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收稿日期:2025-09-01
修回日期:2025-10-24
出版日期:2025-11-25
通讯作者:
韩洁
作者简介:方双(1993—),女,博士研究生,shuang.fang@csu.edu.cn
基金资助:
Shuang FANG(
), Yonggang LI, Jie HAN(
), Chunhua YANG, Weihua GUI
Received:2025-09-01
Revised:2025-10-24
Online:2025-11-25
Contact:
Jie HAN
摘要:
蒸发过程作为氧化铝生产工艺中的高能耗单元,已成为制约行业节能降耗、绿色转型的关键环节。本文对其进行系统性研究有助于从多维度统筹能量利用模式与过程调控机制,明确节能优化路径,从而为氧化铝蒸发过程的节能降耗和工艺提升提供科学依据。首先,全面梳理了氧化铝的生产方式、蒸发作业流程及蒸发设备的发展演变,为理解其运行机理和节能潜力奠定了基础。随后,从工艺设备优化、工艺流程优化以及工艺参数优化三个层面构建分层分析框架,系统总结了该领域的优化技术演变规律和发展趋势。在此基础上,归纳总结了液位优化设定与汽水比优化这两类工程优化问题,并通过引入㶲分析理论与智能优化算法,揭示热力学理论与智能优化工具在节能降耗中的融合机制与应用模式。本文可为蒸发系统的节能方案制定、运行策略优化以及工程能效提升提供理论依据和技术借鉴,对推动氧化铝行业实现节能高效运行和绿色低碳转型具有重要意义。
中图分类号:
方双, 李勇刚, 韩洁, 阳春华, 桂卫华. 面向节能降耗的氧化铝蒸发过程优化研究进展[J]. 化工学报, DOI: 10.11949/0438-1157.20250971.
Shuang FANG, Yonggang LI, Jie HAN, Chunhua YANG, Weihua GUI. A review of optimization advances in the alumina evaporation process oriented toward energy conservation and consumption reduction[J]. CIESC Journal, DOI: 10.11949/0438-1157.20250971.
| 工艺类型 | 优点 | 缺点 |
|---|---|---|
拜耳法 | ①工艺流程简单,便于工业化连续操作; ②由于不涉及烧结环节,能耗相对较低; ③晶种自发分解,杂质分离效果好,产品氧化铝纯度高; | ①难以有效处理铝硅比低的铝土矿; |
烧结法 | ①适用于铝硅比低的高硅铝土矿; ②消耗原料为碳酸钠,价格低廉,经济性较好; | ①整体工艺流程相对复杂,操作与控制难度较大; ②由于包含烧结环节,单位产品的能源消耗较高; ③产品主要通过碳酸化分解进行脱碳,易引入杂质,导致氧化铝产品质量较差; |
联合法 | ①融合拜耳法和烧结法的优势,兼顾原料适应性与产品质量; | ①流程更加复杂,不同联合法之间差异较大,难以形成统一标准; ②部分流程仍包含烧结环节,能耗高、碳排放大; ③整体技术成熟度不如拜耳法,运行管理要求较高; |
表1 拜耳法、烧结法、联合法的工艺特点
Table 1 Process characteristics of Bayer process, sintering process, and combined process
| 工艺类型 | 优点 | 缺点 |
|---|---|---|
拜耳法 | ①工艺流程简单,便于工业化连续操作; ②由于不涉及烧结环节,能耗相对较低; ③晶种自发分解,杂质分离效果好,产品氧化铝纯度高; | ①难以有效处理铝硅比低的铝土矿; |
