拜耳法生产氧化铝熔盐加热系统开停车模式优化及回盐液位计算.pdf

2 6 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 1 4 年第8 期 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．1 0 0 7 7 5 4 5 ．2 0 1 4 ．0 8 ．0 0 7 拜耳法生产氧化铝熔盐加热系统开停车模式 优化及回盐液位计算 李峰杰，赵海峰 河南中美铝业有限公司，郑州4 5 2 4 7 7 摘要导出了管道化溶出熔盐加热系统熔盐体积的计算公式、不同温度下熔盐密度的计算公式、盐槽液 位计算迭代式，给出了回盐温度对盐槽液位的定量影响，提出了一系列预防熔盐堵管的措施。改进后的 开停车模式，相对经济、可靠。 关键词熔盐加热系统；高温熔盐；改进；开停车模式；预防措施 中图分类号T F 8 2 1文献标志码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 1 4 0 8 0 0 2 6 0 4 O p t i m i z a t i o no fS t a r t u pa n dS h u t d o w nM o d eo fM o l t e nS a l tH e a t i n gS y s t e m a n dC a l c u l a t i o no fS a l tL e v e li nB a y e rP r o c e s s L I F e n g j i e l ，Z H A OH a i f e n 9 2 H e n a nZ h o n g m e iA l u m i n u mC o ．，L t d ．，Z h e n g z h o u4 5 2 4 7 7 ，C h i n a A b s t r a c t T h ec a l c u l a t i o nf o r m u l ao fv o l u m eo fm o l t e ns a l t ，c a l c u l a t i o nf o r m u l ao fm o l t e ns a l td e n s i t yu n d e r d i f f e r e n tt e m p e r a t u r e s ，a n di t e r a t i v ec a l c u l a t i o nf o r m u l ao fl i q u i dl e v e lo fs a l tt a n ki n p i p i n gd i s s o l v i n g m o l t e ns a l th e a t i n gs y s t e mw e r ed e r i v e d ．T h eq u a n t i t a t i v ee f f e c to ft e m p e r a t u r eo fr e t u r n i n gs a l to nl i q u i d l e v e lo fs a l tt a n kw a si l l u s t r a t e d ．As e r i e so fm e a s u r e sw e r ep u tf o r w a r dt op r e v e n tm o l t e ns a l tb l o c k a c c i d e n t ．