氧化鋁高壓溶出套管預(yù)熱器的設(shè)計(jì)分析

任紅艷

(貴陽(yáng)鋁鎂設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550081)

0 引 言

氧化鋁生產(chǎn)中高壓溶出的目的是用苛性堿溶液將鋁土礦中的氧化鋁溶出，生產(chǎn)鋁酸鈉溶液，有效地提取鋁土礦中的氧化鋁，并使溶液充分脫硅，避免過(guò)量SiO2影響產(chǎn)品質(zhì)量，把苛性堿的消耗量減至最少。拜耳法生產(chǎn)氧化鋁已經(jīng)走出了100多年的歷程，溶出技術(shù)發(fā)生了巨大的變化。氧化鈉與氧化鋁摩爾比為1.8的鋁酸鈉溶液在常溫下，只要添加氫氧化鋁作為晶種，不斷攪拌，溶液中的氧化鋁便可以呈氫氧化鋁析出，直到其中氧化鈉與氧化鋁的摩爾比提高至6，已經(jīng)析出大部分氫氧化鋁溶液。加熱時(shí)，又可以溶出鋁土礦中的氧化鋁水和物，這也就是利用種分母液溶出鋁土礦的過(guò)程，交替使用這兩個(gè)過(guò)程就能夠一批批地處理鋁土礦，從中得出純的氫氧化鋁產(chǎn)品，構(gòu)成所謂的拜耳法循環(huán)。近幾年管道化溶出技術(shù)已經(jīng)較為成熟，所采用設(shè)備也逐步走向定型，但涉及到設(shè)備的具體結(jié)構(gòu)、材質(zhì)等方面仍然有各種爭(zhēng)議，且隨著材料的改進(jìn)、智能機(jī)器在工業(yè)中普及，本身設(shè)備的改進(jìn)方面仍有很大的發(fā)展空間。該文針對(duì)溶出的核心設(shè)備“套管預(yù)熱器”，結(jié)合國(guó)內(nèi)各大氧化鋁廠的生產(chǎn)使用情況，對(duì)其設(shè)計(jì)的各方面進(jìn)行分析。

1 材料選擇分析

套管預(yù)熱器主要結(jié)構(gòu)包括：外管、內(nèi)管、彎頭、堵板、變徑管以及標(biāo)準(zhǔn)法蘭、螺栓、螺母等。影響各部分材料選擇的因素主要是各部分接觸的介質(zhì)、及其所承受的溫度、壓力。在套管預(yù)熱器中，外管充滿熱源介質(zhì)主要是高壓蒸汽、高壓熔鹽；內(nèi)管置于外管內(nèi)部，其內(nèi)部充滿高壓礦漿，外部充滿熱源(高溫蒸汽、熔鹽)；彎頭用于連接各部分內(nèi)管，其內(nèi)部充滿高壓礦漿。

對(duì)于金屬設(shè)備，從腐蝕方面分析：高溫蒸汽、熔鹽主要可能產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕和物理腐蝕；而高壓礦漿，由于溶液呈堿性，如果堿濃度過(guò)高在高溫環(huán)境下還可能產(chǎn)生堿脆性應(yīng)力腐蝕。

從磨損方面分析：高溫蒸汽、熔鹽呈流體狀，主要是流體流動(dòng)沖擊產(chǎn)生的磨損；而高壓礦漿，雖經(jīng)過(guò)研磨但仍具有較大固含，對(duì)管道磨損較為嚴(yán)重，特別是彎頭處，因?yàn)榱黧w轉(zhuǎn)向可能產(chǎn)生較為嚴(yán)重的磨損。

從物料溫度方面分析：熱源(高溫蒸汽、熔鹽)溫度一般在120℃～320℃不等，礦漿溫度在90℃～280℃不等。因此，內(nèi)管、外管、彎頭各零部件須滿足在對(duì)應(yīng)介質(zhì)溫度下安全工作的要求。

從各部分所需承受的壓力來(lái)分析：礦漿一般會(huì)加壓到8 MPa左右，而熱源(高溫蒸汽、熔鹽)壓力則在0.1 ～6 MPa不等，因此，在穩(wěn)定工況下外管要求能承受熱源帶來(lái)的內(nèi)壓，而內(nèi)管要求能承受熱源與礦漿產(chǎn)生的壓差，彎頭則需承受礦漿帶來(lái)的內(nèi)壓。