烧结法 | ①适用于铝硅比低的高硅铝土矿; ②消耗原料为碳酸钠,价格低廉,经济性较好; | ①整体工艺流程相对复杂,操作与控制难度较大; ②由于包含烧结环节,单位产品的能源消耗较高; ③产品主要通过碳酸化分解进行脱碳,易引入杂质,导致氧化铝产品质量较差; |
联合法 | ①融合拜耳法和烧结法的优势,兼顾原料适应性与产品质量; | ①流程更加复杂,不同联合法之间差异较大,难以形成统一标准; ②部分流程仍包含烧结环节,能耗高、碳排放大; ③整体技术成熟度不如拜耳法,运行管理要求较高; |
| 效数 | 单效 | 两效 | 三效 | 四效 | 五效 |
|---|---|---|---|---|---|
(不小于) | 1.10 | 0.57 | 0.40 | 0.30 | 0.27 |
表2 蒸发过程中蒸汽消耗量与蒸发效数之间的关系
Table 2 Relationship between steam consumption and number of evaporation effects in the evaporation process
| 效数 | 单效 | 两效 | 三效 | 四效 | 五效 |
|---|---|---|---|---|---|
(不小于) | 1.10 | 0.57 | 0.40 | 0.30 | 0.27 |
| 蒸发流程 | 优点 | 缺点 |
|---|---|---|
顺流 | ①料液借助压力差自流输送无需用泵; ②自蒸发现象增强,蒸发效率高; ③首效浓度低、温度高,有利于杂质析出; | ①末效浓度高、蒸汽温度低,传热效率差; ②首、末效传热系数相差较大,系统整体传热性能不佳; |
逆流 | ①高浓度效匹配高温蒸汽,提高整体传热系数; ②高温度高浓度的双重作用限制硅盐析出,减少结垢; | ①需要用泵输送料液,增加电耗; ②高温度高浓度对设备腐蚀增强,降低管道寿命; |
混流 | ①兼具顺流与逆流的优势; ②能起到清洗设备、缓解结垢的作用,提高蒸发效率; | ①工艺路径复杂,调控难度增大; ②系统设计需结合工程需求定制; |
表3 顺流、逆流、混流作业流程的特点
Table 3 Characteristics of forward flow, countercurrent flow, and mixed flow operation workflows
| 蒸发流程 | 优点 | 缺点 |
|---|---|---|
顺流 | ①料液借助压力差自流输送无需用泵; ②自蒸发现象增强,蒸发效率高; ③首效浓度低、温度高,有利于杂质析出; | ①末效浓度高、蒸汽温度低,传热效率差; ②首、末效传热系数相差较大,系统整体传热性能不佳; |
逆流 | ①高浓度效匹配高温蒸汽,提高整体传热系数; ②高温度高浓度的双重作用限制硅盐析出,减少结垢; | ①需要用泵输送料液,增加电耗; ②高温度高浓度对设备腐蚀增强,降低管道寿命; |
混流 | ①兼具顺流与逆流的优势; ②能起到清洗设备、缓解结垢的作用,提高蒸发效率; | ①工艺路径复杂,调控难度增大; ②系统设计需结合工程需求定制; |
| 设备类型 | 工作原理 | 优点 | 缺点 | 性能表现(相对等级) |
|---|---|---|---|---|
| 标准列管式蒸发器 | 其加热室由垂直管束组成,利用中央循环管和加热管内料液的密度差可使料液作沿粗管下降、沿细管上升的自然循环运动; | 结构简单、制造成本低; | 传热面积受限、传热系数低、汽耗高、不适用于处理结晶性物料; | 传热系数:低 能耗效率:低 |
自然循环列管式蒸发器 | 加热室内料液吸收热量之后,造成循环管道两侧料液密度不均匀而产生密度差,进而形成驱动料液循环流动的动力,推动料液的不断循环流动; | 单台设备能力强、加热室与分离室独立,便于清晰和更换,适用于大型氧化铝厂; | 易结垢、传热系数偏低、汽耗偏高、需较大有效温差且限制多效蒸发的效数; | 传热系数:中低 能耗效率:中低 |