T h ei m p r o v e ds t a r t u pa n d s h u t d o w nm o d ei sr e l a t i v e l yi n e x p e n s i v ea n dr e l i a b l e ． K e yw o r d s m o l t e ns a hh e a t i n gs y s t e m ；h i g ht e m p e r a t u r em o l t e ns a l t ；i m p r o v e m e n t ；s t a r t u pa n ds h u t d o w n m o d e ；p r e v e n t i o nm e a s u r e s 拜耳法生产氧化铝的高压溶出工艺一般包括管 道化溶出和压煮器加热溶出两大类。对管道化溶出 而言，高温加热段通常采用熔盐加热系统，其热载体 通常为工业高温熔盐 H T S ，该混合盐主要由3 种 单质盐组成4 0 ％ 质量分数，下同 的亚硝酸钠、7 ％ 的硝酸钠和5 3 ％的硝酸钾，其熔点是1 4 2 ℃，沸点 6 8 0 ℃，可在1 5 0 ～5 4 0 ℃安全使用。熔点以下是可 以吸湿的晶体，吸湿后可降低熔点[ 1 ] 。 相比压煮器利用高压蒸汽作为热载体直接加热 而言，利用高温熔盐作为热载体，可以有效提高溶出 温度，实现强化溶出；降低蒸发过程负荷，进而降低 收稿日期2 0 1 4 0 2 2 6 作者简介李峰杰 1 9 7 8 一 ，男，山西运城人，双学士． 蒸汽单耗；且热效率高，节约能源。因此，在新建氧 化铝厂和老厂的改造中，通常都采用管道化溶出[ 2 ] 。 虽然熔盐加热系统有其不可替代的诸多优点， 但该系统对相关配套设备的质量提出了较高的要 求，如熔盐炉 含控制系统 、熔盐泵、鼓风机、熔盐阀 等，多为进口设备，目前国产化的工作还不能尽如人 意。尤其是在溶出机组开停车时，高温盐阀开关不 到位甚至不动作的情况非常普遍。而一旦在机组停 车降温时，回盐阀不能完全打开，就会导致回盐不彻 底，造成管道堵盐事故，严重影响机组的正常开车。 因此，在管道化溶出生产中，熔盐加热系统如何 万方数据 2 0 1 4 年第8 期 有色金属 冶炼部分 h t t p H y s y l ．h g r i m m ．o n 2 7 进行有效开停车，以及如何保证回盐顺畅的问题就 显得尤为重要。 1熔盐加热系统简介 1 ．1 熔盐加热系统组成 如图1 所示，熔盐加热系统一般包括1 台卧式 熔盐贮槽、2 台熔盐泵 一般为多级离心泵，无备 用 、2 台熔盐炉、若干盐阀及附属熔盐管道。 图1 熔盐加热系统简图 F i g ．1D i a g r a mo fm o l t e ns a l th e a t i n gs y s t e m 1 ．2 开停车模式 1 ．2 ．1 正常生产模式 如图1 所示，正常生产时走所谓“大循环”模式， 即2 0 3 、2 0 4 、2 0 5 、2 0 6 、2 0 9 、2 1 0 共6 台盐阕全开，其 余4 台盐阀全关的模式。高温高压料浆沿S W T l ～ S W T 5 的内管顺次流出，经熔盐炉提温后的高温熔 盐沿S W T 5 ～S W T l 的外管 壳程 顺次流出，对S 系统的料浆逐级加热后回熔盐贮槽，然后经盐泵打 出，经熔盐炉加热后进人S 系统，形成循环。显然加 热模式为逆流换热。如果该关的盐阀不能全关，就 会出现熔盐“走短路”现象，机组热负荷提不起来，影 响加热料浆的效率；如果该开的盐阀不能全开，就会 出现上盐量不足、熔盐炉进出口联箱温差大、盐泵电 流偏小等现象，机组热负荷也提不上来。 1 ．2 ．2 开车模式 1 ，2 ．2 ．1 常规开车模式 常规的开车流程是1 “内循环”模式 目的是提 盐湿 ，即2 0 5 、2 0 6 盐阀全关，2 0 7 、2 0 8 、2 0 9 、2 1 0 盐 阀全开的模式；2 转“小循环”模式 目的是先对 S W T 3 、S W T 2 和S W T l 这3 级熔盐段加热，以免盐 温降的太快、中途凝固 ，即2 0 1 、2 0 3 、2 0 4 、2 0 7 、2 0 8 盐阀全关，其余全开的模式；3 转“大循环”模式。 