溶出套管結疤清除率對節(jié)能降耗的影響

趙滿豐、焦陽

（1義馬豐達設備有限責任公司，河南 義馬 472300；2北京燕山石化公司，北京 房山 102500）

中國是全球最大的氧化鋁生產(chǎn)和消費國，其氧化鋁產(chǎn)量在2006年占世界的比重為23%，到2015年上升為54%（5898萬噸）[1]，至2017年我國氧化鋁產(chǎn)量已經(jīng)突破7000萬噸[2]，其比重仍在不斷大幅提升。

但是氧化鋁的生產(chǎn)過程，資源消耗大、能源消耗高。目前國家和企業(yè)都在千方百計努力節(jié)能減排，氧化鋁生產(chǎn)企業(yè)更應當責無旁貸。

采用拜耳法生產(chǎn)氧化鋁的過程中，主要能源消耗包括電能、蒸汽（60%）、重油或煤氣。其中高壓溶出過程的熱能消耗（蒸汽），占氧化鋁生產(chǎn)中能耗的40%左右[3.4]。從溶出環(huán)節(jié)狠抓節(jié)能降耗大有可為，即便是取得1%的能耗降低，對氧化鋁生產(chǎn)都具有非常大的經(jīng)濟和社會效益。

在溶出裝置開展節(jié)能降耗工作中，可以有多種努力方向，如：改進生產(chǎn)工藝、采用先進換熱設備、提高溶出套管清洗質量等。在此，我們僅就提高溶出套管結疤清除率，降低生產(chǎn)過程中熱能損耗展開討論，希望能夠引起生產(chǎn)企業(yè)的重視，共同努力攻堅克難實現(xiàn)節(jié)能減排的小目標。

圖1 拜耳法氧化鋁生產(chǎn)中能源消耗占比

圖2 拜耳法氧化鋁生產(chǎn)中各工序的蒸汽消耗統(tǒng)計

1 結疤的生成與周期

在氧化鋁生產(chǎn)過程中，生成結疤是多種因素相互作用的結果，不同地區(qū)的鋁土礦、不同的添加劑、不同的工藝路線，都對結疤產(chǎn)生的位置和厚度發(fā)生作用。

很多研究文獻從不同角度，分析探討結疤生成的機理。目前多數(shù)觀點認為，可以從結疤成分和從生產(chǎn)流程兩個角度探討結疤的成因[5]。

1.1 從結疤成分的角度探討

（1）以Al（OH）3為主的結疤，普遍因溶液分解而產(chǎn)生。主要出現(xiàn)在赤泥分離沉降槽、赤泥洗滌沉降槽、分解槽等設備的壁面。其礦物成分為三水鋁石、拜耳石、諾爾石、一水軟鋁石及膠體。

（2）以（Na2O·Al2O3·xSiO2·nH2O）為主的結疤，普遍因溶液脫硅反應而產(chǎn)生。主要出現(xiàn)在壓煮器、溶出套管與蒸發(fā)器等設備的壁面。其礦物成分為鈉硅渣、水化石榴石、方鈉石等。

（3）以鈦酸鈣CaO·TiO2和羥基鈦酸鈣CaTi2O4（OH）為主的結疤，普遍因溶液與添加劑反應而產(chǎn)生。主要出現(xiàn)在高溫區(qū)套管等設備的壁面。其礦物成分為鈣霞石、鈣鈦礦等。

（4）除上述三種以外的結疤成分，如一水硬鋁石、鐵礦物（鋁針鐵礦、赤鐵礦、磁鐵礦）、磷酸鹽、含鎂礦物、氟化物及草酸鹽等。這類結疤相對較少，普遍因鋁土礦和添加劑中雜質所致。

