赵满丰、焦阳

（1义马丰达设备有限责任公司，河南 义马 472300；2北京燕山石化公司，北京 房山 102500）

中国是全球最大的氧化铝生产和消费国，其氧化铝产量在2006年占世界的比重为23%，到2015年上升为54%（5898万吨）[1]，至2017年我国氧化铝产量已经突破7000万吨[2]，其比重仍在不断大幅提升。

但是氧化铝的生产过程，资源消耗大、能源消耗高。目前国家和企业都在千方百计努力节能减排，氧化铝生产企业更应当责无旁贷。

采用拜耳法生产氧化铝的过程中，主要能源消耗包括电能、蒸汽（60%）、重油或煤气。其中高压溶出过程的热能消耗（蒸汽），占氧化铝生产中能耗的40%左右[3.4]。从溶出环节狠抓节能降耗大有可为，即便是取得1%的能耗降低，对氧化铝生产都具有非常大的经济和社会效益。

在溶出装置开展节能降耗工作中，可以有多种努力方向，如：改进生产工艺、采用先进换热设备、提高溶出套管清洗质量等。在此，我们仅就提高溶出套管结疤清除率，降低生产过程中热能损耗展开讨论，希望能够引起生产企业的重视，共同努力攻坚克难实现节能减排的小目标。

图1 拜耳法氧化铝生产中能源消耗占比

图2 拜耳法氧化铝生产中各工序的蒸汽消耗统计

1 结疤的生成与周期

在氧化铝生产过程中，生成结疤是多种因素相互作用的结果，不同地区的铝土矿、不同的添加剂、不同的工艺路线，都对结疤产生的位置和厚度发生作用。

很多研究文献从不同角度，分析探讨结疤生成的机理。目前多数观点认为，可以从结疤成分和从生产流程两个角度探讨结疤的成因[5]。

1.1 从结疤成分的角度探讨

（1）以Al（OH）3为主的结疤，普遍因溶液分解而产生。主要出现在赤泥分离沉降槽、赤泥洗涤沉降槽、分解槽等设备的壁面。其矿物成分为三水铝石、拜耳石、诺尔石、一水软铝石及胶体。

（2）以（Na2O·Al2O3·xSiO2·nH2O）为主的结疤，普遍因溶液脱硅反应而产生。主要出现在压煮器、溶出套管与蒸发器等设备的壁面。其矿物成分为钠硅渣、水化石榴石、方钠石等。

（3）以钛酸钙CaO·TiO2和羟基钛酸钙CaTi2O4（OH）为主的结疤，普遍因溶液与添加剂反应而产生。主要出现在高温区套管等设备的壁面。其矿物成分为钙霞石、钙钛矿等。

（4）除上述三种以外的结疤成分，如一水硬铝石、铁矿物（铝针铁矿、赤铁矿、磁铁矿）、磷酸盐、含镁矿物、氟化物及草酸盐等。这类结疤相对较少，普遍因铝土矿和添加剂中杂质所致。

1.2 从生产流程的角度探讨

（1）由于矿浆在预热升温过程中，液相过饱和物质的析出，所产生的结疤。如果这些过饱和物质的析出，是在赤泥表面或者在液相中发生，其析出的物质成为赤泥。如果是在壁面附件发生，其析出物质便形成了结晶型结疤。这类结疤的产生，经常因温度不同，呈现不同特性。

（2）由于矿浆的流速或者流动状态不尽合理，致使矿浆中部分矿物颗粒，相对壁面移动过慢，逐渐被粘附形成结疤。结疤中的一水硬铝石以及部分铁矿物均属于此类型。

2 结疤的周期[7]

很多研究文献证实，管道化预热器，新蒸汽提温段容易结疤。运行30～35天后，管道化预热器溶出效果明显降低，进料量降低，溶出指标不稳定，汽耗增加（蒸汽消耗从1.156t/t-AO，增至1.227t/t-AO）。此时检测数据显示，管道化预热器的提温段结疤厚度在8～25 mm，乏汽预热段结疤厚度在0.5～2 mm。目前，多数氧化铝厂都将清理结疤的周期设定在30～45天。

