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氧化铝生产过程中结疤的防治
中州大学
毕业设计（论文）
题目氧化铝生产过程中结疤的防治
学院工程技术学院
专业2008冶金技术
学生姓名冯超锋
指导教师职称高级讲师
评阅教师职称
时间2011年5月10日
目录
摘要6
Abstract7
1引言8
2结疤对生产的危害9
2.1结疤对生产过程的危害9
2.2国内外氧化铝生产过程中对结疤问题的研究10
3影响结疤生成的主要因素12
3.1温度的影响12
3.2矿石的物相组成12
3.3石灰的添加13
3.4溶液中
和
浓度的影响13
3.5矿浆流速的影响14
4.清除结疤的方法15
4.1结疤清除的主要方法15
4.1.1化学清除法15
4.1.2机械清除法15
4.1.3高压水清除法16
4.1.4燃油火法清理脱硅机结疤16
4.2主要生产环节有效清除结疤的方法17
4.2.1硫酸盐结疤溶解性能的试验17
4.2.2原矿浆结疤的清除17
4.2.3溶出管道结疤清除的方法18
4.2.4蒸发器结疤的清除方法18
4.2.5循环水管道结疤的清除方法18
5.防止结疤生成的措施19
5.1原矿浆预脱硅19
5.2分段保温法19
5.3添加晶种法20
5.4添加石灰法20
5.5双流法20
5.6换热器结构及表面处理20
5.7磁场处理21
5.8电场处理21
5.9超声波处理21
6结论21
致谢23
参考文献24
摘要
结疤是指氧化铝生产流程中的湿法生产设备和管道表面上附着的固态物质。
结疤问题是长期困扰氧化铝生产的一大难题。
结疤的存在严重影响了氧化铝生产的各个环节：
导致管道堵塞，使换热器的传热系数严重降低，从而降低设备产能，增加能耗，使生产成本升高。
清理结疤既要花费大量的人力、物力、和财力，还要停产。
本文在通过对国内外氧化铝生产系统结疤问题的研究动态做了全面了解的基础上，掌握了各种结疤的对生产的危害、国内外对结疤问题的研究、结疤规律及影响结疤的主要因素，提出了主要生产环节有效清除结疤的方法和防止结疤生成的措施。
从而达到使设备连续高产稳定运行的目的。
关键词：
氧化生产，结疤，结疤因素，除垢，防垢
Abstract
Scarredreferstotheprocessofaluminaproductionwetproductionequipmentandpipeonthesurfaceofthesolidmaterialattachment.Scarredproblemislongplaguedaluminaproductionadifficultproblem.Scarredhaveseriouslyaffectedeverylinkofaluminaproductionpipelineplugging,makeresultofheattransfercoefficientseverelyreducesheatexchanger,reducingequipmentcapacity,increasetheenergyconsumptionandproductioncostsrise.Cleaningscarredbothwillcostalotofmanpowerandmaterialresources,andfinancialresources,alsoshutdown.Inthispaper,throughthedomesticandinternationalaluminaproductionsystemscarredissuesofresearchdynamicdo,onthebasisofcomprehensiveunderstandingofscarringmasteredavarietyofproductionharm,thestudyofscarringproblemathomeandabroad,andscarredtheregularityandaffectedscarredmainfactors,putforwardthemainproductionlinkseffectivelyeliminatesthemethodsandpreventscarscarformationmeasures.Soastoachievecontinuoushighyieldandstableoperationofequipmentofpurpose.