强制循环列管式蒸发器 | 在循环泵的外加动力作用下,料液以较高流速被强制送入加热室,吸收热量后进入分离室,料液因温度升高而发生部分汽化;蒸汽与未汽化液体在分离室中完成汽液分离,未汽化部分在循环泵作用下再次进入加热室;通过循环泵持续驱动,料液在系统中形成稳定的强制对流循环; | 减缓结垢、避免堵塞、传热效率高、操作弹性大; | 动力消耗高、循环泵检修频繁; | 传热系数:中 能耗效率:中 |
板式降膜蒸发器 | 蒸汽在加热板内侧冷凝,料液沿着加热板外侧形成薄膜流动,热量通过加热板传递使液膜一边流动一边蒸发汽化。二次蒸汽在加热板之间上升,通过液膜分离器进入下一效; | 传热强度高、蒸发速率快、汽耗低; | 设备价格昂贵、加热板易腐蚀或机械损坏且不易更换; | 传热系数:高 能耗效率:中高 |
管式降膜蒸发器 | 料液从顶部进入加热管,经布膜器作用后均匀流入加热管并形成液膜,液膜吸收管壁传递的热量,一边流动一边蒸发汽化。二次蒸汽随液膜进入分离室,并在分离室实现汽液分离,进入下一效提供热源; | 传热系数高、加热管易于更换、造价低、消除了由静压引起的有效温差损失,适用于多效蒸发和大规模连续生产; | 结构复杂、对液膜分布要求较高; | 传热系数:高 能耗效率:高 |
表4 典型蒸发设备的工作原理、运行特性与性能表现
Table 4 Working principles, operating characteristics and performance evolution of typical evaporation equipment
| 设备类型 | 工作原理 | 优点 | 缺点 | 性能表现(相对等级) |
|---|---|---|---|---|
| 标准列管式蒸发器 | 其加热室由垂直管束组成,利用中央循环管和加热管内料液的密度差可使料液作沿粗管下降、沿细管上升的自然循环运动; | 结构简单、制造成本低; | 传热面积受限、传热系数低、汽耗高、不适用于处理结晶性物料; | 传热系数:低 能耗效率:低 |
自然循环列管式蒸发器 | 加热室内料液吸收热量之后,造成循环管道两侧料液密度不均匀而产生密度差,进而形成驱动料液循环流动的动力,推动料液的不断循环流动; | 单台设备能力强、加热室与分离室独立,便于清晰和更换,适用于大型氧化铝厂; | 易结垢、传热系数偏低、汽耗偏高、需较大有效温差且限制多效蒸发的效数; | 传热系数:中低 能耗效率:中低 |
强制循环列管式蒸发器 | 在循环泵的外加动力作用下,料液以较高流速被强制送入加热室,吸收热量后进入分离室,料液因温度升高而发生部分汽化;蒸汽与未汽化液体在分离室中完成汽液分离,未汽化部分在循环泵作用下再次进入加热室;通过循环泵持续驱动,料液在系统中形成稳定的强制对流循环; | 减缓结垢、避免堵塞、传热效率高、操作弹性大; | 动力消耗高、循环泵检修频繁; | 传热系数:中 能耗效率:中 |
板式降膜蒸发器 | 蒸汽在加热板内侧冷凝,料液沿着加热板外侧形成薄膜流动,热量通过加热板传递使液膜一边流动一边蒸发汽化。二次蒸汽在加热板之间上升,通过液膜分离器进入下一效; | 传热强度高、蒸发速率快、汽耗低; | 设备价格昂贵、加热板易腐蚀或机械损坏且不易更换; | 传热系数:高 能耗效率:中高 |
管式降膜蒸发器 | 料液从顶部进入加热管,经布膜器作用后均匀流入加热管并形成液膜,液膜吸收管壁传递的热量,一边流动一边蒸发汽化。二次蒸汽随液膜进入分离室,并在分离室实现汽液分离,进入下一效提供热源; | 传热系数高、加热管易于更换、造价低、消除了由静压引起的有效温差损失,适用于多效蒸发和大规模连续生产; | 结构复杂、对液膜分布要求较高; | 传热系数:高 能耗效率:高 |
| 工艺设备优化问题 | 主要研究方向 | 优点 | 缺点 | 适用场景 |
|---|---|---|---|---|
蒸发设备热利用率低、能耗偏高 | 新型设备研发 | 显著提升传热效率、延长运行周期 | 投资高、改造周期长 | 新建装置或大规模改造 |