由于使用的矿石成分和物相不同、生产工艺的不同、预脱硅质量的不同，结疤生成的周期与厚度具有很大差别。

3 结疤对热传导及能耗的影响

传热速率方程：Q = K·S·△T

式中：

Q——总传热速率W

K——总传热系数W/（m2·K）

S——总传热面积m2

△T—总传热温差K

从传热速率方程可以看出，通过提高传热系数K，可以提高传热效率 Q。实际生产中，经验也充分证明提高传热系数的重要性[8]。

总传热系数公式如下：

式中：

αi、αI——换热器内侧和外侧对流传热系数

Rsi、Rso——管壁内、外侧表面上的污垢热阻

b/λ——导管壁热阻

从公式可以看出，若要提高K，则要减小各项热阻。在实际生产中，传热设备已经建设完成，其管壁热阻不易改变，生产工艺已经确定，对流传热的参数也不易大幅改变，可以控制调整的参数仅有污垢热阻一项。

研究文献表明[9]，溶出套管钢材的传热系数为158.8～175.6 kJ/（m2·h·℃），而结疤的传热系数只有5.016～6.688 kJ/（m2·h·℃），仅为钢材的1/30左右。

通过理论计算和实际检测数据对比分析，当结疤厚度为1 mm时，溶出套管的综合传热系数几乎降低一半。

这些数据和经验都在提示我们，若想降低溶出过程的能耗，清除结疤、降低结疤热阻是一个重要的努力方向。

4 清除结疤方法的比较

溶出套管目前常见清除结疤的方法有三类，化学清洗、高压水射流清洗、机械破碎（振动、敲击、切削）。还有一些不太常用的方法，如火烧、激光、爆破、超声波、干冰等。

4.1 化学清洗

原理：在溶出系统建立循环流程，采用清洗剂（有机和无机酸性清洗剂、碱性清洗剂、钝化剂、缓蚀剂和助剂），通过化学反应和流体冲刷，将结疤溶解、松散、剥离并输送至套管外，达到清除套管内壁结疤的目的。

优势：无需拆除大量套管弯头，施工人员安全风险和劳动强度较低，清洗质量高、清洗用时少，清洗成本低。

图3 溶出套管不同温度区间结疤特性[6]

不足：当结疤厚度大时，需要大量溶剂，清洗产生大量废液，后续处理比较困难，可能会对套管局部产生腐蚀或氢脆，造成套管寿命降低。

4.2 高压水射流清洗

原理：通过超高压泵组、超高压软管、转管机、特种喷头等设备，将超高压水射流，引入溶出套管内旋转喷射，对结疤进行切割破碎，并将其冲洗至套管外，达到清除套管内壁结疤的目的。

优势：不会对套管产生腐蚀，清洗效果直观明确、容易检查和管控，不产生废液，后续处理比较环保简单。

不足：施工人员劳动强度大，高压作业安全风险高，清洗设备投资大，配件损耗快，运行成本高，清洗质量受操作人员因素影响不稳定，清洗用时比较长。

4.3 机械破碎

原理：通过一些机械作用（振动、敲击、切削），对套管内壁的结疤进行破碎，并将其排至套管外，达到清除套管内壁结疤的目的。

优势：这类设备普遍能耗较低，设备投资较小，运行成本较低。

不足：清洗能力较弱，清洗速度慢，不太适合氧化铝生产的要求。

4.4 火烧方法

原理：通过专用燃烧喷嘴和机构，在套管内喷射燃烧柴油或煤气，对结疤进行快速加热。利用脆性物质遇到热胀冷缩易产生开裂；利用金属套管与结疤热胀冷缩系数不同产生分离；利用结疤在火烧时发生化学变化强度降低转向酥脆；利用结疤在火烧时失去水分产生干缩开裂等原理。使结疤在火烧过程中产生部分开裂、脱离，然后，再采用高压水射流，将结疤剥离并冲洗至套管外，达到清除套管内壁结疤的目的。