Keywords:
Aluminaproduction,scarred,Scarredmechanism,dirt-remover,anti-scaling
1引言
我国氧化铝工业正处在空前的繁荣昌盛时期。
氧化铝生产设备的产能和效率严重制约了我国铝行业的发展，而制约氧化铝行生产设备产能和效率的一个重要因素就是生产过程中各个环节的结疤。
氧化铝生产各个环节的结疤，致使管道堵塞，换热器传热系数严重降低，从而降低了设备产能，增加了能耗。
结疤厚度达到1mm，所需热交换面积将增加一倍。
而且结疤成分复杂并具有一定的硬度，难以清理，清理结疤不仅要花费大量的人力、物力、和财力，还要停产，有些设备比如溶出管道、蒸发器等大清理费用又高，而且会降低设备的寿命。
这使得我国氧化铝的生产成本会进一步提高，企业经济效益降低，氧化铝产品质量竞争力变差。
因此，我国氧化铝生产过程的结疤问题已成为一个不可忽视的问题。
结疤受多方面因素的影响，是各种条件共同影响的结果。
它与温度、矿石的物相组成、石灰的添加、溶液中Al2O3和SiO2浓度的影响、矿浆流速等多方面因素的影响。
本文从氧化铝生产过程中结疤的对生产的危害、影响结疤生成的主要因素和常用清除结疤的方法中总结出氧化铝生产过程中主要环节有效清除结疤的方法和防治结疤生成的措施。
2
结疤对生产的危害
2.1结疤对生产的危害
氧化铝生产过程中的结疤（又称结垢）是指在湿法生产装置表面上附着的、坚硬的固态物质。
设备表面上的结疤，将降低热交换设备的传热系数，减小设备的有效容积，降低设备产能，影响设备稳定运行；工艺管道中的结疤，将减小管道的截面积，降低管道的输送量；仪表上的结疤，是测量数据不准等等。
清理结疤，既要花费大量的人力、物力和财力，还要停产。
因此，结疤给生产造成极大的危害，减轻和防治结疤显得尤为重要。
根据结疤的来源及其物理化学性质不同，可将结疤的矿物成份分为四大类。
（1）因溶液分解而产生，以Al（OH）3为主。
主要在赤泥分离沉降槽、赤泥洗涤沉降槽、分解槽等槽体的器壁、配套设备的内壁及其输送管道的内壁上。
视控制条件的不同，可以是三水铝石、拜耳石、诺尔石、一水软铝石及胶体。
（2）由溶液脱硅以及铝土矿与溶液间反应而产生，如钠硅渣、水化石榴石等。
主要在矿浆预热，溶出过程及母液蒸发过程中出现。
其晶体形态与温度、溶液组成、时间等多种因素有关。
（3）因铝土矿中含钛矿物在拜耳法高温溶出过程中与添加剂及溶液反应而生成。
主要为钛酸钙和羟基钛酸钙，主要在高温区生成。
（4）除上述三种以外的结疤成份，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。
结疤的危害主要有四个方面：
1结疤的导热系数非常小，使传热系数急剧下降
结疤使热交换设备的传热系数急剧下降，使得热能得不到有效利用，增加了能耗。
据文献报导，当结疤厚度达1mm时，所需热交换面积将增加一倍。
图1.1表明了传热系数K与结疤厚度
及导热系数
（W/m
K）的关系。
例如：
1mm的硅结疤对传热系数K的影响：
K=
（2.1）
式中：
结疤的传热系数，设为0.52W/
；
结疤的厚度，设为1mm；
K
洁净的热交换器的传热系数，设为1700W/
。
图2.1为传热系数K与结疤厚度
及导热系数
（W/m
K）的关系。
图2.1加热表面传热系数K与结疤厚度
及其传热系数
的关系
2结疤是设备的有效容积缩小
分离沉降槽、洗涤沉降槽、分解槽、溶出器等设备有效容积，因结疤的大量生成而减少，并引起设备负荷增加，使设备生产的效率降低，设备产能降低。
3清理结疤需要大量人力、物力
例如清理大型沉降槽、分解槽、蒸发器的结疤，通常采用人工进行清理，劳动强度大，设备损耗达。
在氧化铝生产中，清理沉降槽、分解槽、蒸发器等大型设备的结疤，均要求有备用设备和工作场地，否则，将影响生产的高产稳定运行。
再如选矿拜耳法溶出套管预热器、硅渣输送管道等结疤清理十分麻烦，需要很长时间，严重影响生产。
生产现场经常见到许多结疤严重的管道很难清理只好更换新管。
滤布结垢或被堵塞会使过滤机的产能急剧下降、造成生产波动，最终不得不更换新布。
4结疤引起设备产能下降，能耗和生产成本增加
因此，如何减轻和防治结疤在氧化铝生产过程中显得尤为重要。
2.2国内外氧化铝生产过程中结疤问题的研究