由于盐阀质量问题及电伴热丝、保温效果差等 问题的存在，如果严格按照上述常规流程开车，就会 出现个别关键盐阀开关不到位或者不动作的情况， 导致开车手忙脚乱，甚至造成开车堵管事故，影响机 组正常开车。 针对上述问题，经过现场摸索，我们提出了下述 改进开车模式。 1 ．2 ．2 ．2 改进开车模式 所谓“改进开车模式”，即在开车时，利用一台盐 泵 比如38 盐泵 打内循环提盐温，而另一台盐泵 4 * 盐泵 的盐路“提前改好”大循环模式 所谓“提 前改好”，指的是在熔盐系统停车时，及时改流程，以 免有关盐阁被凝固的残留熔盐结死而打不开或关不 动 ，即，2 0 9 、2 0 5 全开，2 0 7 全关；2 1 0 、2 0 6 、2 0 4 、2 0 3 全开，2 0 8 、2 0 2 、2 0 1 全关。当利用3 8 熔盐炉将盐温 提至较高温度 3 3 0 ～3 4 0 ℃ 时，打开2 0 5 ，关闭 2 0 7 ，大循环模式即告完成。 1 ．2 ．3 停车模式 当管道化机组停车降温时，用循环母液 正常停 车 或管网水 紧急停车 通过隔膜泵大流量向后推 机组矿浆，当推算出机组矿浆已全部推出熔盐段进 入停留罐时，方可停熔盐炉，然后打开2 0 1 、2 0 2 、 2 0 7 、2 0 8 盐阀，停盐泵开始回盐。 当判断熔盐已全部回到盐槽后 一般通过测量 盐槽液位并结合回盐时间综合判断 ，要及时将熔盐 流程改为改进开车模式流程，以免在开车时盐阀被 凝固的残留熔盐结死而打不开或关不动。 但是，必须确保所有熔盐全部自压回盐槽后，方 可改到改进开车模式流程。如果盐没有回完就关闭 2 0 5 、打开2 0 7 ，那么管道内剩余熔盐和48 熔盐炉出 口联箱至2 0 5 盐阀间的剩余熔盐就会被封死 因为 2 0 8 盐阀长关 ，无法通过2 0 5 和2 0 7 回盐了。 容易看出，常规开停车模式需要2 0 1 、2 0 2 、2 0 5 、 2 0 6 、2 0 7 、2 0 8 共6 台盐阀开、关均能到位，2 0 3 、2 0 4 、 2 0 9 、2 1 0 共4 台盐阀开到位 保持常开状态即可 ， 也即需要操作6 台盐阀。 而改进开停车模式，只需要2 0 1 、2 0 2 、2 0 5 、2 0 7 共4 台盐阀开、关到位，2 0 3 、2 0 4 、2 0 6 、2 0 9 、2 1 0 共5 台盐阀开到位 保持常开 ，及2 0 8 盐阀关到位 保持 长关 ，也即只需操作4 台盐阀即可。 I ．3 熔盐成分变化的影响 工业高温熔盐 H T S 在4 5 4 ℃以下十分稳定， 4 5 4 ～5 9 3 ℃只发生缓慢反应 万方数据 2 8 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 1 4 年第8 期 5 N a N 0 2 3 N a N 0 3 N a 2 0 N 2 十 1 2 N a N 0 2 0 2 2 N a N 0 3 2 反应过程中放出气体，并使熔点升高，和空气接 触时熔点升高加速[ 。 由上述化学反应式可知，盐槽氮封的作用主要 有两点一是隔绝熔盐与空气的直接接触，大大减少 化学反应 2 的发生；氮封使可逆化学反应 1 向左 移动，抑制 1 的发生。 但是，在实际生产中，由于多数氧化铝厂不重视 氮封的作用，上述反应是不可避免的，以至于原本质 量分数占4 0 ％的亚硝酸钠，投产4 ～6 年后就有近 乎半数被氧化成了硝酸钠。 由于相同温度下硝酸钠密度比亚硝酸钠略大， 故氧化后的熔盐体积会减少，进而会影响盐槽液位 的测量结果。而熔点升高，则一定程度上增大了熔 盐降温过程中的堵盐概率。 因此，在正常生产中，熔盐成分的变化应引起足 够的重视。 2 盐槽液位计算 2 ．