鋁酸鈉分解序用寬通道板式換熱器的運(yùn)行特性研究及維護(hù)

（上海板換機(jī)械設(shè)備有限公司，上海 金山 201508）

在工業(yè)氧化鋁生產(chǎn)中，鋁酸鈉溶液的穩(wěn)定性極大地制約了其在氫氧化鋁晶種表面的分解速率。降溫制度因其易控性，成為調(diào)控鋁酸鈉溶液分解過(guò)程、提高分解率的最有效手段。但由于拜爾法生產(chǎn)氧化鋁的特殊性，有大量氫氧化鋁結(jié)疤附著在換熱壁面上，這降低了設(shè)備使用性能。

本文將首先介紹鋁酸鈉溶液分解序換熱器內(nèi)結(jié)疤的微觀機(jī)理，然后研究結(jié)疤堵塞流道后寬通道焊接板式換熱器的運(yùn)行特性，最后展望一種換熱器智能維護(hù)系統(tǒng)。

1 換熱器的結(jié)疤機(jī)理

在鋁酸鈉溶液分解序換熱器中，換熱壁面會(huì)發(fā)生結(jié)疤，如圖1所示。這主要是由于換熱壁面熱邊界層內(nèi)的低溫鋁酸鈉溶液會(huì)析出氫氧化鋁細(xì)顆粒，析出的細(xì)顆?；蝠じ接诎迤?，或與邊界層束縛的氫氧化鋁細(xì)粒子附聚并黏附在板片表面，造成了換熱壁面的附聚結(jié)疤。下文將分別介紹氫氧化鋁顆粒的附聚機(jī)理、壁面邊界層捕捉顆粒機(jī)理及鋁酸鈉溶液降溫結(jié)晶機(jī)理。

1.1 附聚機(jī)理

在鋁酸鈉溶液中，小直徑氫氧化鋁顆粒首先通過(guò)碰撞結(jié)合形成的絮凝物，絮凝物通過(guò)附聚再進(jìn)一步粘接形成更結(jié)實(shí)的附聚物。Steemson認(rèn)為附聚主要發(fā)生在粒徑相近的細(xì)顆粒之間，而難以在不同粒徑的顆粒之間發(fā)生[1]。鑒于附聚可以用二元碰撞理論來(lái)解釋，Li計(jì)算了兩個(gè)顆粒的碰撞頻率，結(jié)果表明粗粒之間難以發(fā)生附聚，微粒-粗粒之間盡管碰撞頻率很高，但是由于粗粒種子活性低，微粒-粗粒之間不會(huì)發(fā)生附聚[2]。因此，小于某一臨界尺寸的顆粒中，一部分會(huì)形成附聚體；并且，粒徑越小的相近粒子，附聚效率越高。

圖1 換熱壁面的結(jié)疤

1.2 流體力學(xué)機(jī)理

在鋁酸鈉種分溶液換熱壁面的粘性底層里，顆粒的運(yùn)動(dòng)特性對(duì)鋁酸鈉溶液壁面結(jié)疤具有重要影響。

（1）當(dāng)顆粒尺寸遠(yuǎn)小于邊界層粘性底層厚度時(shí)，顆粒被粘性底層完全束縛，在粘性底層液相的挾裹下以極低的流速運(yùn)動(dòng)（如圖2所示）。

圖2 粘性底層中顆粒速度云圖

1.3 熱力學(xué)機(jī)理

圖3 粘性底層中顆粒溫度云圖

在鋁酸鈉種分溶液降溫過(guò)程中，溫度變化主要發(fā)生在緊貼壁面的薄薄的熱邊界層中。熱邊界層內(nèi)流體溫度近似等于冷卻水溫度，而熱邊界層外部的料漿溫度較高，兩者溫度相差15℃～35℃，如圖3所示。當(dāng)流道中心的部分高溫液相通過(guò)漩渦運(yùn)動(dòng)和分子擴(kuò)散進(jìn)入熱邊界層后，被遽然冷卻。在圖4所示的Na2O-Al2O3-H2O系平衡相圖中，該過(guò)程意味著A點(diǎn)過(guò)飽和度急劇增大，此時(shí)，溶液中將析出Al(OH)3細(xì)顆粒。析出的細(xì)粒子或附聚到壁面上，或與粘性底層低流速細(xì)顆粒附聚并粘附到壁面上，從而造成了換熱壁面的結(jié)疤。

圖4 不同溫度下Na2O-Al2O3-H2O平衡相圖

2 寬通道板式換熱器的運(yùn)行特性

在鋁酸鈉種分溶液降溫過(guò)程中，當(dāng)換熱壁面發(fā)生嚴(yán)重結(jié)疤后，將造成換熱性能和鋁酸鈉溶液分解率降低、換熱壁面的局部磨蝕速率加快和泵耗升高等嚴(yán)重危害搜索，下文將詳細(xì)敘述。

2.1 換熱器性能

對(duì)某寬通道板式換熱器15天的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，總傳熱系數(shù)(K值)、料側(cè)流量(Q)和壓降(P)及其乘積(PQ)除以其運(yùn)行參數(shù)中的最大值獲得了歸一化參數(shù)值，如圖5所示。由圖5可知，隨換熱器的運(yùn)行，料漿流量和K值逐漸減小，料漿阻力和泵耗(PQ)逐漸增大；經(jīng)高溫堿煮后，上述運(yùn)行參數(shù)可恢復(fù)至設(shè)計(jì)值。寬通道板式換熱器的上述運(yùn)行規(guī)律主要是由于換熱壁面發(fā)生的氫氧化鋁附聚結(jié)疤堵塞了部分或整個(gè)流道，引入了附加的局部阻力和局部熱阻所致。

