氧化铝循环回水管道输水不畅的原因分析

余承烈¹，李耀荣¹，董康儒²
（1.山西铝厂，河津  043300；2.运城市城建局，运城  044000）

　　摘要：氧化铝循环回水管道堵塞的原因分为设计、施工、现场管理三个方面。采用清浊分流、避免水跃、规范施工、封闭部分检查井、缩小检查井井口（筒）、定期刮管措施，解决了循环回水管道堵塞的问题。
　　关键词：铝厂；循环回水；管道
　　中国分类号：TU991.36
　　文献标识码：B
　　文章编号：1009-2455（2000）04-0036-03

　　氧化铝循环水由母液蒸发、赤泥洗涤等工序冷却水组成。其中蒸发工序用水占循环水量的60%～80%。由于氧化铝的生产工艺、管理水平偏低等方面的原因，循环回水管道输水不畅成为国内氧化铝生产厂的共性问题。因此，我们将生产实践中暴露出来的问题加以分析归纳，并将工程实践中总结出来的解决办法介绍如下。

1　原因分析

1.1　设计方面
1.1.1　清浊分流不彻底
　　循环水供水用户包括母液蒸发、熟料烧成、赤泥洗涤、粗液脱硅等工序。烧成和洗涤工序排出来的循环回水，含有大量的悬浮物。例如烧成窑冷却机排出来的回水SS＞1000mg/L，设计上虽有一次沉淀，由于沉淀池的排泥方式不完善，使大量的悬浮物进入循环回水，垢质中的含铝化合物就是这种方式带进去的。还有，当赤泥沉降槽发生悬浮物上浮溢流事故时，大量的料浆短时间内排入循环回水，从垢层分布中能看出：其中夹杂的比较疏松的垢层就是短时间内结垢形成的。
1.1.2　检查井井筒设计不合理
　　现场的生产实践证明：循环回水管道在运行中清除堵塞物，恢复输水能力的有效方法是刮管器刮管。如果定期一年1～2次，将循环回水管道全线用刮管器疏通一遍，则可以大大缓解结垢速度和堵塞程度，不至于造成水流不畅，甚至溢出地面的现象。但是1998年利用刮管器疏通管道时发现：设计时没有考虑到，当循环回水管道直径≥800mm时，检查井的井筒尺寸没有适当放大，而是按一般的规范和标准图执行的。当时直径Φ1000的刮管器从检查井内放不下去，无法进入管道内。后来决定扒开井筒，既影响路面交通，又造成工程量过大，有时水位高出管顶2m，难度更大。
1.1.3　水跃问题没有考虑到
　　水跃是棱柱型管道(渠道)输水过程中水流由急流转化为缓流时出现水位升高的一种水力学现象。
　　循环水管道：循环水量10000～11000m³/h，圆形混凝土管，非满流，上游管段：Φ1000，i＝1.5%，下游管段Φ 1200，i＝6‰。查《给水排水设计手册》^[1]知上游:v=4.75m/s, h/D=0.80，下游:v=2.60m/s，h/D=0.95，根据《水力学》^[2]，判断急流，缓流的系数——佛罗德数[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。
　　根据此式计算:上游Fr=1.63＞1，下游Fr=0.78＜1。
　　判断准则:Fr＞1为急流,Fr＜1为缓流。
　　由此判断此上下游管段之间发生水跃确定无疑。现场测定的结果与计算基本一致：由于水跃的存在使下游管口淹没在水中，且淹没深度达300～350mm,水位升高，被迫使井口加高出地面1.5m,即使这样，好多杂物仍在此井积存，水流溅出来的浪花迸出井外，既造成水量损失又影响环境，输水不畅。另外根据《水力学》介绍的图表(P343)得知：在此井内产生的水跃长度(水平方向)应为下游水深的3倍，即3×0.95×1.5=3.42m这个长度显然在此井内满足不了，所以必然引起上游的水位涌高，依次上溯，造成水流不畅。
1.2　施工方面
1.2.1　流槽做得不规范
　　《室外排水设计规范》(GBJ 14-87)第3.4.4条中规定：检查井底宜设流槽，污水检查井流槽顶可与0.85倍大管管径处相平，两水(合流)检查井流槽顶可与0.5倍大管径处相平。流槽顶部宽度宜满足检修要求。现场调查中发现；管径≤400mm时，一般还有流槽，管径≥600mm时，井底都是平底，管道也是管底相平连接，这种平底井在循环回水管道中充满度≥0.5时，就会发生回流、旋流、涡流现象，产生一个水位差，使水流不畅，虽然就单个井来说，这个水位差一般≤5cm，但管线较长时，就会积累成一个大数字，水位差大，说明水流不畅通。这种不做流槽的现象在管径大的检查井内还比较普遍。
1.2.2　三通连接不规范
　　氧化铝生产连续性很强，循环水停产机会很少。有扩建工程时，往往难具备合管、合流的条件，经常采用在现有检查井外再套一个新井，先接管，后打连接口的方法，一条新建的管道要和运行当中的循环回水管道连接，带水作业势必造成连接口做得不彻底，留下部分凹凸不平的边缘，这样水流受阻，通水面积小，在新旧井都会产生旋流和涡流现象，而这些凸出来的墙壁，池壁会阻拦一些水中的悬浮物，进一步加剧水流紊乱程度，甚至产生水位涌高，引起水流不畅。
1.3　现场管理方面
1.3.1　杂物进检查井、进回水管
　　考察国内氧化铝工业，氧化铝厂的生产现场都有一个由脏乱差向干净整洁的转变过程。现场检查井内捞出来的物品看，可以说地面上有啥，检查井内就会有啥，这些废弃物，比重大，流动性差，沉积在管道内，占据管道断面，阻塞水流。
1.3.2　乱排杂水，生成结垢
　　循环水中含有大量的NaOH和Na₂CO₃，最高达4～5g/L，所以不能随意往循环回水井中排入机械冷却水，生活杂用水，冲洗地坪水，因为这些水中含有Ca(HCO₃)₂、Mg(HCO₃)₂，一遇到了循环回水，则立即发生如下软化反应：
　　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(见表1)也证明了上述的推断，现场检查也发现，经常排机械冷却水的地方，结垢最严重。