1.2 從生產(chǎn)流程的角度探討

（1）由于礦漿在預熱升溫過程中，液相過飽和物質的析出，所產(chǎn)生的結疤。如果這些過飽和物質的析出，是在赤泥表面或者在液相中發(fā)生，其析出的物質成為赤泥。如果是在壁面附件發(fā)生，其析出物質便形成了結晶型結疤。這類結疤的產(chǎn)生，經(jīng)常因溫度不同，呈現(xiàn)不同特性。

（2）由于礦漿的流速或者流動狀態(tài)不盡合理，致使礦漿中部分礦物顆粒，相對壁面移動過慢，逐漸被粘附形成結疤。結疤中的一水硬鋁石以及部分鐵礦物均屬于此類型。

2 結疤的周期[7]

很多研究文獻證實，管道化預熱器，新蒸汽提溫段容易結疤。運行30～35天后，管道化預熱器溶出效果明顯降低，進料量降低，溶出指標不穩(wěn)定，汽耗增加（蒸汽消耗從1.156t/t-AO，增至1.227t/t-AO）。此時檢測數(shù)據(jù)顯示，管道化預熱器的提溫段結疤厚度在8～25 mm，乏汽預熱段結疤厚度在0.5～2 mm。目前，多數(shù)氧化鋁廠都將清理結疤的周期設定在30～45天。

由于使用的礦石成分和物相不同、生產(chǎn)工藝的不同、預脫硅質量的不同，結疤生成的周期與厚度具有很大差別。

3 結疤對熱傳導及能耗的影響

傳熱速率方程：Q = K·S·△T

式中：

Q——總傳熱速率W

K——總傳熱系數(shù)W/（m2·K）

S——總傳熱面積m2

△T—總傳熱溫差K

從傳熱速率方程可以看出，通過提高傳熱系數(shù)K，可以提高傳熱效率 Q。實際生產(chǎn)中，經(jīng)驗也充分證明提高傳熱系數(shù)的重要性[8]。

總傳熱系數(shù)公式如下：

式中：

αi、αI——換熱器內側和外側對流傳熱系數(shù)

Rsi、Rso——管壁內、外側表面上的污垢熱阻

b/λ——導管壁熱阻

從公式可以看出，若要提高K，則要減小各項熱阻。在實際生產(chǎn)中，傳熱設備已經(jīng)建設完成，其管壁熱阻不易改變，生產(chǎn)工藝已經(jīng)確定，對流傳熱的參數(shù)也不易大幅改變，可以控制調整的參數(shù)僅有污垢熱阻一項。

研究文獻表明[9]，溶出套管鋼材的傳熱系數(shù)為158.8～175.6 kJ/（m2·h·℃），而結疤的傳熱系數(shù)只有5.016～6.688 kJ/（m2·h·℃），僅為鋼材的1/30左右。

通過理論計算和實際檢測數(shù)據(jù)對比分析，當結疤厚度為1 mm時，溶出套管的綜合傳熱系數(shù)幾乎降低一半。

這些數(shù)據(jù)和經(jīng)驗都在提示我們，若想降低溶出過程的能耗，清除結疤、降低結疤熱阻是一個重要的努力方向。

4 清除結疤方法的比較

溶出套管目前常見清除結疤的方法有三類，化學清洗、高壓水射流清洗、機械破碎（振動、敲擊、切削）。還有一些不太常用的方法，如火燒、激光、爆破、超聲波、干冰等。

4.1 化學清洗

原理：在溶出系統(tǒng)建立循環(huán)流程，采用清洗劑（有機和無機酸性清洗劑、堿性清洗劑、鈍化劑、緩蝕劑和助劑），通過化學反應和流體沖刷，將結疤溶解、松散、剝離并輸送至套管外，達到清除套管內壁結疤的目的。

優(yōu)勢：無需拆除大量套管彎頭，施工人員安全風險和勞動強度較低，清洗質量高、清洗用時少，清洗成本低。

圖3 溶出套管不同溫度區(qū)間結疤特性[6]