优势：火烧设备制造和操作难度不大、成本不高比较容易实现，使清除结疤的难度大幅降低。

不足：火烧增加新的能耗，不符合节能减排的总目标，火烧加高压水清洗的总时间较长，火烧可能造成套管局部发生烧蚀、变形、损坏。

4.5 激光清洗

原理：通过激光发生器和光纤枪，将激光束引入套管内部，利用激光高能量、高聚焦等特点，在结疤表面产生瞬间高温，使其产生分解气化，由于精准的聚焦，可以实现清除结疤，而不损伤套管的目的。

优势：清洗速度快、质量好、不产生污染物；结疤转化为气体非常容易排出套管外，采用空气过滤方式收集，可以废物利用；施工设备容易小型化，施工操作劳动强度低且安全风险低，激光能量集中效率高施工能耗低。

不足：目前激光技术不成熟，原理实验已经可以确认，一些应用技术还需等待进一步的突破和完善，设备投资比较大，清洗成本较高。

4.6 爆破方法

原理：采用可控的微型爆破（空气爆破、火药爆破等），产生反复的冲击和拉伸力，使脆性的结疤产生开裂和剥离，然后配合排渣措施，将套管内散落的结疤排出，达到清除结疤的目的。

优势：这种方式耗能很小，剥离结疤的速度非常快，劳动强度比较低，用工数量比较少。

不足：爆破操作的安全风险比较高，爆破的声音很强烈，使人们不易接受，爆破的震动对溶出装置的框架及固定点有影响，相关的焊口容易产生开裂。

4.7 超声波清洗

原理：—通过信号发生器产生15～25kHz的声频振荡脉冲信号（超声波），此声频振荡传播至结疤表面时，在局部范围产生强大的冲击波，反复压缩和拉伸，使结疤开裂、剥离、乳化及脱落，然后配合排渣措施，将套管内散落的结疤排出，达到清除结疤的目的。

优势：这种方法的能耗较低，施工作业的安全风险较低，用工数量比较少。

不足：目前没有适用于溶出套管清洗的信号发生器，设计制造此型专用的发生器，存在技术难题，需要等待技术突破，现有信号发生器清洗速度太慢，清洗施工时需要将套管充满液体，还要保证发生器的进退，增加施工难度。

4.8 干冰清洗

原理：通过专用的空压机、制冰机、喷枪等设备，将固体干冰颗粒，向结疤喷射，利用高速运动的动量冲击，以及干冰的升华、熔化等能量转换，使结疤产生急冷、深冷、脆化、开裂、剥离，同时随气流冲刷排出，达到清除结疤的目的。

优势：清洗作业安全风险较低，施工作业劳动强度较低，对套管的损伤较低。

不足：清洗设备及干冰的成本较高，施工产生大量二氧化碳的排放。

上述各种清洗方法，都经过研究、比较和实验。目前溶出套管清洗的实际应用中，高压水射流清洗仍是多数氧化铝厂选择的主流方法，化学清洗、机械破碎方法应用市场逐渐减少，其它方法还期待技术突破。

5 如何提高清除率及降低溶出能耗

采用高压水射流，清洗溶出套管结疤的过程中，如何提高结疤清除率，使溶出装置在生产过程中降低能耗，需要从科学匹配清洗参数及合理管控运行周期两个方面开展工作。

5.1 科学匹配清洗参数

在采用高压水射流清洗溶出套管结疤时，需要科学匹配清洗参数，否则，完全相同的清洗设备，清洗的效果会有天壤之别。

（1）压力和流量

清洗施工时，其工作压力必须突破结疤的门限压力（结疤所能承受的极限压力），否则，无法将结疤剥离清除。需要通过对高温段、低温段、停留段不同的结疤进行大量测试，获得准确数据。施工中不能低于门限压力，也不能超过门限压力太多，否则，即浪费消耗能源，又会对套管产生冲蚀风险。

清洗施工时，其流量对清洗速度有非常大的影响，流量大速度快、流量小速度慢。流量增大一倍，需要大功率泵组、大直径软管，成本增加数倍。需要科学计算，兼顾清洗速度和清洗成本，不能只强调其一。

（2）沿程压力损失

清洗施工时，高压水在高压软管内流动，会产生非常大的沿程压力损失。应当尽量缩短高压软管的长度，尽量避免高压软管有过多的富余长度。否则，会在高压软管内损失20～50MPa的压力。这是泵组产生压力的四分之一左右，即浪费了大量能源，又会对高压软管产生严重损耗，是一石两鸟的损失，应当尽量避免。