1 盐槽内熔盐体积计算 溶出熔盐槽一般是水平放置，两端各有一个椭 圆封头，中间是圆柱面。设椭圆半长轴为口，半短轴 为b ；圆柱体长度为l ；上空为 。建立如图2 所示的 空间坐标系。则椭圆封头即一旋转半椭球面，其方 程为 y f ／’； ＼r ＼、 、＼l l ILI ．＼U ．．．．一．． 工 了_ 二I _ 碍 j 铲 、b 、7 一l 小。H 7 图2 熔盐体积计算示意图 F i g ．2 D i a g r a mf o rc a l c u l a t i o no fm o l t e n s a l tv o l u m e 矿x 2T ≯y ZT ≯z z 1 3 以距离X O Z 面为Y 的水平面截该熔盐槽，得到 一个矩形和一个整椭圆 两端各有一个半椭圆，恰好 相当于一个整椭圆 。设每个封头存盐体积为V ，， 圆柱体存盐体积为V 。。显然熔盐体积为 V 2 V l V 2 4 距离．2 7 0 2 面为Y 的椭圆方程为 志 志叫 6 2 1 一薯 ‘n 2 1 一蒡 1 其面积为 兀肛i 万鬲可 5 7 c a b 1 一 a ‘ 6 则一．I a _ a h 卜事2 2 V , t a b d y , t a b 2 a 一矗 则， 1 一≮ 一矗 “ 垡土必 7 3 口2 ”7 V 2 一『7 n 22 一百1n ．口．2 a r c c o s 生二垒 L 厶1 2 寺 口一 2 ／n 2 一 口一 2 z l ，- - - - - - - _ _ - - _ _ ．．．．．- - - - - - - - - - - - - I 厶 J 一『 7 r a--harccos a 2 a h ’ ．一lL 7 r 一。十L J L a 瓜诵叼z 8 将式 7 、 8 带入式 4 即可求出熔盐体积。比 如，盐槽尺寸为a 1 ．5 0 0m 、b 0 ．8 1 2m 、Z 1 8 ．0 0 0m ，全部回盐后盐槽温度为2 7 7 ．2 ℃，液位 2 ．2 7m ，上空h 2 1 ．5 0 0 2 ．2 7 0 ．7 3m ，则根据 式 4 计算出的熔盐体积为 V 2 7 7 ．2 一1 0 9 ．8 0 5m 3 。 2 ．2 回盐温度对盐槽液位的影响 熔盐在2 0 0 、3 0 0 、4 0 0 ℃时的密度分别为19 3 4 、 18 5 6 、17 8 3k g ／m 3 。设盐槽回盐后温度为z ℃，则 其密度I D I D z 可由拉格朗日插值公式‘3 3 即抛物 线插值公式 给出 D z 一0 ．0 0 0 2 5 x 2 0 ．9 0 5 x 2 1 0 5 9 比如，按前面的例子，设全部回盐后盐槽温度为 2 7 7 ．2 ℃，盐槽液位2 ．2 7m ，如果下次全部回盐后 盐槽温度为2 8 9 ．7 ℃，则可按下述方法求得熔盐的 体积变化A V 和盐槽液位的变化A h 。 由 9 式可得 p 2 7 7 ；2 1 8 7 3 ．3 4 4k g ／m 3 p 2 8 9 ．7 1 8 6 3 ．8 0 3k g ／m 3 因密度变小引起的体积变化量是 △V V 2 8 9 ．7 一V 2 7 7 ．2 一V 2 7 7 ．2 ．r L 黑p { 器／一1 ] z 6 了J J 0 ．5 6 2m 3 而V 2 8 9 ．7 一V 2 7 7 ．2 慧器 1 l O ．3 6 7m 3 将体积计算式进行变形，可得 万方数据 2 0 1 4 年第8 期 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 9 一口 卿s l 羞一丌争 2 一鲁 L 盟3一 一鱼a ．捂习a ㈣，＼／～口＼／I 利用该迭代式 1 0 ，取初值h 。一0 ．7 ，迭代1 2 次可得精确到小数点后四位上空h 的近似解为 0 ．7 1 85m 。 则液位变化量为 A h 0 ．