鋁酸鈉分解序用寬通道板式換熱器的運行特性研究及維護

（上海板換機械設備有限公司，上海 金山 201508）

在工業氧化鋁生產中，鋁酸鈉溶液的穩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，成為調控鋁酸鈉溶液分解過程、提高分解率的最有效手段。但由于拜爾法生產氧化鋁的特殊性，有大量氫氧化鋁結疤附著在換熱壁面上，這降低了設備使用性能。

本文將首先介紹鋁酸鈉溶液分解序換熱器內結疤的微觀機理，然后研究結疤堵塞流道后寬通道焊接板式換熱器的運行特性，最后展望一種換熱器智能維護系統。

1 換熱器的結疤機理

在鋁酸鈉溶液分解序換熱器中，換熱壁面會發生結疤，如圖1所示。這主要是由于換熱壁面熱邊界層內的低溫鋁酸鈉溶液會析出氫氧化鋁細顆粒，析出的細顆粒或黏附于板片上，或與邊界層束縛的氫氧化鋁細粒子附聚并黏附在板片表面，造成了換熱壁面的附聚結疤。下文將分別介紹氫氧化鋁顆粒的附聚機理、壁面邊界層捕捉顆粒機理及鋁酸鈉溶液降溫結晶機理。

1.1 附聚機理

在鋁酸鈉溶液中，小直徑氫氧化鋁顆粒首先通過碰撞結合形成的絮凝物，絮凝物通過附聚再進一步粘接形成更結實的附聚物。Steemson認為附聚主要發生在粒徑相近的細顆粒之間，而難以在不同粒徑的顆粒之間發生[1]。鑒于附聚可以用二元碰撞理論來解釋，Li計算了兩個顆粒的碰撞頻率，結果表明粗粒之間難以發生附聚，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-粗粒之間不會發生附聚[2]。因此，小于某一臨界尺寸的顆粒中，一部分會形成附聚體；并且，粒徑越小的相近粒子，附聚效率越高。

圖1 換熱壁面的結疤

1.2 流體力學機理

在鋁酸鈉種分溶液換熱壁面的粘性底層里，顆粒的運動特性對鋁酸鈉溶液壁面結疤具有重要影響。

（1）當顆粒尺寸遠小于邊界層粘性底層厚度時，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動（如圖2所示）。

圖2 粘性底層中顆粒速度云圖

1.3 熱力學機理

圖3 粘性底層中顆粒溫度云圖

在鋁酸鈉種分溶液降溫過程中，溫度變化主要發生在緊貼壁面的薄薄的熱邊界層中。熱邊界層內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。當流道中心的部分高溫液相通過漩渦運動和分子擴散進入熱邊界層后，被遽然冷卻。在圖4所示的Na2O-Al2O3-H2O系平衡相圖中，該過程意味著A點過飽和度急劇增大，此時，溶液中將析出Al(OH)3細顆粒。析出的細粒子或附聚到壁面上，或與粘性底層低流速細顆粒附聚并粘附到壁面上，從而造成了換熱壁面的結疤。

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行特性

在鋁酸鈉種分溶液降溫過程中，當換熱壁面發生嚴重結疤后，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重危害搜索，下文將詳細敘述。

2.1 換熱器性能

對某寬通道板式換熱器15天的運行數據進行統計分析，總傳熱系數(K值)、料側流量(Q)和壓降(P)及其乘積(PQ)除以其運行參數中的最大值獲得了歸一化參數值，如圖5所示。由圖5可知，隨換熱器的運行，料漿流量和K值逐漸減小，料漿阻力和泵耗(PQ)逐漸增大；經高溫堿煮后，上述運行參數可恢復至設計值。寬通道板式換熱器的上述運行規律主要是由于換熱壁面發生的氫氧化鋁附聚結疤堵塞了部分或整個流道，引入了附加的局部阻力和局部熱阻所致。

圖5 一換熱器料漿側操作參數曲線

圖6 另一換熱器料漿側操作參數曲線

圖7 降溫機制對分解率和末槽溫度影響曲線

堿煮效果對換熱器的傳熱性能及其泵耗具有重要影響。對另一臺寬通道板式換熱器160天的運行數據進行統計分析，總傳熱系數(K值)、料側流量(Q)和壓降(P)及其乘積(PQ)的歸一化參數值如圖6所示。由圖6可知，料漿流量未發生顯著變化，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主在最短的分解停留時間內獲得最高的產出率，提高企業的經營利潤。由上文可知，換熱器壁面結疤后將導致換熱效率降低，下文將通過停運部分寬通道板式換熱器的方式考察換熱效率下降對鋁酸鈉分解率的影響。

某氧化鋁廠有2個生產系列，每個系列有16臺分解槽、5臺寬通道板式換熱器，寬通道板式換熱器分別安裝在4#、6#、8#、10#、12#槽上進行降溫，分解時間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 堵塞狀態時流道內速度和板片磨蝕云圖

對每個系列分解槽的溫度進行統計并對每個分解槽鋁酸鈉溶液進行取樣化驗，化驗結果如圖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過充分降溫后，分解率可達49.4%。另外，對于4#分解槽，使用寬流道板式換熱器降溫后分解率可以達到37.6%，未使用寬流道板式降溫分解率則為34.5%。由此可見，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疤會引起換熱器流道的部分堵塞。假設疤塊為有一定圓角的長方體，采用Euler-Euler多相流模型、standard k-ε湍流模型和顆粒動理學模型對1.2m/s流速工況下疤塊附近流場及板片磨蝕狀況進行了數值模擬，如圖8所示。由圖8可知，流道結疤后，具有較高固含的料漿會繞流疤塊，造成嚴重的板片局部磨蝕，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，疤塊后部形成流動滯留區，將引入更大的附聚結疤和磨蝕傾向，進而縮短設備使用壽命。

3 展望

對鋁酸鈉降溫用換熱器進行量化管理非常具有必要性，成為進一步增加業主經營利潤和延長設備使用壽命亟待解決的課題之一。截至目前，對鋁酸鈉降溫用換熱器結疤狀況進行實時、精確的監測的技術鮮少報道。稠密顆粒液固兩相流技術的深入研究[5-7]和物聯網技術的飛速發展，可為鋁酸鈉分解序用寬通道板式換熱器的智能、實時和精確維護的深入發展奠定堅實基礎。

4 結論

介紹了鋁酸鈉溶液降溫用換熱器壁面結疤的附聚機理、流體力學機理和熱力學機理。隨著氫氧化鋁在換熱表面的結疤，傳熱系數和流量降低、泵耗和阻力升高。換熱器傳熱系數降低后，鋁酸鈉溶液分解率會隨之降低。結疤也會造成局部流速過高，加速板片磨蝕，縮短設備使用壽命。針對鋁酸鈉種分溶液降溫用換熱器結疤危害，展望了一種智能維護系統方案。