（3）喷嘴的结构和质量

清洗施工时，通过优质的喷嘴将高压水的势能（即200MPa的压力），转化为强大的射流动能（即M=2 两倍音速的射流），如同水剑切割破碎结疤。

但是，不是所有喷嘴都可以达到如此效果。必须是喷嘴内部腔体结构设计合理，加工精度和光洁度符合要求，喷嘴材质能够满足高速流体冲蚀等条件时，才能达到摧枯拉朽的效果，所以，仅有压力和流量是不可以的。

（4）射流的靶距

清洗施工时，需要严格控制喷嘴至结疤之间的距离（即靶距），射流理论指出，靶距应当控制在100～200d0。但是施工现场有很多因素会影响理论数据，必须根据施工现场的具体情况，进行大量实验和检测，进行科学合理的修订，实践是检验真理的唯一标准，不能死搬硬套，采取教条主义。

（5）射流的转速

清洗施工时，需要科学合理控制喷头的转速（30～60r/min），喷头转速过低影响清洗速度，喷头转速过高容易使射流产生雾化、打击力下降、无法正常破碎结疤。这一因素经常被忽视，导致很多施工企业困惑，同样的泵组，同样的压力和流量，同样的喷头，清洗效果却出现巨大差别。

（6）喷头进给速度

清洗施工时，还需要准确控制喷头的进给速度（即喷头每旋转一圈，向前推进的距离）。一部分施工企业，采用人工控制进给量，人为因素会导致进给量忽高忽低，清洗质量不稳定。一部分施工企业，采用转管机控制进给量，但是，未经过科学计算，同样导致清洗质量达不到要求。

利用下式可计算喷头合理的进给量

S转=H·Z（mm/r）

S分=H·Z·N（mm/min）

式中：

S转——喷头每转的进给量mm/r

S分——喷头每分钟的进给量mm/min

H——单个喷嘴清洗的宽度mm

Z——喷头上喷嘴的数量（喷嘴轨迹不能重叠）

N——喷头的转速r/min

利用下式可计算清洗一根套管的用时

T=1000X/S分（min）

式中：

T——清洗一根套管需要的时间min

X——套管的长度M

根据上述两公式，可以进一步计算清洗一套溶出装置，需要使用的必要施工时间。在清洗施工中，应当按照合理的施工用时安排进度，不能盲目的压缩施工时间。否则，根本无法保证有充足的时间，均匀、彻底的清除结疤，肯定会产生局部清除不彻底的状况。

5.2 合理管控运行周期

如果结疤清理效果好，溶出套管的换热效率高、流通阻力小，就会使蒸汽消耗量下降、隔膜泵出口压力下降，蒸汽、电能和煤气消耗的降低。

但是，随着溶出生产的进行，产生结疤是无法避免的事实。为了降低能耗，很短时间就进行结疤清除，既耽误生产时间又增加清洗费用。反之，很长时间不进行结疤清除，既增加能耗又降低产量。这是相互制约的一对矛盾，需要在两个因素之间寻找效益平衡点，科学合理的管控运行周期，追求效益最大化。

效益平衡的思路为，以溶出套管清洗前与清洗后，能耗费用的差值与产量利润的差值之和，平衡清洗费用和停车减产的利润。

7·[（A后-A前）+（B后-B前）]=7·N·B后+X

式中：

A前——清洗前每天能耗的费用

A后——清洗后每天能耗的费用

B前——清洗前每天产量的利润

B后——清洗后每天产量的利润

X ——清洗的费用

N ——修正系数

6 结语

经过分析讨论，能够得出这样的结论，在溶出装置的生产成本中，能耗所占比例很高，将是节能降耗的工作重点。清洗费用所占比例很小，不应当为了节省清洗费用，有意延长运转周期。

高压水射流清洗施工中，有很多技术细节需要科学匹配，如果不能正确掌握运用这些技术，清洗施工中会出现非常大的差距，希望施工企业与氧化铝厂共同努力提高结疤清除率。