澳大利亚H.Muller-steihagen等对换热表面结疤形成进行了，在强制对流和自蒸发条件下，通过实验研究了拜耳法溶出液的结疤结构，测出传热表面的结疤形成速率与溶出液流速、传热表面温度及SiO2浓度有关。
日本K.Yamada等对拜耳法生产中结疤的性质进行了研究，指出在溶出过程中，热交换器表面上的方钠石结疤会降低传热效率。
传热效率随运行时间延长而降低，这和脱硅有关。
前全苏联铝镁设计研究院对溶液的料浆预热器结疤成份进行了研究，证明含水铝硅酸钠是结垢中的主要成分，因此研究工作中的主要精力便集中在防止这种化合物在热交换器形成上。
从而提出了形成结垢的理论基础，并对防止和清理结疤进行了探讨，提出对含硅离子的溶液和料浆进行磁力预处理，可以显著减轻热交换器的结垢，而且其效率会随着磁场强度的增大而提高。
这项研究成果为创建利用电场反复处理溶液和料浆的新方法，新设备提供了依据。
美国C.A.O’NELL对拜耳法工艺中管式加热器由于脱硅产物（硅渣）的结疤引起的总热传导系数随时间降低的问题进行了研究。
前苏联B.JI,Pau3MaH等1986年进行了赤泥晶种对矿浆预热器结疤动力学的影响研究。
提出矿浆中加入赤泥晶种再进入高压溶出器总的预热器，不仅改善了赤泥的沉降性质，而且还降低了在预热器表面结疤的程度。
上世纪九十年代平果分公司进行了“保温反应压煮器加热管束结疤清理方法研究”。
分析了保温反应压煮器管束结疤构成特点及原因，提出了现在直接火烧管束结疤清理方法存在的不足，进行了保温压煮器加热管束结疤适宜的清理方法研究。
山西分公司进行了“碳分蒸发器管束结疤预防和减缓的探讨。
通过对蒸发传热及山西分公司碳分母液蒸发特点的分析，认为预防和减缓碳分蒸发器管束结垢的重点在操作，应控制好水洗、酸洗各环节，以清理和改善为必要的辅助手段，可以取得满意的效果。
河南分公司（原郑州铝厂）字1983年以来进行了”烧结法、拜耳法结疤普查“、抑制蒸发器管道结疤的研究”等大量对结疤的调查研究和实验工作。
但迄今为止人们还无有效的措施消除氧化铝生产过程结疤的生成。
因此如何有效经济地消除结疤很重要。
3结疤产生的主要影响因素
影响结疤生成的因素很多，温度、铝土矿组成、添加剂、生产工艺条件等对结疤的生成及性质都有很大影响。
了解这些因素对结疤的形成规律，可以总结出有效地防治结疤的途径。
3.1温度影响
温度对矿浆中各物质的反应能力、溶解度、结疤物质的组成及状态、结疤速度等都有很大影响。
在一定的加热范围内，有相应的结疤速度和稳定的结疤组成，而且它们直接与温度有关。
别伦斯切因等人据4立方米管道化溶出装置的研究结果认为，在矿浆加热到反应温度的过程中，结疤速度最快的温度范围是160～210摄氏度不同温度下结疤物质不同，而且，这种现象与铝土矿种类无关，而与其生成条件（温度和溶液组成）的变化有关。
据文献报导，在管式反应器中溶出我国一水硬铝石型铝土矿时，结疤物质与温度的关系是：
钙霞石：
在170℃以下大量出现，可达70%，此后随温度升高而减少；
水镁石：
在140～220℃大量生成，高达50%以上，温度超过240℃才显著减少；
水合铝硅酸镁：
在各种温度下都能出现，其量一般不超过20%；
钙钛矿：
在220℃大量生成，可达50%以上；
羟基钛酸钙：
在160～220℃大量生成，可达60%以上，随温度升高而减少，由钙钛矿取代。
水化石榴石：
在各种温度下都能出现，其量一般不超过10%；
赤铁矿：
在各种温度下都存在，其量一般不超过5%。
综上所述，不同温度下的结疤情况：
170℃以下：
主要结疤物质是钙霞石、水镁石，次要的是水合铝硅酸镁、钙钛矿；
160～240℃：
主要结疤物质是水镁石、羟基钛酸钙，次要的是水合铝硅酸镁、钙钛矿、钙霞石；
220℃（240℃）以上，结疤较严重。
主要结疤物质是钙钛矿，次要的是钙霞石、水合铝硅酸镁。
3.2矿石的物相组成
铝土矿的化学成分和矿物组成，会影响到结疤生成的温度范围、物质种类及含量。
矿石中的SiO2，如果以高岭石形态存在，则会在170℃以下的低温区析出结疤；如果是以伊利石、叶蜡石、绿泥石等形态存在，则会在170～220℃大量析出结疤。
以河南、山西、广西平果矿为例说明：
山西矿的二氧化硅主要以高岭石状态存在，故预脱硅率较高，为75%～80%；而河南矿的二氧化硅主要以伊利石状态存在。
，故预脱硅率。
仅为24.2%；平果矿预脱硅率为34.85.