經(jīng)多方面考慮，并結(jié)合采購(gòu)及施工成本，套管預(yù)熱器主體材料多數(shù)情況下選擇GB6479《高壓化肥設(shè)備用無(wú)縫鋼管》中鋼號(hào)為Q345B無(wú)縫鋼管比較合理。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

套管預(yù)熱器的基本結(jié)構(gòu)是雙層管道，內(nèi)管充滿流動(dòng)礦漿，外管通入熱源，熱量通過(guò)管壁傳給礦漿，使礦漿得到溶出所需的溫度。整體布局結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1，可分為直管段、彎頭段、支撐部分。直管部分由雙層管道組成，外管中套有一根至多根內(nèi)管；彎頭部分用于將多根直管段內(nèi)礦漿依次連通，以實(shí)現(xiàn)對(duì)礦漿在多根直管中的連續(xù)加熱；支撐部分又分為固定支座、滑動(dòng)支座，固定支座直接固定與土建基礎(chǔ)上，而滑動(dòng)支座可在一定范圍內(nèi)與土建基礎(chǔ)產(chǎn)生相對(duì)位移。

2.1 直管段結(jié)構(gòu)分析

直管段根據(jù)外管中套入的內(nèi)管根數(shù)可分為單套管、三套管、四套管；以三套管為例，直管段結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2，由內(nèi)管、外管、內(nèi)外管之間支撐結(jié)構(gòu)、堵板、變徑管、法蘭等組成。

內(nèi)管內(nèi)部空間充滿礦漿，礦漿流經(jīng)內(nèi)管，穿過(guò)堵板，匯集于變徑管區(qū)域，然后通過(guò)彎頭部分導(dǎo)入下一段內(nèi)管，達(dá)到連續(xù)加熱過(guò)程；內(nèi)管外部即內(nèi)外管之間充滿熱源介質(zhì)，礦漿與熱源的熱交換通過(guò)內(nèi)管壁進(jìn)行，一般以內(nèi)管外壁與熱源接觸面積為計(jì)算熱交換面積；外管中充滿熱源介質(zhì)，熱源介質(zhì)經(jīng)外管處熱源進(jìn)口流入，出口流出，因套管預(yù)熱器整個(gè)工作流程均是將礦漿逐步升溫過(guò)程，為達(dá)到熱源的充分利用且節(jié)省能源，每根直管部分外管中通入的熱源溫度不盡相同，一般人為將加熱過(guò)程分為不同階段，每個(gè)階段均包含多根直管，而各加熱階段通入熱源溫度呈現(xiàn)階梯狀上升趨勢(shì)，各個(gè)加熱階段整體構(gòu)成套管預(yù)熱器設(shè)備。且隨著溫度上升，各加熱階段直管中通入的熱源介質(zhì)也不盡相同，常用熱源介質(zhì)有二次蒸汽、新飽和蒸汽、新過(guò)熱蒸汽、新蒸汽冷凝水、熔鹽等。

單根直管長(zhǎng)度L從幾十米到100多米不等，國(guó)內(nèi)各大氧化鋁廠直管長(zhǎng)度從60 m、70 m、80 m到100 m均曾有采用；長(zhǎng)度L主要由以下幾個(gè)因素決定：

圖1 套管預(yù)熱器結(jié)構(gòu)圖

圖2 直管段結(jié)構(gòu)圖

1)礦漿預(yù)熱器各加熱階段所需總換熱面積。因套管預(yù)熱器本身設(shè)備功能即通過(guò)熱交換使礦漿達(dá)到預(yù)定溫度，提供熱源及其溫度確定的前提下，套管材質(zhì)確定，則可根據(jù)傳熱學(xué)計(jì)算得各加熱階段所需換熱面積總和，即各加熱階段所包含直管所需的換熱面積之和，因此不論單根直管長(zhǎng)度L為多少，各加熱階段所需總換熱面積可確定，各階段所有直管長(zhǎng)度之和隨之可確定，此為強(qiáng)制性條件，必須滿足。