不足：當結疤厚度大時，需要大量溶劑，清洗產(chǎn)生大量廢液，后續(xù)處理比較困難，可能會對套管局部產(chǎn)生腐蝕或氫脆，造成套管壽命降低。

4.2 高壓水射流清洗

原理：通過超高壓泵組、超高壓軟管、轉管機、特種噴頭等設備，將超高壓水射流，引入溶出套管內旋轉噴射，對結疤進行切割破碎，并將其沖洗至套管外，達到清除套管內壁結疤的目的。

優(yōu)勢：不會對套管產(chǎn)生腐蝕，清洗效果直觀明確、容易檢查和管控，不產(chǎn)生廢液，后續(xù)處理比較環(huán)保簡單。

不足：施工人員勞動強度大，高壓作業(yè)安全風險高，清洗設備投資大，配件損耗快，運行成本高，清洗質量受操作人員因素影響不穩(wěn)定，清洗用時比較長。

4.3 機械破碎

原理：通過一些機械作用（振動、敲擊、切削），對套管內壁的結疤進行破碎，并將其排至套管外，達到清除套管內壁結疤的目的。

優(yōu)勢：這類設備普遍能耗較低，設備投資較小，運行成本較低。

不足：清洗能力較弱，清洗速度慢，不太適合氧化鋁生產(chǎn)的要求。

4.4 火燒方法

原理：通過專用燃燒噴嘴和機構，在套管內噴射燃燒柴油或煤氣，對結疤進行快速加熱。利用脆性物質遇到熱脹冷縮易產(chǎn)生開裂；利用金屬套管與結疤熱脹冷縮系數(shù)不同產(chǎn)生分離；利用結疤在火燒時發(fā)生化學變化強度降低轉向酥脆；利用結疤在火燒時失去水分產(chǎn)生干縮開裂等原理。使結疤在火燒過程中產(chǎn)生部分開裂、脫離，然后，再采用高壓水射流，將結疤剝離并沖洗至套管外，達到清除套管內壁結疤的目的。

優(yōu)勢：火燒設備制造和操作難度不大、成本不高比較容易實現(xiàn)，使清除結疤的難度大幅降低。

不足：火燒增加新的能耗，不符合節(jié)能減排的總目標，火燒加高壓水清洗的總時間較長，火燒可能造成套管局部發(fā)生燒蝕、變形、損壞。

4.5 激光清洗

原理：通過激光發(fā)生器和光纖槍，將激光束引入套管內部，利用激光高能量、高聚焦等特點，在結疤表面產(chǎn)生瞬間高溫，使其產(chǎn)生分解氣化，由于精準的聚焦，可以實現(xiàn)清除結疤，而不損傷套管的目的。

優(yōu)勢：清洗速度快、質量好、不產(chǎn)生污染物；結疤轉化為氣體非常容易排出套管外，采用空氣過濾方式收集，可以廢物利用；施工設備容易小型化，施工操作勞動強度低且安全風險低，激光能量集中效率高施工能耗低。

不足：目前激光技術不成熟，原理實驗已經(jīng)可以確認，一些應用技術還需等待進一步的突破和完善，設備投資比較大，清洗成本較高。

4.6 爆破方法

原理：采用可控的微型爆破（空氣爆破、火藥爆破等），產(chǎn)生反復的沖擊和拉伸力，使脆性的結疤產(chǎn)生開裂和剝離，然后配合排渣措施，將套管內散落的結疤排出，達到清除結疤的目的。

優(yōu)勢：這種方式耗能很小，剝離結疤的速度非常快，勞動強度比較低，用工數(shù)量比較少。

不足：爆破操作的安全風險比較高，爆破的聲音很強烈，使人們不易接受，爆破的震動對溶出裝置的框架及固定點有影響，相關的焊口容易產(chǎn)生開裂。

4.7 超聲波清洗

原理：—通過信號發(fā)生器產(chǎn)生15～25kHz的聲頻振蕩脈沖信號（超聲波），此聲頻振蕩傳播至結疤表面時，在局部范圍產(chǎn)生強大的沖擊波，反復壓縮和拉伸，使結疤開裂、剝離、乳化及脫落，然后配合排渣措施，將套管內散落的結疤排出，達到清除結疤的目的。