在100～180℃低温段，矿浆流速约为2.0m/s，河南矿在中州分公司选矿拜耳法系统使用一年多，传热效果无明显降低，管壁结疤厚度小于1mm，在高温段（180～265℃）流速不变，一般运行20～30天，结疤厚度2～3mm。
平果矿与河南矿基本类似。
三种矿在210～245℃内结疤最快，三种矿相比，河南矿结疤较快。
这说明矿物组成对结疤的影响较大。
3.3石灰的添加
溶出一水硬铝石型铝土矿必须添加石灰，石灰添加量对结疤速度及其组成有很大的影响。
图3.1为不同温度下石灰添加量对结疤素的影响。
随着石灰添加量的增加，在165～210℃范围内，结疤厚度较少，而在温度245～280℃范围内结疤厚度增加，产生这种现象的原因，主要是由于低、高温下生成的结疤物质种类不同，低温下主要是硅渣和镁渣结疤，高温下主要是钛渣结疤。
图3.1在矿浆加热不同温度范围内结疤析出速度与石灰添加量的关系
注：
温度/℃：
a—160；b—245～280
CaO含量∕％:
1—3.08；2—4.20；3—5.4
3.4溶液中Al2O3和SiO2浓度的影响
结疤速度随溶液中Al2O3浓度的增加而增加。
大量研究表明（图3.2），溶液中SiO2浓度对结疤速度也有很大影响。
在任何温度下，溶液中SiO2浓度增加，结疤加剧。
溶液中Al2O3和SiO2浓度升高是结疤增加的主要原因，他们都有利于硅渣结疤和镁渣结疤的生成。
图3.2结疤强度与溶液中Al2O3含量的关系
注：
1—300℃；2—200℃
不同类型铝土矿的溶出性能，以三水铝石型—一水软铝石型—一水硬铝石型的顺序降低。
因此，在低温下三水铝石型铝土矿中的Al2O3就能溶出，溶液中Al2O3浓度升高，有利于结疤。
在用管式预热器加热一水硬铝石型铝土矿矿浆时，在200℃以下结疤极其轻微，其原因是：
一水硬铝石型铝土矿在低温下难溶出，溶液中的Al2O3浓度低（低于120g/L）.同时，溶出时加了7%左右的石灰，溶液中SiO2浓度低（低于0.7g/L）。
3.5矿浆流速的影响
矿浆流速大，紊乱程度进一步增加，晶核被紊乱的涡流冲离结疤表面，使结疤生长速度降低。
在高流速下，矿浆中的固体粒子，还会将已生成的结疤冲刷掉。
在矿浆流量不变时，随管中结疤增厚，流速增加，这可能就是结疤速度随时间延长降低的原因。
对一水硬铝石型铝土矿矿浆，特别是含有粗大粒子时，流速高会造成管道设备严重磨损，同时增加系统阻力。
此外，流速的选择，是以不磨损设备为前提的，
企图找到一种流速，只让矿浆磨去结疤，而不磨损设备，似乎是不可能的。
结疤中含有水镁石和水合铝硅酸镁愈多，结巴的密度愈小，结疤速度愈快。
4结疤的清理方法
到目前为止，人们对结疤问题进行了大量的研究，提出了各种防止结疤和清除结疤的方法，但这些方法在工业生产中都有这样那样的问题。
因此，总结出有效清除结疤的方法就显得很重要了对于生产。
氧化铝生产流程中各环节的结疤原因不尽相同，如原矿浆结疤、溶出管道结疤、蒸发器结疤、循环水管道结疤等原因及组成就有很大的差别。
根据结疤成分和性质的不同，以及设备大小形状的差异，可以使用各种破坏及清除结疤的方法，总的可分为机械清除法、化学清除法、高压水清除法及热法。
4.1结疤清除的主要方法
4.1.1化学清除法
