任紅艷

(貴陽鋁鎂設計研究院有限公司，貴州 貴陽 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，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程，交替使用這兩個過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，所采用設備也逐步走向定型，但涉及到設備的具體結(jié)構(gòu)、材質(zhì)等方面仍然有各種爭議，且隨著材料的改進、智能機器在工業(yè)中普及，本身設備的改進方面仍有很大的發(fā)展空間。該文針對溶出的核心設備“套管預熱器”，結(jié)合國內(nèi)各大氧化鋁廠的生產(chǎn)使用情況，對其設計的各方面進行分析。

1 材料選擇分析

套管預熱器主要結(jié)構(gòu)包括：外管、內(nèi)管、彎頭、堵板、變徑管以及標準法蘭、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。

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

從磨損方面分析：高溫蒸汽、熔鹽呈流體狀，主要是流體流動沖擊產(chǎn)生的磨損；而高壓礦漿，雖經(jīng)過研磨但仍具有較大固含，對管道磨損較為嚴重，特別是彎頭處，因為流體轉(zhuǎn)向可能產(chǎn)生較為嚴重的磨損。

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應介質(zhì)溫度下安全工作的要求。

從各部分所需承受的壓力來分析：礦漿一般會加壓到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的內(nèi)壓。

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

2 結(jié)構(gòu)設計分析

套管預熱器的基本結(jié)構(gòu)是雙層管道，內(nèi)管充滿流動礦漿，外管通入熱源，熱量通過管壁傳給礦漿，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，以實現(xiàn)對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、滑動支座，固定支座直接固定與土建基礎上，而滑動支座可在一定范圍內(nèi)與土建基礎產(chǎn)生相對位移。

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，穿過堵板，匯集于變徑管區(qū)域，然后通過彎頭部分導入下一段內(nèi)管，達到連續(xù)加熱過程；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內(nèi)管壁進行，一般以內(nèi)管外壁與熱源接觸面積為計算熱交換面積；外管中充滿熱源介質(zhì)，熱源介質(zhì)經(jīng)外管處熱源進口流入，出口流出，因套管預熱器整個工作流程均是將礦漿逐步升溫過程，為達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，一般人為將加熱過程分為不同階段，每個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，各個加熱階段整體構(gòu)成套管預熱器設備。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、新過熱蒸汽、新蒸汽冷凝水、熔鹽等。

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

圖1 套管預熱器結(jié)構(gòu)圖

圖2 直管段結(jié)構(gòu)圖

1)礦漿預熱器各加熱階段所需總換熱面積。因套管預熱器本身設備功能即通過熱交換使礦漿達到預定溫度，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)傳熱學計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，各階段所有直管長度之和隨之可確定，此為強制性條件，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，當換熱面積確定，所有直管長度之和也隨之確定，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度，同時得到整臺設備需布置直管段根數(shù)；另一方面也可先通過計算得到理論直管長度，根據(jù)直管長度布置生產(chǎn)車間空間布局；通常情況須將空間布局與設備理論長度相互協(xié)調(diào)，以達到經(jīng)濟適用同時又可滿足生產(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度均應相等；但實際工況中因內(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，當力大到一定程度將把堵板拉脫。因直管長度越長，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度。

2.2 彎頭段結(jié)構(gòu)分析

彎頭部分結(jié)構(gòu)見圖3，主要由彎管、法蘭組成；法蘭用于與直管段對應法蘭連接；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，則設備所占空間越少，越有利于生產(chǎn)車間空間布置，但實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。隨著加工工藝進步，彎管可彎半徑越來越小，但因彎管中充滿高壓礦漿，彎管的成型厚度、力化學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性能，同時彎曲過程中很可能產(chǎn)生內(nèi)部缺陷，影響設備使用安全。

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算厚度、腐蝕、磨損等因素，相對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重的多，特別是對于固含較大礦漿。這就導致同樣工況下，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，對于彎頭部分來說，首先必須強制性滿足設備使用要求，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需固定于土建基礎之上，而滑動支撐結(jié)構(gòu)支撐于土建基礎上但不固定，可在一定范圍內(nèi)與土建基礎產(chǎn)生相對滑動。對于含三水鋁石較多的鋁土礦，可在常壓下，150°進行反應，而對于一水硬鋁石和勃姆石含量多的，則需要在加壓進行反應，常用條件為200°～250°，30～40個大氣壓。在和氫氧化鈉反應時，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和氫氧化鈉反應，形成了固體沉淀，留在反應釜底部，它們會被過濾掉，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)則會和氫氧化鈉反應，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，然后過濾除掉，這樣一來，就只有鋁酸鈉留在上清液中。