2　解决输水不畅的方法

2.1　设计方面
2.1.1　将悬浮物截留在源头。
　　实践证明，凡是悬浮物高的地方，结垢速度快，对于循环水来讲，用户不一样，排出来的循环回水水质有区别，因此建议设计时进行清浊分离，采取有效的针对性强的固液分离方式，将大颗粒的悬浮物截留在地面以上，不让悬浮物进入回水管道。如采用平流沉淀池作为沉淀设施，排泥方式可做成多斗沉淀孔管排泥。
2.1.2　严格按规范要求，做好检查井设计
　　《室外排水设计规范》(GBJ 14-87)第3.4.3条中明确指出：“井口、井筒和井室的尺寸应便于养护和检修，爬梯和脚窝的尺寸、位置应便于检修和上下安全。”设计人员在进行循环回水管道设计时，一定要考虑到该管道的特殊性，考虑到检修方法和疏通工艺，有针对性地开展设计。建议：氧化铝循环回水管道的直径≥800mm时，可将井筒直径设计成大于管道直径的10%，井盖可用混凝土预制成一个整块，上面留一Φ700的井口，仍然用标准井盖，需要用刮管器疏通管道时，可掀开混凝土盖板将工具放入管道中。
2.1.3　在坡度由大变小时，要计算佛罗德数
　　实践中遇到1.1.3中叙述到的问题时，因为管道和检查井已经做成，不易改变，于是在检查井上游，将管道开口汇出1/3的流量，并同管并行敷设一条明渠引至下游的一个跌落井内，才使问题得到解决。建议在循环水管道设计时，对急流变缓流的管段，坡度较大且拐90°角的管段一定计算水流的佛罗德数，若确认会发生水跃现象，可采取扩大井室消能，做好流槽，降低下游管底标高等做法来解决这一问题。
2.2　施工方面
2.2.1　严格按规范施工做好流槽，把好验收关
　　不做流槽的现象在管径大的检查井内还比较普遍，投产初期，循环水量小，这种井内旋流现象也未引起人们的注意。设计人员在循环回水管道施工图上应明确流槽的做法，施工中严格按图施工，验收时把好验收关，对于在役管道没有流槽的，利用检修机会补作流槽，以保证井内输水畅通。
2.2.2　设计预留接水口
　　循环回水管道新旧管道和流，合叉目前还没有很理想的方法做到不影响水流畅通，带水作业方法还要再改进再创新。但是作为设计者，在首次设计时，尽量考虑到将来的发展，循环水量增加后管道输送的合理性，科学性，预留接口位置，给施工和运行带来方便。
2.3　管理方面
2.3.1?缩小检查井井筒的直径，从源头堵住井内进杂物
　　检查井越多，井筒直径越大，进杂物的可能性越大，进杂物的体积也越大。建议在回水管道直径≤600mm时，检查井做成卵形检查井(国家专利96204979.4),卵形检查井设计合理，可以有效地解决这个问题；另外在个别容易使检查井遭到破坏，或者地面堆积泥土、杂物的地段，将检查井封闭于地面以下，做好隐蔽记录，检修时再按坐标打开。实践证明，这种方法不算很理想，但是很有效，实用。
2.3.2　禁止乱排杂水
　　加强现场管理，合理地将杂水收集，处理后回收，禁止乱排杂水，既可以避免在氧化铝循环回水管道内结垢，又可以节约用水。

3　效果

　　通过几年来的努力，不断地进行循环回水管道的现场治理、改造，已经使氧化铝循环回水管道输水不畅的现象得到改观，原来经常有回水冒出地面，既影响生产，又浪费水量，现在已经没有这种现象了。目前尽管回水管道输水状况仍存在问题，不令人满意，但基本上不影响生产了。检查井内的水位平均下降了1m多，水跃现象也基本消失了。进杂物也得到控制。尽管这样，循环水回水管道内仍遗留许多问题没有解决，寄希望于停产机会时再彻底处理。本文提出的建议可供有关人员在循环水的设计、施工、运行工作中参考。

参考文献：
　　[1]给水排水设计手册第一册[M]．北京：中国建筑工业出版社，1986。
　　[2]周善生．水力学[M].北京:人民教育出版社，1982．

作者简介：
　　余承烈(1963-),男,高级工程师，工学学士，山西铝厂机动处，电话:0359-5042002。