该发的基本过程是，先对某些结垢成份进行化学溶解，随后人工清除残存的结垢。
化学清除过程最好是在足够高的流速下循环进行。
化学清除法较机械清除法的主要优点在于：
清除效率高，时间短，生产费用最低，被清理设备不需要拆卸接组装，对难以接近的部位也能进行清理，成本不高，缺点是需使用腐蚀性溶剂，会腐蚀管道材料。
化学清除常使用带缓蚀剂的碱性或酸性溶液。
碱清洗法用于溶解分解槽、沉降槽、碳分槽及其它设备中的结垢。
酸清洗法用于清理蒸发器的加热管、板式换热器，而且对于清理铝土矿矿浆预热器的加热表面和清理管道与过滤设备表面等效果最为明显。
酸洗法是化学清除法中的一种，由于其成本低，操作方便而被氧化铝行业广泛采用，但应选择好适当的酸和阻止酸对金属管道腐蚀的缓蚀剂。
一般的结疤可用5%左右的硫酸清洗，在处理含钛酸钙的结疤时，酸中应添加1.5%～2.5%HF。
为避免HF的毒性，可以用NaF来代替，为防止设备被酸腐蚀，酸洗温度不宜过高，不超过60℃，并加入一定量的缓蚀剂。
利用酸泵将酸在要清洗的设备和酸槽之间循环流动，经过30～90min便可使结疤溶解脱落，然后再用清水冲洗。
原矿浆有100℃升温到150℃时，在套管预热器内生成的结疤用草酸加磷酸的混合酸效果最好。
我国铝土矿在高温溶出时的结疤主要是钠硅渣、镁渣和钛渣，采用酸洗和高压水清洗结合法很容易将结疤清除。
4.1.2机械清除法
机械清除法一般常用于清除大容积设备中的结垢，人可以随便接近沉淀物质的表面清理，机械也能够靠近，清除地主要作法是利用风动机械破坏结垢，然后人工将沉淀物彻底清洗干净。
这种方法用于清理赤泥分离沉降槽、洗涤沉降槽、种分槽、碳分槽、铝土矿溶出和溶液脱硅用压煮器、链式搅拌及其它大容积设备。
但机械清除方法不能完全清除掉热交换器加热表面上的结垢，而且，机械清除作业劳动强度大，必须让设备长时间停止运行，因而机械清除法并不是一个很好的方法。
4.1.3高压水清除法
基本原理是：
用特制的水枪喷射出高压水流冲刷结垢的表面。
还有一种特殊的流体力学清除法，其实质是向加热管中连续长时间地通入分离器的废蒸汽，使结垢与金属表面脱离，然后再用高速气液流将沉淀物除掉。
4.1.4燃油火法清理脱硅机结疤
（1）燃油火法清理脱硅结疤机结疤的方法
将一定比例的重油、煤油、柴油一同注入有间接加热环形蒸汽管的油槽，然后通入新蒸汽对混合油进行加热，当加热到一定温度后，开启油泵将加热后的混合油送入循环管路，进入油枪。
通过调节油枪的油阀、风阀，是混合油充分雾化，用乙炔助燃使得混合油燃烧，开始对脱硅机进行加热，钠硅渣结疤受热脱水炸裂而脱落。
燃油火法清理脱硅机结疤的流程图见图4.1。
图4.1燃油火法清理脱硅机结疤的流程图
（2）技术要求
混合油的比例：
重油：
柴油：
煤油=X:
Y:
Z；
混合油的加热温度：
130～140℃；
油泵的出口压力：
0.85±0.05MPa；
压缩风的压力：
0.4±0.005MPa；
乙炔压力：
0.025±0.005MPa；
蒸汽压力：
0.35±0.05MPa；
单台脱硅机的火烧清理时间：
40～50min。
4.2主要生产环节有效清除结疤方法
在氧化铝生产工艺路程中，不同的环节，结疤的物相组成和性质不同，采用清除结疤的方法也不同，下面就从原矿浆结疤、溶出结疤、蒸发器管道结疤及循环水结疤几个方面分别阐述既高效又经济的清除方案。