2)生產(chǎn)車間空間布置限制。由圖1可知，生產(chǎn)車間一般為分層布局，當(dāng)換熱面積確定，所有直管長(zhǎng)度之和也隨之確定，則可根據(jù)生產(chǎn)車間空間允許情況，確定單根直管段允許最大長(zhǎng)度，同時(shí)得到整臺(tái)設(shè)備需布置直管段根數(shù)；另一方面也可先通過(guò)計(jì)算得到理論直管長(zhǎng)度，根據(jù)直管長(zhǎng)度布置生產(chǎn)車間空間布局；通常情況須將空間布局與設(shè)備理論長(zhǎng)度相互協(xié)調(diào)，以達(dá)到經(jīng)濟(jì)適用同時(shí)又可滿足生產(chǎn)需求；

3)內(nèi)外管受熱產(chǎn)生的線性熱膨脹量差的限制。如圖2所示，結(jié)構(gòu)上內(nèi)、外管均焊接于兩端堵板上，因此結(jié)構(gòu)上內(nèi)外管任何工況下線性長(zhǎng)度均應(yīng)相等；但實(shí)際工況中因內(nèi)外管中通入介質(zhì)溫度不同，產(chǎn)生的線性膨脹量必然也不等，這將使得內(nèi)外管之間因變形不等產(chǎn)生線性拉脫力，當(dāng)力大到一定程度將把堵板拉脫。因直管長(zhǎng)度越長(zhǎng)，積累線性變形差越大，拉脫力隨之越大，此力大到一定程度將拉脫堵板或者迫使內(nèi)、外管產(chǎn)生損壞性變形，所以必須限制直管的最大長(zhǎng)度。

2.2 彎頭段結(jié)構(gòu)分析

彎頭部分結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3，主要由彎管、法蘭組成；法蘭用于與直管段對(duì)應(yīng)法蘭連接；彎管用于改變礦漿流向，將一根直管中的礦漿通入其相鄰的另一根直管。

圖3 彎頭段結(jié)構(gòu)圖

理論上彎管的彎曲半徑越小，直管間距越小，則設(shè)備所占空間越少，越有利于生產(chǎn)車間空間布置，但實(shí)際上彎管的彎曲半徑受多種因素制約，這些因素包括：

1)在滿足使用性能前提下的加工難度。隨著加工工藝進(jìn)步，彎管可彎半徑越來(lái)越小，但因彎管中充滿高壓礦漿，彎管的成型厚度、力化學(xué)性能必須滿足使用要求，彎管彎曲半徑越小越難以控制成型厚度及其力學(xué)性能，同時(shí)彎曲過(guò)程中很可能產(chǎn)生內(nèi)部缺陷，影響設(shè)備使用安全。

2)彎管內(nèi)流通截面積不得小于所需流通面積。彎管可看為是各段內(nèi)管之間的過(guò)料管，因此，彎管流通面積即其內(nèi)截面積不得小于一組內(nèi)管的流通面積之和，而截面積越大，彎頭可彎半徑將越小。

3)彎管所需厚度，彎管所需厚度需考慮其承壓計(jì)算厚度、腐蝕、磨損等因素，相對(duì)直管彎管部分的磨損需特別注意，因在彎管中流體變向，沖擊產(chǎn)生的磨損將比直管嚴(yán)重的多，特別是對(duì)于固含較大礦漿。這就導(dǎo)致同樣工況下，彎管所需厚度要大于直管。同樣所需厚度越大，彎管可彎半徑越小。

綜上所述，對(duì)于彎頭部分來(lái)說(shuō)，首先必須強(qiáng)制性滿足設(shè)備使用要求，并保證使用安全，其次才能在工藝允許條件下減小彎曲半徑，提供空間利用率。