設置滑動支撐結(jié)構(gòu)是為釋放設備因受熱膨脹而產(chǎn)生的內(nèi)應力，套管預熱器受熱將產(chǎn)生較大的線性變形，滑動支撐結(jié)構(gòu)可釋放該變形，防止因熱變形產(chǎn)生內(nèi)應力。由圖2可知，直管段為管道式設備，當直管中通入礦漿和熱源時，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)生的熱變形及熱應力均很有限，對設備的影響均在許可范圍內(nèi)；但沿直管方向，因其長度至少在60 m以上，甚至可能超過百米，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)生較大的熱應力。一般在結(jié)構(gòu)允許的情況下，如圖1所示固定支座設置在中間部位，當直管受熱產(chǎn)生線性膨脹時，因中間固定將對稱向兩端延伸，則直管端部延伸量只有固定支座設置在端頭的二分之一，可有效減少各滑動支座所需的滑動量，各點滑動支座可滑動范圍不得小于直管處該點可能產(chǎn)出的最大線性形變。

3 設備使用過程分析

在合理滿足生產(chǎn)流程需求、保證設備使用安全的基礎上，降低設備采購施工使用成本是設備的設計基本原則。該文結(jié)合多年來國內(nèi)各大氧化鋁廠對套管預熱器使用情況，分析其在使用過程需注意的共性問題，并給出其對應的設計說明。

3.1 高壓安全問題

因套管預熱器整個工作流程均是高壓高溫環(huán)境，設備的安全必須得到保證，防止產(chǎn)生生產(chǎn)事故整個設備的選材嚴格執(zhí)行國家相關(guān)標準，通過標準要求控制材料性能，對于采購后加工部件嚴格要求其取樣檢測物理化學性能。

合理的設計安全系數(shù)。設計合理考慮安全系數(shù)，在安全系數(shù)范圍內(nèi)合理涵蓋生產(chǎn)中可能產(chǎn)生的壓力溫度波動情況；焊縫無損檢測。焊縫一般為設備可能出現(xiàn)問題的薄弱區(qū)域，對于套管預熱器，要求其對所有焊縫進行100 %無損檢測，防止焊縫出現(xiàn)缺陷；儀器儀表控制。設置安全閥，當生產(chǎn)過程出現(xiàn)意外，實際壓力超過設備允許的安全范圍時，安全閥起跳，保護設備安全。

3.2 結(jié)垢處理問題

管道化溶出也會產(chǎn)生結(jié)疤，管道溶出礦漿在管道中流動速度雖然較高，但在管道中仍有一定的結(jié)疤。對于套管預熱器來說，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。設計方對應控制方法是通過合理的設置設備結(jié)構(gòu)，在結(jié)疤不可避免時，盡可能地使結(jié)疤處理較為方便。套管預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)疤嚴重區(qū)域；同時設置備用直管，在處理結(jié)疤的時候不影響生產(chǎn)。

3.3 熱膨脹問題處理

因套管預熱器從空管到通入礦漿、熱源的啟動過程中沿直管方向線性變形較為嚴重，在設計中通過設置滑動支座，有效釋放沿直管方向線性變形，防止其內(nèi)部產(chǎn)生熱應力。

3.4 熱損失問題

因套管預熱器整個工作過程均是對礦漿加熱過程，熱量需求量相當大，對應熱損失問題也較為嚴重。設計方主要通過合理的設置各階段直管中通入熱源的介質(zhì)和溫度來達到熱源的最有效利用，同時要求在設備外壁嚴格設置保溫層。

4 結(jié) 語

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

對于拉脫力的處理現(xiàn)階段有3種方法：

1)限制直管段長度，將拉托力限制在允許范圍內(nèi)，這樣雖然處理了拉脫力問題，但對設計產(chǎn)生了要求；

2)改變套管預熱器的結(jié)構(gòu)，將直管一端的彎頭設計為含有內(nèi)外管的套管彎頭，同時除去堵板，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)疤清洗帶來相當大的麻煩，拆卸十分麻煩，同時增加設備采購加工成本；

3)在外管處設置箱型伸縮節(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，同時也增加設備成本。

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

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

比較有前景的可以完美的解決以上問題的方法是：近幾年提出的小型機器人應用與生產(chǎn)，通過利用小型機器人進入管道清理結(jié)疤；如其成本能降至人工拆卸清理之下，則上述限制套管預熱器設計的兩個問題均能得到完美的解決。