圖5 一換熱器料漿側(cè)操作參數(shù)曲線

圖6 另一換熱器料漿側(cè)操作參數(shù)曲線

圖7 降溫機(jī)制對(duì)分解率和末槽溫度影響曲線

堿煮效果對(duì)換熱器的傳熱性能及其泵耗具有重要影響。對(duì)另一臺(tái)寬通道板式換熱器160天的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，總傳熱系數(shù)(K值)、料側(cè)流量(Q)和壓降(P)及其乘積(PQ)的歸一化參數(shù)值如圖6所示。由圖6可知，料漿流量未發(fā)生顯著變化，但是K值逐漸降低、料漿壓降和泵耗逐漸增大，這表明某些堿煮并不徹底，部分垢層一直存在于換熱壁面上。

2.2 鋁酸鈉溶液分解率

寬通道板式換熱器能幫助業(yè)主在最短的分解停留時(shí)間內(nèi)獲得最高的產(chǎn)出率，提高企業(yè)的經(jīng)營(yíng)利潤(rùn)。由上文可知，換熱器壁面結(jié)疤后將導(dǎo)致?lián)Q熱效率降低，下文將通過(guò)停運(yùn)部分寬通道板式換熱器的方式考察換熱效率下降對(duì)鋁酸鈉分解率的影響。

某氧化鋁廠有2個(gè)生產(chǎn)系列，每個(gè)系列有16臺(tái)分解槽、5臺(tái)寬通道板式換熱器，寬通道板式換熱器分別安裝在4#、6#、8#、10#、12#槽上進(jìn)行降溫，分解時(shí)間48h，精液苛性比1.51。1系列停用4#、8#、12#寬通道板式換熱器（即投用6#、10#槽的寬通道板式換熱器），2系列寬通道板式換熱器全部投用。

圖8 堵塞狀態(tài)時(shí)流道內(nèi)速度和板片磨蝕云圖

對(duì)每個(gè)系列分解槽的溫度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并對(duì)每個(gè)分解槽鋁酸鈉溶液進(jìn)行取樣化驗(yàn)，化驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。由圖7可知，1系列的鋁酸鈉溶液分解率約為45.3%，而2系列的鋁酸鈉溶液經(jīng)過(guò)充分降溫后，分解率可達(dá)49.4%。另外，對(duì)于4#分解槽，使用寬流道板式換熱器降溫后分解率可以達(dá)到37.6%，未使用寬流道板式降溫分解率則為34.5%。由此可見(jiàn)，較低的末溫有利于鋁酸鈉溶液分解，分解率和分解速度隨著鋁酸鈉溶液溫度的升高而降低。

2.3 換熱壁面局部磨蝕

氫氧化鋁在換熱壁面的附聚結(jié)疤會(huì)引起換熱器流道的部分堵塞。假設(shè)疤塊為有一定圓角的長(zhǎng)方體，采用Euler-Euler多相流模型、standard k-ε湍流模型和顆粒動(dòng)理學(xué)模型對(duì)1.2m/s流速工況下疤塊附近流場(chǎng)及板片磨蝕狀況進(jìn)行了數(shù)值模擬，如圖8所示。由圖8可知，流道結(jié)疤后，具有較高固含的料漿會(huì)繞流疤塊，造成嚴(yán)重的板片局部磨蝕，最大磨蝕速率比流道入口的磨蝕速率大10倍左右。由此可見(jiàn)，疤塊后部形成流動(dòng)滯留區(qū)，將引入更大的附聚結(jié)疤和磨蝕傾向，進(jìn)而縮短設(shè)備使用壽命。

3 展望

對(duì)鋁酸鈉降溫用換熱器進(jìn)行量化管理非常具有必要性，成為進(jìn)一步增加業(yè)主經(jīng)營(yíng)利潤(rùn)和延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命亟待解決的課題之一。截至目前，對(duì)鋁酸鈉降溫用換熱器結(jié)疤狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)、精確的監(jiān)測(cè)的技術(shù)鮮少報(bào)道。稠密顆粒液固兩相流技術(shù)的深入研究[5-7]和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，可為鋁酸鈉分解序用寬通道板式換熱器的智能、實(shí)時(shí)和精確維護(hù)的深入發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

介紹了鋁酸鈉溶液降溫用換熱器壁面結(jié)疤的附聚機(jī)理、流體力學(xué)機(jī)理和熱力學(xué)機(jī)理。隨著氫氧化鋁在換熱表面的結(jié)疤，傳熱系數(shù)和流量降低、泵耗和阻力升高。換熱器傳熱系數(shù)降低后，鋁酸鈉溶液分解率會(huì)隨之降低。結(jié)疤也會(huì)造成局部流速過(guò)高，加速板片磨蝕，縮短設(shè)備使用壽命。針對(duì)鋁酸鈉種分溶液降溫用換熱器結(jié)疤危害，展望了一種智能維護(hù)系統(tǒng)方案。