7 3 0 0 0 ．7 1 8 5 0 ．0 1 15m 即由于盐温升高了1 2 。5 ℃，导致盐槽液位升高 了1 1 ．5m m 。 在测量液位时，即使不考虑测量工具的变形，只 要测具放置的铅垂度超出 C O S 叫I - 1 ／ 1 助／h 3 C O S - 1 [ h ／ h 砒 ] 一5 。7 5 52 。 就会有超过1 1 ．5m m 以上的正误差，进而会误 判熔盐已全部回完。其中，h 2 ．2 7m 表示原液位， 而这看似微不足道的1 1 ．5m m 液位，或者说仅仅存 在管道中的0 ．5 6 2m 3 熔盐，就足以造成堵盐事故。 回盐温度一般在2 4 0 ～3 4 0 ℃。根据式 9 、 1 0 ，重复上述计算过程，可得表1 所示的回盐液位 与温度的关系。 表1回盐液位与温度关系 T a b l e1 R e l a t i o n s h i pb e t w e e nl i q u i dl e v e lo f r e t u r n i n gs a l ta n dt e m p e r a t u r e 3 熔盐管道堵盐事故预防措施 3 ．1 停车预防措施 1 组织机组停车时，要及时开启盐阀电伴热，并 有专人负责现场确认； 2 停车回盐时，盐阀开关情况要由主控室、现场 分别进行确认。现场要用测温仪测量阀前、阀后温 度，以判断盐阀是否打开或关闭； 3 认真测量盐罐液位，规范液位测量操作，减少 人为误差。制作测量液位专用工具，并标好刻度，粗 短管定位 将约0 ．5m 长的一寸管固定在盐槽上 面 ，细长管测量 用约3 ．5m 长的四分管测量 。 测量时，要尽可能将四分管放置到一寸管的中间，以 免造成较大的测量误差； 4 定期化验 如每半年化验一次 不同温度下的 熔盐密度，消除熔盐成分变化对熔盐体积的影响，结 合不同的盐罐回盐温度，重新确定全部回盐后的盐 槽液位标准； 5 在盐阀不被残留熔盐结死的情况下，适当延 长回盐时间，确保熔盐能全部回到盐槽； 6 认真吸取以前熔盐堵管事故的教训，并完善 停车回盐操作规程。 3 ．2 开车预防措施 1 提前投用盐阀电伴热和盐管电伴热； 2 热母液填充后要及时停泵，以免改大循环时 逆流换热，熔盐温度下降过快； 3 按改进开车模式改大循环时，熔盐温度不宜 过低，最好保持在3 1 0 ～3 4 0 ℃，且夏季偏下限控制， 冬季偏上限控制； 4 改流程之前另一台熔盐炉要提前预热好，先 开启48 盐泵，然后4 8 熔盐炉按“正常模式”点炉； 5 改流程之前，2 0 5 、2 0 7 盐阀的岗位操作人员 及计控人员均要提前到位，以便及时处理盐阀故障。 3 ．3 其它预防措施 1 确保盐阀和熔盐管道电伴热正常工作。尤其 是2 0 1 、2 0 2 、2 0 5 、2 0 7 这4 台关键盐阀，其电伴热功 率要足够大才行； 2 确保盐阀保温完整有效，必要时采取防雨雪 措施； 3 对2 0 1 、2 0 2 、2 0 5 、2 0 7 这4 台关键盐阀，要定 期检查、维护，确保不发生机械故障，确保在任何情 况下都能开关自如。 4结论 1 改进后的管道化溶出熔盐加热系统的开停车 模式相对经济、可靠，具有一定的借鉴意义； 2 导出的熔盐体积计算公式及不同温度下的熔 盐密度计算公式可以用来计算因密度变化引起的熔 盐体积变化量，进而利用迭代公式求出盐槽液位，定 下转第4 1 页 万方数据 2 0 1 4 年第8 期 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 4 1 缩空气流量1 5 0L ／h 时，该金精矿中砷的脱除率达 9 7 ％以上，硫的脱除率达到9 8 ％以上。 参考文献 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