解工序工藝流程優(yōu)化

2.2.2.1 優(yōu)化工藝流程

根據(jù)水力旋流器設(shè)計(jì)選型,綜合生產(chǎn)實(shí)際,對(duì)工藝進(jìn)行了以下優(yōu)化:1)停用并拆除原有的2 組處理能力為300 m3/h 的旋流器,合理優(yōu)化布置新旋流器,旋流器溢流利用勢(shì)能自流至立盤過濾系統(tǒng),減少動(dòng)力運(yùn)輸環(huán)節(jié);2)停用非必要的2 臺(tái)溢流槽、1 臺(tái)底流槽等緩存設(shè)備,以及2 臺(tái)旋流器進(jìn)料泵、2 臺(tái)溢流泵、1 臺(tái)平盤進(jìn)料泵等動(dòng)力運(yùn)輸設(shè)備,重新選型并合理優(yōu)化布置1 臺(tái)旋流器進(jìn)料泵;3)優(yōu)化物料運(yùn)輸流程,縮短運(yùn)輸距離,進(jìn)一步降低動(dòng)力消耗。改造優(yōu)化后的工藝流程如圖4 所示。

圖4 分解分級(jí)工序優(yōu)化改造后工藝流程圖

2.2.2.2 提高自動(dòng)化控制水平

在優(yōu)化分解分級(jí)工藝流程的基礎(chǔ)上,安裝視頻監(jiān)控,完善壓力、流量、溫度等儀表設(shè)施。將功率較大的料漿泵安裝變頻器進(jìn)行調(diào)節(jié),并將信號(hào)引入原DCS 系統(tǒng),提高DCS 系統(tǒng)的自動(dòng)化裝備能力,并對(duì)分解工序操作人員進(jìn)行培訓(xùn),提高流程的自動(dòng)化控制水平。

2.2.3 節(jié)能優(yōu)化效果

對(duì)某鋁業(yè)公司分解工序進(jìn)行節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)改造后,跟蹤生產(chǎn)指標(biāo)情況。生產(chǎn)情況表明,新選型的水力旋流器滿足種分氫氧化鋁漿液分級(jí)的需要,提高了分解精液的產(chǎn)出率,產(chǎn)品也達(dá)到了氫氧化鋁成品的粒度和質(zhì)量要求;同時(shí),自動(dòng)化水平的提高,降低了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度,改善了現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)環(huán)境。

通過此次節(jié)能優(yōu)化改造,停用的耗電設(shè)備和新增設(shè)備見表2。

表2 停用設(shè)備和新增設(shè)備

按照電費(fèi)0.55 元/kW·h、功率因數(shù)0.85、年運(yùn)行時(shí)間8 000 h 計(jì)算,則年節(jié)約運(yùn)行成本為(110×2 +132×2 +75 +45×2 +55-200)×0.85×0.55×8 000/10 000=188.5 萬元。

3 結(jié)束語

氫氧化鋁漿液水力旋流器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、分離效率高、容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制、產(chǎn)能大而占地面積小等優(yōu)點(diǎn),是目前氫氧化鋁漿液分級(jí)的主要設(shè)備。通過對(duì)旋流器進(jìn)行設(shè)計(jì)選型和流程優(yōu)化,可實(shí)現(xiàn)對(duì)氫氧化鋁漿液的高效分級(jí),達(dá)到氫氧化鋁產(chǎn)品質(zhì)量要求的同時(shí)降低生產(chǎn)成本。在今后的設(shè)計(jì)研究過程中,除了研究旋流器的設(shè)計(jì)選型之外,還要在如何進(jìn)一步減輕旋流器結(jié)疤、降低旋流器部件磨損等方面進(jìn)行深入研究探討,以實(shí)現(xiàn)持續(xù)提升。