優(yōu)勢：這種方法的能耗較低，施工作業(yè)的安全風險較低，用工數(shù)量比較少。

不足：目前沒有適用于溶出套管清洗的信號發(fā)生器，設計制造此型專用的發(fā)生器，存在技術難題，需要等待技術突破，現(xiàn)有信號發(fā)生器清洗速度太慢，清洗施工時需要將套管充滿液體，還要保證發(fā)生器的進退，增加施工難度。

4.8 干冰清洗

原理：通過專用的空壓機、制冰機、噴槍等設備，將固體干冰顆粒，向結疤噴射，利用高速運動的動量沖擊，以及干冰的升華、熔化等能量轉換，使結疤產(chǎn)生急冷、深冷、脆化、開裂、剝離，同時隨氣流沖刷排出，達到清除結疤的目的。

優(yōu)勢：清洗作業(yè)安全風險較低，施工作業(yè)勞動強度較低，對套管的損傷較低。

不足：清洗設備及干冰的成本較高，施工產(chǎn)生大量二氧化碳的排放。

上述各種清洗方法，都經(jīng)過研究、比較和實驗。目前溶出套管清洗的實際應用中，高壓水射流清洗仍是多數(shù)氧化鋁廠選擇的主流方法，化學清洗、機械破碎方法應用市場逐漸減少，其它方法還期待技術突破。

5 如何提高清除率及降低溶出能耗

采用高壓水射流，清洗溶出套管結疤的過程中，如何提高結疤清除率，使溶出裝置在生產(chǎn)過程中降低能耗，需要從科學匹配清洗參數(shù)及合理管控運行周期兩個方面開展工作。

5.1 科學匹配清洗參數(shù)

在采用高壓水射流清洗溶出套管結疤時，需要科學匹配清洗參數(shù)，否則，完全相同的清洗設備，清洗的效果會有天壤之別。

（1）壓力和流量

清洗施工時，其工作壓力必須突破結疤的門限壓力（結疤所能承受的極限壓力），否則，無法將結疤剝離清除。需要通過對高溫段、低溫段、停留段不同的結疤進行大量測試，獲得準確數(shù)據(jù)。施工中不能低于門限壓力，也不能超過門限壓力太多，否則，即浪費消耗能源，又會對套管產(chǎn)生沖蝕風險。

清洗施工時，其流量對清洗速度有非常大的影響，流量大速度快、流量小速度慢。流量增大一倍，需要大功率泵組、大直徑軟管，成本增加數(shù)倍。需要科學計算，兼顧清洗速度和清洗成本，不能只強調其一。

（2）沿程壓力損失

清洗施工時，高壓水在高壓軟管內流動，會產(chǎn)生非常大的沿程壓力損失。應當盡量縮短高壓軟管的長度，盡量避免高壓軟管有過多的富余長度。否則，會在高壓軟管內損失20～50MPa的壓力。這是泵組產(chǎn)生壓力的四分之一左右，即浪費了大量能源，又會對高壓軟管產(chǎn)生嚴重損耗，是一石兩鳥的損失，應當盡量避免。

（3）噴嘴的結構和質量

清洗施工時，通過優(yōu)質的噴嘴將高壓水的勢能（即200MPa的壓力），轉化為強大的射流動能（即M=2 兩倍音速的射流），如同水劍切割破碎結疤。

但是，不是所有噴嘴都可以達到如此效果。必須是噴嘴內部腔體結構設計合理，加工精度和光潔度符合要求，噴嘴材質能夠滿足高速流體沖蝕等條件時，才能達到摧枯拉朽的效果，所以，僅有壓力和流量是不可以的。