| 现有结构改造 | 成本低、见效周期短 | 改造幅度有限、提升效果受现有设备制约 | 现有装置的节能改造 | |
| 能量回收利用 | 充分利用余热、大幅提高能源利用率并降低汽耗 | 系统集成、改造复杂,运维成本较高 | 大型装置系统的整体能效改造 | |
结垢引起的传热衰减与频繁清洗导致系统运行不稳定 | 结垢机理解析 | 揭示影响因素,为防垢提供理论依据 | 属于理论研究,需与工程技术结合方能转化为可见节能成效 | 放垢机制研究与防垢方案设计 |
| 传热强化 | 显著提升传热系数和蒸发效率、延长清洗周期 | 强化效果依赖物料性质与操作条件,对工况敏感且需配套改造 | 设备换热性能快速提升 | |
| 药剂防垢 | 治垢效果显著、回报周期短 | 前期实验与试错成本较高、药剂研发周期较长、适用工况有限 | 管道结垢情况复杂、高负荷工况下设备传热性能提升 | |
| 浮游物富集引发的管路堵塞、汽耗增加及有效碱浓度下降 | 分离过滤提效 | 显著降低浮游物含量、提高运行稳定性 | 对系统传热和能耗水平的直接改善作用有限 | 系统运行优化、周期延长、维护成本降低 |
| 高效回收利用 | 提高氧化铝回收率,改善产品质量 | 设备投资较高,运行维护要求提升 | 资源回收与品质提升 |
表5 氧化铝蒸发过程工艺设备优化方案的对比分析
Table 5 Comparative analysis of process equipment optimization schemes for the alumina evaporation process
| 工艺设备优化问题 | 主要研究方向 | 优点 | 缺点 | 适用场景 |
|---|---|---|---|---|
蒸发设备热利用率低、能耗偏高 | 新型设备研发 | 显著提升传热效率、延长运行周期 | 投资高、改造周期长 | 新建装置或大规模改造 |
| 现有结构改造 | 成本低、见效周期短 | 改造幅度有限、提升效果受现有设备制约 | 现有装置的节能改造 | |
| 能量回收利用 | 充分利用余热、大幅提高能源利用率并降低汽耗 | 系统集成、改造复杂,运维成本较高 | 大型装置系统的整体能效改造 | |
结垢引起的传热衰减与频繁清洗导致系统运行不稳定 | 结垢机理解析 | 揭示影响因素,为防垢提供理论依据 | 属于理论研究,需与工程技术结合方能转化为可见节能成效 | 放垢机制研究与防垢方案设计 |
| 传热强化 | 显著提升传热系数和蒸发效率、延长清洗周期 | 强化效果依赖物料性质与操作条件,对工况敏感且需配套改造 | 设备换热性能快速提升 | |
| 药剂防垢 | 治垢效果显著、回报周期短 | 前期实验与试错成本较高、药剂研发周期较长、适用工况有限 | 管道结垢情况复杂、高负荷工况下设备传热性能提升 | |
| 浮游物富集引发的管路堵塞、汽耗增加及有效碱浓度下降 | 分离过滤提效 | 显著降低浮游物含量、提高运行稳定性 | 对系统传热和能耗水平的直接改善作用有限 | 系统运行优化、周期延长、维护成本降低 |
| 高效回收利用 | 提高氧化铝回收率,改善产品质量 | 设备投资较高,运行维护要求提升 | 资源回收与品质提升 |
| 工艺流程优化方向 | 技术路线 | 特点 | 局限性 | 适用场景 |
|---|---|---|---|---|
流程集成优化 | 通过工艺流程重构实现蒸发路段的功能分离与物料动态分配 | 显著提升蒸发效率与运行稳定性、适应复杂物料特性和波动工况 | 改造复杂度高、投资成本大、实施周期长 | 新建装置、系统全流程改造升级 |
| 热能梯级利用与余热回收 | 利用余热潜力实现热能梯级利用和综合回收 | 大幅度降低蒸汽消耗、经济效益突出 | 对余热品位和热负荷有一定要求、初期投资较高 | 余热资源充足的装置、高能耗系统节能改造 |
