氧化鋁循環(huán)回水管道輸水不暢的原因分析
氧化鋁循環(huán)水由母液蒸發(fā)、赤泥洗滌等工序冷卻水組成。其中蒸發(fā)工序用水占循環(huán)水量的60%～80%。由于氧化鋁的生產(chǎn)工藝、管理水平偏低等方面的原因，循環(huán)回水管道輸水不暢成為國內(nèi)氧化鋁生產(chǎn)廠的共性問題。因此，我們將生產(chǎn)實(shí)踐中暴露出來的問題加以分析歸納，并將工程實(shí)踐中總結(jié)出來的解決辦法介紹如下。
1 原因分析
1.1 設(shè)計(jì)方面
1.1.1 清濁分流不徹底
循環(huán)水供水用戶包括母液蒸發(fā)、熟料燒成、赤泥洗滌、粗液脫硅等工序。燒成和洗滌工序排出來的循環(huán)回水，含有大量的懸浮物。例如燒成窯冷卻機(jī)排出來的回水SS＞1000mg/L，設(shè)計(jì)上雖有一次沉淀，由于沉淀池的排泥方式不完善，使大量的懸浮物進(jìn)入循環(huán)回水，垢質(zhì)中的含鋁化合物就是這種方式帶進(jìn)去的。還有，當(dāng)赤泥沉降槽發(fā)生懸浮物上浮溢流事故時(shí)，大量的料漿短時(shí)間內(nèi)排入循環(huán)回水，從垢層分布中能看出：其中夾雜的比較疏松的垢層就是短時(shí)間內(nèi)結(jié)垢形成的。
1.1.2 檢查井井筒設(shè)計(jì)不合理
現(xiàn)場的生產(chǎn)實(shí)踐證明：循環(huán)回水管道在運(yùn)行中清除堵塞物，恢復(fù)輸水能力的有效方法是刮管器刮管。如果定期一年1～2次，將循環(huán)回水管道全線用刮管器疏通一遍，則可以大大緩解結(jié)垢速度和堵塞程度，不至于造成水流不暢，甚至溢出地面的現(xiàn)象。但是1998年利用刮管器疏通管道時(shí)發(fā)現(xiàn)：設(shè)計(jì)時(shí)沒有考慮到，當(dāng)循環(huán)回水管道直徑≥800mm時(shí)，檢查井的井筒尺寸沒有適當(dāng)放大，而是按一般的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)圖執(zhí)行的。當(dāng)時(shí)直徑Φ1000的刮管器從檢查井內(nèi)放不下去，無法進(jìn)入管道內(nèi)。后來決定扒開井筒，既影響路面交通，又造成工程量過大，有時(shí)水位高出管頂2m，難度更大。
1.1.3 水躍問題沒有考慮到
水躍是棱柱型管道(渠道)輸水過程中水流由急流轉(zhuǎn)化為緩流時(shí)出現(xiàn)水位升高的一種水力學(xué)現(xiàn)象。
循環(huán)水管道：循環(huán)水量10000～11000m3/h，圓形混凝土管，非滿流，上游管段：Φ1000，i＝1.5%，下游管段Φ 1200，i＝6‰。查《給水排水設(shè)計(jì)手冊》知上游:v=4.75m/s, h/D=0.80，下游:v=2.60m/s，h/D=0.95，根據(jù)《水力學(xué)》，判斷急流，緩流的系數(shù)——佛羅德數(shù)[Fr] Fr=v/(gh)0.5
式中:g—重力加速度,m/s2；
v —流速,m/s;
h—水深,m。
根據(jù)此式計(jì)算:上游Fr=1.63＞1，下游Fr=0.78＜1。
判斷準(zhǔn)則:Fr＞1為急流,Fr＜1為緩流。
由此判斷此上下游管段之間發(fā)生水躍確定無疑。現(xiàn)場測定的結(jié)果與計(jì)算基本一致：由于水躍的存在使下游管口淹沒在水中，且淹沒深度達(dá)300～350mm,水位升高，被迫使井口加高出地面1.5m,即使這樣，好多雜物仍在此井積存，水流濺出來的浪花迸出井外，既造成水量損失又影響環(huán)境，輸水不暢。另外根據(jù)《水力學(xué)》介紹的圖表(P343)得知：在此井內(nèi)產(chǎn)生的水躍長度(水平方向)應(yīng)為下游水深的3倍，即3×0.95×1.5=3.42m這個(gè)長度顯然在此井內(nèi)滿足不了，所以必然引起上游的水位涌高，依次上溯，造成水流不暢。
1.2 施工方面
1.2.1 流槽做得不規(guī)范