（4）射流的靶距

清洗施工時，需要嚴格控制噴嘴至結疤之間的距離（即靶距），射流理論指出，靶距應當控制在100～200d0。但是施工現(xiàn)場有很多因素會影響理論數(shù)據(jù)，必須根據(jù)施工現(xiàn)場的具體情況，進行大量實驗和檢測，進行科學合理的修訂，實踐是檢驗真理的唯一標準，不能死搬硬套，采取教條主義。

（5）射流的轉速

清洗施工時，需要科學合理控制噴頭的轉速（30～60r/min），噴頭轉速過低影響清洗速度，噴頭轉速過高容易使射流產(chǎn)生霧化、打擊力下降、無法正常破碎結疤。這一因素經(jīng)常被忽視，導致很多施工企業(yè)困惑，同樣的泵組，同樣的壓力和流量，同樣的噴頭，清洗效果卻出現(xiàn)巨大差別。

（6）噴頭進給速度

清洗施工時，還需要準確控制噴頭的進給速度（即噴頭每旋轉一圈，向前推進的距離）。一部分施工企業(yè)，采用人工控制進給量，人為因素會導致進給量忽高忽低，清洗質量不穩(wěn)定。一部分施工企業(yè)，采用轉管機控制進給量，但是，未經(jīng)過科學計算，同樣導致清洗質量達不到要求。

利用下式可計算噴頭合理的進給量

S轉=H·Z（mm/r）

S分=H·Z·N（mm/min）

式中：

S轉——噴頭每轉的進給量mm/r

S分——噴頭每分鐘的進給量mm/min

H——單個噴嘴清洗的寬度mm

Z——噴頭上噴嘴的數(shù)量（噴嘴軌跡不能重疊）

N——噴頭的轉速r/min

利用下式可計算清洗一根套管的用時

T=1000X/S分（min）

式中：

T——清洗一根套管需要的時間min

X——套管的長度M

根據(jù)上述兩公式，可以進一步計算清洗一套溶出裝置，需要使用的必要施工時間。在清洗施工中，應當按照合理的施工用時安排進度，不能盲目的壓縮施工時間。否則，根本無法保證有充足的時間，均勻、徹底的清除結疤，肯定會產(chǎn)生局部清除不徹底的狀況。

5.2 合理管控運行周期

如果結疤清理效果好，溶出套管的換熱效率高、流通阻力小，就會使蒸汽消耗量下降、隔膜泵出口壓力下降，蒸汽、電能和煤氣消耗的降低。

但是，隨著溶出生產(chǎn)的進行，產(chǎn)生結疤是無法避免的事實。為了降低能耗，很短時間就進行結疤清除，既耽誤生產(chǎn)時間又增加清洗費用。反之，很長時間不進行結疤清除，既增加能耗又降低產(chǎn)量。這是相互制約的一對矛盾，需要在兩個因素之間尋找效益平衡點，科學合理的管控運行周期，追求效益最大化。

效益平衡的思路為，以溶出套管清洗前與清洗后，能耗費用的差值與產(chǎn)量利潤的差值之和，平衡清洗費用和停車減產(chǎn)的利潤。

7·[（A后-A前）+（B后-B前）]=7·N·B后+X

式中：

A前——清洗前每天能耗的費用

A后——清洗后每天能耗的費用

B前——清洗前每天產(chǎn)量的利潤

B后——清洗后每天產(chǎn)量的利潤

X ——清洗的費用

N ——修正系數(shù)

6 結語

經(jīng)過分析討論，能夠得出這樣的結論，在溶出裝置的生產(chǎn)成本中，能耗所占比例很高，將是節(jié)能降耗的工作重點。清洗費用所占比例很小，不應當為了節(jié)省清洗費用，有意延長運轉周期。

高壓水射流清洗施工中，有很多技術細節(jié)需要科學匹配，如果不能正確掌握運用這些技術，清洗施工中會出現(xiàn)非常大的差距，希望施工企業(yè)與氧化鋁廠共同努力提高結疤清除率。