| 多环节协同调整 | 改善环节间的匹配与协同、提高整体运行协调性 | 实施灵活、改造成本低、对系统适应性强 | 节能潜力相对有限,效果受工况波动影响较大 | 存量装置优化、系统精细化改造 |
表6 氧化铝蒸发过程工艺流程优化路线的对比分析
Table 6 Comparative analysis of process flow optimization routes for the alumina evaporation process
| 工艺流程优化方向 | 技术路线 | 特点 | 局限性 | 适用场景 |
|---|---|---|---|---|
流程集成优化 | 通过工艺流程重构实现蒸发路段的功能分离与物料动态分配 | 显著提升蒸发效率与运行稳定性、适应复杂物料特性和波动工况 | 改造复杂度高、投资成本大、实施周期长 | 新建装置、系统全流程改造升级 |
| 热能梯级利用与余热回收 | 利用余热潜力实现热能梯级利用和综合回收 | 大幅度降低蒸汽消耗、经济效益突出 | 对余热品位和热负荷有一定要求、初期投资较高 | 余热资源充足的装置、高能耗系统节能改造 |
| 多环节协同调整 | 改善环节间的匹配与协同、提高整体运行协调性 | 实施灵活、改造成本低、对系统适应性强 | 节能潜力相对有限,效果受工况波动影响较大 | 存量装置优化、系统精细化改造 |
| 工艺参数优化方向 | 技术路线 | 特点 | 局限性 | 适用场景 |
|---|---|---|---|---|
运行参数设定 | 构建蒸水量、流量、液位等关键运行参数与能效指标间的映射关系 | 提升能源利用效率、降低汽水比、提高系统产能 | 对工况敏感,且需依赖精准的模型支撑 | 新建或大规模节能改造装置的运行参数优化 |
| 操作状态调整 | 基于热平衡与能耗分析优化运行条件,通过调整蒸汽温度、真空度、进料方式及酸洗流程等操作策略,结合DCS实现多环节动态调节 | 改善蒸发效率与系统运行稳定性、在一定程度上抑制工况波动并降低能耗 | 涉及多环节协同,操作值需随工况动态调整 | 存量装置的运行优化与过程调优 |
| 关键指标调控 | 建立㶲效率、㶲损失以及汽耗等关键工艺指标优化模型,结合智能优化算法高效求解 | 降低㶲损失与汽耗、提升㶲效率,实现蒸发能效与运行成本的协同优化 | 模型构建难度大,算法实施复杂,对数据质量和模型精度要求高 | 系统运行成本与能效水平需综合权衡的复杂工况,以及智能化升级的工程场景 |
表7 氧化铝蒸发过程工艺参数优化方法的对比分析
Table 7 Comparative analysis of process parameter optimization methods for the alumina evaporation process
| 工艺参数优化方向 | 技术路线 | 特点 | 局限性 | 适用场景 |
|---|---|---|---|---|
运行参数设定 | 构建蒸水量、流量、液位等关键运行参数与能效指标间的映射关系 | 提升能源利用效率、降低汽水比、提高系统产能 | 对工况敏感,且需依赖精准的模型支撑 | 新建或大规模节能改造装置的运行参数优化 |
| 操作状态调整 | 基于热平衡与能耗分析优化运行条件,通过调整蒸汽温度、真空度、进料方式及酸洗流程等操作策略,结合DCS实现多环节动态调节 | 改善蒸发效率与系统运行稳定性、在一定程度上抑制工况波动并降低能耗 | 涉及多环节协同,操作值需随工况动态调整 | 存量装置的运行优化与过程调优 |
| 关键指标调控 | 建立㶲效率、㶲损失以及汽耗等关键工艺指标优化模型,结合智能优化算法高效求解 | 降低㶲损失与汽耗、提升㶲效率,实现蒸发能效与运行成本的协同优化 | 模型构建难度大,算法实施复杂,对数据质量和模型精度要求高 | 系统运行成本与能效水平需综合权衡的复杂工况,以及智能化升级的工程场景 |