2.3 支撐部分結(jié)構(gòu)分析

支撐部分由固定支撐結(jié)構(gòu)、滑動(dòng)支撐結(jié)構(gòu)組成。支撐結(jié)構(gòu)均焊接于外管外壁與外管固定，所不同的是固定支撐同時(shí)需固定于土建基礎(chǔ)之上，而滑動(dòng)支撐結(jié)構(gòu)支撐于土建基礎(chǔ)上但不固定，可在一定范圍內(nèi)與土建基礎(chǔ)產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)。對(duì)于含三水鋁石較多的鋁土礦，可在常壓下，150°進(jìn)行反應(yīng)，而對(duì)于一水硬鋁石和勃姆石含量多的，則需要在加壓進(jìn)行反應(yīng)，常用條件為200°～250°，30～40個(gè)大氣壓。在和氫氧化鈉反應(yīng)時(shí)，鋁土礦中所含的鐵的各種氧化物、氧化鈣和二氧化鈦基本不會(huì)和氫氧化鈉反應(yīng)，形成了固體沉淀，留在反應(yīng)釜底部，它們會(huì)被過(guò)濾掉，形成的濾渣呈紅色，被稱作赤泥，而鋁土礦中含有的二氧化硅雜質(zhì)則會(huì)和氫氧化鈉反應(yīng)，生成同樣溶于水的硅酸鈉。

SiO2+2NaOH→2Na2SiO3+H2O為了除去硅酸鈉，拜耳法是通過(guò)緩慢加熱溶液，促使二氧化硅、氧化鋁和氫氧化鈉生成方鈉石結(jié)構(gòu)的水合鋁硅酸鈉，沉淀下來(lái)，然后過(guò)濾除掉，這樣一來(lái)，就只有鋁酸鈉留在上清液中。

設(shè)置滑動(dòng)支撐結(jié)構(gòu)是為釋放設(shè)備因受熱膨脹而產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，套管預(yù)熱器受熱將產(chǎn)生較大的線性變形，滑動(dòng)支撐結(jié)構(gòu)可釋放該變形，防止因熱變形產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。由圖2可知，直管段為管道式設(shè)備，當(dāng)直管中通入礦漿和熱源時(shí)，直管受熱在徑向和沿直管方向均受熱膨脹產(chǎn)生熱變形。徑向方向因其基數(shù)有限，產(chǎn)生的熱變形及熱應(yīng)力均很有限，對(duì)設(shè)備的影響均在許可范圍內(nèi)；但沿直管方向，因其長(zhǎng)度至少在60 m以上，甚至可能超過(guò)百米，受熱膨脹積累的線性變形將非常巨大，不可忽視，必須將其釋放掉，防止產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力。一般在結(jié)構(gòu)允許的情況下，如圖1所示固定支座設(shè)置在中間部位，當(dāng)直管受熱產(chǎn)生線性膨脹時(shí)，因中間固定將對(duì)稱向兩端延伸，則直管端部延伸量只有固定支座設(shè)置在端頭的二分之一，可有效減少各滑動(dòng)支座所需的滑動(dòng)量，各點(diǎn)滑動(dòng)支座可滑動(dòng)范圍不得小于直管處該點(diǎn)可能產(chǎn)出的最大線性形變。

3 設(shè)備使用過(guò)程分析

在合理滿足生產(chǎn)流程需求、保證設(shè)備使用安全的基礎(chǔ)上，降低設(shè)備采購(gòu)施工使用成本是設(shè)備的設(shè)計(jì)基本原則。該文結(jié)合多年來(lái)國(guó)內(nèi)各大氧化鋁廠對(duì)套管預(yù)熱器使用情況，分析其在使用過(guò)程需注意的共性問(wèn)題，并給出其對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)說(shuō)明。

3.1 高壓安全問(wèn)題

因套管預(yù)熱器整個(gè)工作流程均是高壓高溫環(huán)境，設(shè)備的安全必須得到保證，防止產(chǎn)生生產(chǎn)事故整個(gè)設(shè)備的選材嚴(yán)格執(zhí)行國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)要求控制材料性能，對(duì)于采購(gòu)后加工部件嚴(yán)格要求其取樣檢測(cè)物理化學(xué)性能。

合理的設(shè)計(jì)安全系數(shù)。設(shè)計(jì)合理考慮安全系數(shù)，在安全系數(shù)范圍內(nèi)合理涵蓋生產(chǎn)中可能產(chǎn)生的壓力溫度波動(dòng)情況；焊縫無(wú)損檢測(cè)。焊縫一般為設(shè)備可能出現(xiàn)問(wèn)題的薄弱區(qū)域，對(duì)于套管預(yù)熱器，要求其對(duì)所有焊縫進(jìn)行100 %無(wú)損檢測(cè)，防止焊縫出現(xiàn)缺陷；儀器儀表控制。設(shè)置安全閥，當(dāng)生產(chǎn)過(guò)程出現(xiàn)意外，實(shí)際壓力超過(guò)設(shè)備允許的安全范圍時(shí)，安全閥起跳，保護(hù)設(shè)備安全。