《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》(GBJ 14-87)第3.4.4條中規(guī)定：檢查井底宜設(shè)流槽，污水檢查井流槽頂可與0.85倍大管管徑處相平，兩水(合流)檢查井流槽頂可與0.5倍大管徑處相平。流槽頂部寬度宜滿足檢修要求，F(xiàn)場調(diào)查中發(fā)現(xiàn)；管徑≤400mm時(shí)，一般還有流槽，管徑≥600mm時(shí)，井底都是平底，管道也是管底相平連接，這種平底井在循環(huán)回水管道中充滿度≥0.5時(shí)，就會發(fā)生回流、旋流、渦流現(xiàn)象，產(chǎn)生一個(gè)水位差，使水流不暢，雖然就單個(gè)井來說，這個(gè)水位差一般≤5cm，但管線較長時(shí)，就會積累成一個(gè)大數(shù)字，水位差大，說明水流不暢通。這種不做流槽的現(xiàn)象在管徑大的檢查井內(nèi)還比較普遍。
1.2.2 三通連接不規(guī)范
氧化鋁生產(chǎn)連續(xù)性很強(qiáng)，循環(huán)水停產(chǎn)機(jī)會很少。有擴(kuò)建工程時(shí)，往往難具備合管、合流的條件，經(jīng)常采用在現(xiàn)有檢查井外再套一個(gè)新井，先接管，后打連接口的方法，一條新建的管道要和運(yùn)行當(dāng)中的循環(huán)回水管道連接，帶水作業(yè)勢必造成連接口做得不徹底，留下部分凹凸不平的邊緣，這樣水流受阻，通水面積小，在新舊井都會產(chǎn)生旋流和渦流現(xiàn)象，而這些凸出來的墻壁，池壁會阻攔一些水中的懸浮物，進(jìn)一步加劇水流紊亂程度，甚至產(chǎn)生水位涌高，引起水流不暢。
1.3 現(xiàn)場管理方面
1.3.1 雜物進(jìn)檢查井、進(jìn)回水管
考察國內(nèi)氧化鋁工業(yè)，氧化鋁廠的生產(chǎn)現(xiàn)場都有一個(gè)由臟亂差向干凈整潔的轉(zhuǎn)變過程，F(xiàn)場檢查井內(nèi)撈出來的物品看，可以說地面上有啥，檢查井內(nèi)就會有啥，這些廢棄物，比重大，流動性差，沉積在管道內(nèi)，占據(jù)管道斷面，阻塞水流。
1.3.2 亂排雜水，生成結(jié)垢
循環(huán)水中含有大量的NaOH和Na2CO3，最高達(dá)4～5g/L，所以不能隨意往循環(huán)回水井中排入機(jī)械冷卻水，生活雜用水，沖洗地坪水，因?yàn)檫@些水中含有Ca(HCO3)2、Mg(HCO3)2，一遇到了循環(huán)回水，則立即發(fā)生如下軟化反應(yīng)：
Ca(HCO3)2+2NaOH→CaCO3↓+Na2CO3+2H2O
Mg(HCO3)2+2NaOH→Mg(OH)2↓+Na2CO3+H2O+CO2↑
分析下水管道中垢的主要成分(見表1)也證明了上述的推斷，現(xiàn)場檢查也發(fā)現(xiàn)，經(jīng)常排機(jī)械冷卻水的地方，結(jié)垢最嚴(yán)重。
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2 解決輸水不暢的方法
2.1 設(shè)計(jì)方面
2.1.1 將懸浮物截留在源頭。
實(shí)踐證明，凡是懸浮物高的地方，結(jié)垢速度快，對于循環(huán)水來講，用戶不一樣，排出來的循環(huán)回水水質(zhì)有區(qū)別，因此建議設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行清濁分離，采取有效的針對性強(qiáng)的固液分離方式，將大顆粒的懸浮物截留在地面以上，不讓懸浮物進(jìn)入回水管道。如采用平流沉淀池作為沉淀設(shè)施，排泥方式可做成多斗沉淀孔管排泥。
2.1.2 嚴(yán)格按規(guī)范要求，做好檢查井設(shè)計(jì)
《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》(GBJ 14-87)第3.4.3條中明確指出：“井口、井筒和井室的尺寸應(yīng)便于養(yǎng)護(hù)和檢修，爬梯和腳窩的尺寸、位置應(yīng)便于檢修和上下安全。”設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行循環(huán)回水管道設(shè)計(jì)時(shí)，一定要考慮到該管道的特殊性，考慮到檢修方法和疏通工藝，有針對性地開展設(shè)計(jì)。建議：氧化鋁循環(huán)回水管道的直徑≥800mm時(shí)，可將井筒直徑設(shè)計(jì)成大于管道直徑的10%，井蓋可用混凝土預(yù)制成一個(gè)整塊，上面留一Φ700的井口，仍然用標(biāo)準(zhǔn)井蓋，需要用刮管器疏通管道時(shí)，可掀開混凝土蓋板將工具放入管道中。