4.2.1硫酸盐结疤溶解性能的试验
根据调查结果，球磨机分级机和矿浆输送系统的结疤是属于水溶性较大的硫酸盐晶体，其中夹杂一些矿物原料。
分级机的结疤对生产影响极大，人工清理又不方便，如能用水浸泡就方便多了，为此有人对这种结疤进行了溶解性能试验。
试验条件及方法：
用千分之一电子秤称取100g结疤，分别置于50℃～75℃的恒温水浴中的烧杯内浸泡，一定时间后过滤出不溶物，于100℃烘干称量，计算结疤溶化率，计算公式为（100—结疤不溶物重量）/100×100%。
球磨机分级机结疤水溶解测定试验结果见表4.1
表4.1结疤溶化率试验结果（重量%）
由试验结果可以看出分级机结疤应采用温度50℃～75℃，L/S为7.0左右的热水浸泡，这样在3～4小时可以将30mm左右厚的结疤溶化完毕。
溶出液比重在1.11左右，每100克结疤有不溶物5.34～15.58克不等。
约有90%的盐类被溶进入溶液，并测得其50℃使得溶解度是12.95g/100ml水，结疤容重2.41克每立方厘米。
4.2.2原矿浆结疤的清除
通过对拜耳法原矿浆管道及分级机等处结疤的物相及化学成分分析，发现原矿浆结疤主要是硫酸盐结疤以钾钠芒硝的形式析出，原矿浆结疤相对来讲比较疏松，当然清理方法很多，目前，清理管道结疤是采用大锤敲击的方法；分级机是采用风镐来清理分级机叶片间的结疤，清理工作比较繁琐，也不能彻底清除管道和分级机上的结疤，建议用水冲刷、浸泡或将固体结疤清除掉，送烧结法回收Na2O,
也可以利用大功率超声波清洗设备或在管道内和分级机叶片上涂上耐碱耐高温涂料等，以便有效清理或缓解结疤的影响。
4.2.3溶出管道结疤清除的方法
溶出系统结疤主要矿物组成是：
低温预热段—氢氧化镁47.5%，水合铝硅酸钠26.3%，一水硬铝石11%，钙钛矿8.5%，赤泥矿1.5%；高温预热段—磁铁矿29%，钙钛矿22.3%，方铁矿（FeO）21%，氢氧化镁10.1%，赤铁矿3%。
低温预热段结疤表观呈黄色或棕色，厚度1～2mm，层状结构，质硬；高温预热段结疤外观为褐色，厚度1～3mm之间，层状，质脆硬。
根据结疤的组成及特点，其清除有水力冲击法、酸洗法、火烧法等。
其中酸洗法因清洗结疤效果好、成本低、易操作而被广泛使用，尤其适用于清洗已结垢的热交换器管。
酸洗过程在酸与结疤反应的同时，酸也腐蚀钢铁本身。
为了阻止酸洗过程中管道及设备腐蚀，酸洗时，我国氧化铝厂采用加入缓蚀剂（如长鑫缓蚀剂、天津若丁缓蚀剂等）的方法来阻止酸对金属管道的表面的腐蚀。
有文献报道，酸洗时使用长鑫缓蚀剂其缓蚀速率比使用若丁平均降低100多倍，并且清理效果显著，经济效益好。
4.2.4蒸发器结疤的清除方法
碳分蒸发器结疤的主要成分为：
碳酸钠、硫酸钠、二氧化硅及其混合物；种分蒸发器结疤的主要成分为：
水合铝硅酸钠（钠硅渣）。
目前我国蒸发器结疤的清除一般采用水煮法和酸洗法。
水煮法是指在蒸发器生产一周后，采用通入适量的新蒸汽加水循环溶解加热管壁上的可溶盐。
酸洗法是指在蒸发器生产一个月后，用5%左右的稀硫酸在蒸发器内循环清洗加
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