| 算法 | 适应度函数 | F0 | P0 | Pm | T0 | D | CPU time |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| m³/h | MPa | MPa | ℃ | t/h | s | ||
| 粒子群优化算法 | 0.3603 | 0.64 | 4.91 | 0.18 | 69.92 | 51.97 | 39.28 |
| 遗传算法[ | 0.362 | 0.56 | 5.20 | 0.13 | 70.00 | 52.35 | 57.55 |
表8 粒子群优化算法与遗传算法在汽水比优化问题上的求解结果对比
Table 8 Comparison of the solution results of particle swarm optimization and genetic algorithm for the steam-to-water ratio optimization problem
| 算法 | 适应度函数 | F0 | P0 | Pm | T0 | D | CPU time |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| m³/h | MPa | MPa | ℃ | t/h | s | ||
| 粒子群优化算法 | 0.3603 | 0.64 | 4.91 | 0.18 | 69.92 | 51.97 | 39.28 |
| 遗传算法[ | 0.362 | 0.56 | 5.20 | 0.13 | 70.00 | 52.35 | 57.55 |
| 对比维度 | 液位优化设定 | 汽水比优化 |
|---|---|---|
| 优化类型 | 运行参数优化 | 性能指标优化 |
影响蒸发过程的方式 | 液位过高会使底部料液蒸发温度升高从而抑制蒸发过程,液位过低则影响系统产能,维持液位稳定才能保证蒸发效率 | 汽水比的反映蒸汽量与蒸水量之间的匹配关系,其直接决定了蒸发系统的能源利用效率与运行经济性 |
| 理论基础 | 㶲分析理论 | 热量平衡、物料平衡 |
| 工程意义 | 保证设备稳定运行,提高系统产能与稳定性 | 提升蒸汽利用程度,降低生产能耗与运行成本,实现蒸发系统的高效益运行 |
| 关注重点 | 关注蒸发设备内部的运行调控 | 聚焦蒸发系统能源与负荷的最优匹配 |
| 适用场景 | 多效蒸发设备内部液位的精准调控与稳定性调节场景 | 蒸发系统整体的能源调度与节能优化场景 |
表9 氧化铝蒸发过程的液位优化设定与汽水比优化的系统性总结
Table 9 Systematic summary of liquid level optimization setting and steam-to-water ratio optimization in the alumina evaporation process
| 对比维度 | 液位优化设定 | 汽水比优化 |
|---|---|---|
| 优化类型 | 运行参数优化 | 性能指标优化 |
影响蒸发过程的方式 | 液位过高会使底部料液蒸发温度升高从而抑制蒸发过程,液位过低则影响系统产能,维持液位稳定才能保证蒸发效率 | 汽水比的反映蒸汽量与蒸水量之间的匹配关系,其直接决定了蒸发系统的能源利用效率与运行经济性 |
| 理论基础 | 㶲分析理论 | 热量平衡、物料平衡 |
| 工程意义 | 保证设备稳定运行,提高系统产能与稳定性 | 提升蒸汽利用程度,降低生产能耗与运行成本,实现蒸发系统的高效益运行 |
| 关注重点 | 关注蒸发设备内部的运行调控 | 聚焦蒸发系统能源与负荷的最优匹配 |
| 适用场景 | 多效蒸发设备内部液位的精准调控与稳定性调节场景 | 蒸发系统整体的能源调度与节能优化场景 |
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