3.2 結(jié)垢處理問(wèn)題

管道化溶出也會(huì)產(chǎn)生結(jié)疤，管道溶出礦漿在管道中流動(dòng)速度雖然較高，但在管道中仍有一定的結(jié)疤。對(duì)于套管預(yù)熱器來(lái)說(shuō)，特別是堵板附近彎頭區(qū)域，因流向改變形成湍流，比較容易產(chǎn)生結(jié)疤。設(shè)計(jì)方對(duì)應(yīng)控制方法是通過(guò)合理的設(shè)置設(shè)備結(jié)構(gòu)，在結(jié)疤不可避免時(shí)，盡可能地使結(jié)疤處理較為方便。套管預(yù)熱器中直管段與彎頭段均用法蘭連接，便是為了拆卸方便，且拆卸直接暴露的區(qū)域正是結(jié)疤嚴(yán)重區(qū)域；同時(shí)設(shè)置備用直管，在處理結(jié)疤的時(shí)候不影響生產(chǎn)。

3.3 熱膨脹問(wèn)題處理

因套管預(yù)熱器從空管到通入礦漿、熱源的啟動(dòng)過(guò)程中沿直管方向線性變形較為嚴(yán)重，在設(shè)計(jì)中通過(guò)設(shè)置滑動(dòng)支座，有效釋放沿直管方向線性變形，防止其內(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng)力。

3.4 熱損失問(wèn)題

因套管預(yù)熱器整個(gè)工作過(guò)程均是對(duì)礦漿加熱過(guò)程，熱量需求量相當(dāng)大，對(duì)應(yīng)熱損失問(wèn)題也較為嚴(yán)重。設(shè)計(jì)方主要通過(guò)合理的設(shè)置各階段直管中通入熱源的介質(zhì)和溫度來(lái)達(dá)到熱源的最有效利用，同時(shí)要求在設(shè)備外壁嚴(yán)格設(shè)置保溫層。

4 結(jié) 語(yǔ)

目前限制套管預(yù)熱器發(fā)展的問(wèn)題主要集中在結(jié)疤處理與內(nèi)外管溫差導(dǎo)致內(nèi)外管線性膨脹量不同而相對(duì)堵板產(chǎn)生的拉脫力。

對(duì)于拉脫力的處理現(xiàn)階段有3種方法：

1)限制直管段長(zhǎng)度，將拉托力限制在允許范圍內(nèi)，這樣雖然處理了拉脫力問(wèn)題，但對(duì)設(shè)計(jì)產(chǎn)生了要求；

2)改變套管預(yù)熱器的結(jié)構(gòu)，將直管一端的彎頭設(shè)計(jì)為含有內(nèi)外管的套管彎頭，同時(shí)除去堵板，法蘭等結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)內(nèi)外管一端均可在一定范圍內(nèi)自由膨脹，不再因膨脹量不同而產(chǎn)生拉脫力，但該結(jié)構(gòu)給結(jié)疤清洗帶來(lái)相當(dāng)大的麻煩，拆卸十分麻煩，同時(shí)增加設(shè)備采購(gòu)加工成本；

3)在外管處設(shè)置箱型伸縮節(jié)，但由于外管中通常均充滿高壓熱源，在伸縮節(jié)處非常容易產(chǎn)生泄露，同時(shí)也增加設(shè)備成本。

目前3種方法在實(shí)際工程中都曾采用，比較而言第1種方法在長(zhǎng)期生產(chǎn)較受歡迎，且產(chǎn)生中問(wèn)題也最少。

對(duì)于結(jié)疤問(wèn)題，在現(xiàn)階段工藝流程下，因結(jié)疤不可避免，除了拆卸清理并沒(méi)有更好的方法。

比較有前景的可以完美的解決以上問(wèn)題的方法是：近幾年提出的小型機(jī)器人應(yīng)用與生產(chǎn)，通過(guò)利用小型機(jī)器人進(jìn)入管道清理結(jié)疤；如其成本能降至人工拆卸清理之下，則上述限制套管預(yù)熱器設(shè)計(jì)的兩個(gè)問(wèn)題均能得到完美的解決。