2.1.3 在坡度由大變小時(shí)，要計(jì)算佛羅德數(shù)
實(shí)踐中遇到1.1.3中敘述到的問題時(shí)，因?yàn)楣艿篮蜋z查井已經(jīng)做成，不易改變，于是在檢查井上游，將管道開口匯出1/3的流量，并同管并行敷設(shè)一條明渠引至下游的一個(gè)跌落井內(nèi)，才使問題得到解決。建議在循環(huán)水管道設(shè)計(jì)時(shí)，對急流變緩流的管段，坡度較大且拐90°角的管段一定計(jì)算水流的佛羅德數(shù)，若確認(rèn)會發(fā)生水躍現(xiàn)象，可采取擴(kuò)大井室消能，做好流槽，降低下游管底標(biāo)高等做法來解決這一問題。
2.2 施工方面
2.2.1 嚴(yán)格按規(guī)范施工做好流槽，把好驗(yàn)收關(guān)
不做流槽的現(xiàn)象在管徑大的檢查井內(nèi)還比較普遍，投產(chǎn)初期，循環(huán)水量小，這種井內(nèi)旋流現(xiàn)象也未引起人們的注意。設(shè)計(jì)人員在循環(huán)回水管道施工圖上應(yīng)明確流槽的做法，施工中嚴(yán)格按圖施工，驗(yàn)收時(shí)把好驗(yàn)收關(guān)，對于在役管道沒有流槽的，利用檢修機(jī)會補(bǔ)作流槽，以保證井內(nèi)輸水暢通。
2.2.2 設(shè)計(jì)預(yù)留接水口
循環(huán)回水管道新舊管道和流，合叉目前還沒有很理想的方法做到不影響水流暢通，帶水作業(yè)方法還要再改進(jìn)再創(chuàng)新。但是作為設(shè)計(jì)者，在首次設(shè)計(jì)時(shí)，盡量考慮到將來的發(fā)展，循環(huán)水量增加后管道輸送的合理性，科學(xué)性，預(yù)留接口位置，給施工和運(yùn)行帶來方便。
2.3 管理方面
2.3.1縮小檢查井井筒的直徑，從源頭堵住井內(nèi)進(jìn)雜物
檢查井越多，井筒直徑越大，進(jìn)雜物的可能性越大，進(jìn)雜物的體積也越大。建議在回水管道直徑≤600mm時(shí)，檢查井做成卵形檢查井(國家專利96204979.4),卵形檢查井設(shè)計(jì)合理，可以有效地解決這個(gè)問題；另外在個(gè)別容易使檢查井遭到破壞，或者地面堆積泥土、雜物的地段，將檢查井封閉于地面以下，做好隱蔽記錄，檢修時(shí)再按坐標(biāo)打開。實(shí)踐證明，這種方法不算很理想，但是很有效，實(shí)用。
2.3.2 禁止亂排雜水
加強(qiáng)現(xiàn)場管理，合理地將雜水收集，處理后回收，禁止亂排雜水，既可以避免在氧化鋁循環(huán)回水管道內(nèi)結(jié)垢，又可以節(jié)約用水。
3 效果
通過幾年來的努力，不斷地進(jìn)行循環(huán)回水管道的現(xiàn)場治理、改造，已經(jīng)使氧化鋁循環(huán)回水管道輸水不暢的現(xiàn)象得到改觀，原來經(jīng)常有回水冒出地面，既影響生產(chǎn)，又浪費(fèi)水量，現(xiàn)在已經(jīng)沒有這種現(xiàn)象了。目前盡管回水管道輸水狀況仍存在問題，不令人滿意，但基本上不影響生產(chǎn)了。檢查井內(nèi)的水位平均下降了1m多，水躍現(xiàn)象也基本消失了。進(jìn)雜物也得到控制。盡管這樣，循環(huán)水回水管道內(nèi)仍遺留許多問題沒有解決，寄希望于停產(chǎn)機(jī)會時(shí)再徹底處理。本文提出的建議可供有關(guān)人員在循環(huán)水的設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行工作中參考。
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