余承烈¹，李耀榮¹，董康儒²
（1.山西鋁廠，河津  043300；2.運城市城建局，運城  044000）

　　摘要：氧化鋁循環回水管道堵塞的原因分為設計、施工、現場管理三個方面。采用清濁分流、避免水躍、規范施工、封閉部分檢查井、縮小檢查井井口（筒）、定期刮管措施，解決了循環回水管道堵塞的問題。
　　關鍵詞：鋁廠；循環回水；管道
　　中國分類號：TU991.36
　　文獻標識碼：B
　　文章編號：1009-2455（2000）04-0036-03

　　氧化鋁循環水由母液蒸發、赤泥洗滌等工序冷卻水組成。其中蒸發工序用水占循環水量的60%～80%。由于氧化鋁的生產工藝、管理水平偏低等方面的原因，循環回水管道輸水不暢成為國內氧化鋁生產廠的共性問題。因此，我們將生產實踐中暴露出來的問題加以分析歸納，并將工程實踐中總結出來的解決辦法介紹如下。

1　原因分析

1.1　設計方面
1.1.1　清濁分流不徹底
　　循環水供水用戶包括母液蒸發、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回水，含有大量的懸浮物。例如燒成窯冷卻機排出來的回水SS＞1000mg/L，設計上雖有一次沉淀，由于沉淀池的排泥方式不完善，使大量的懸浮物進入循環回水，垢質中的含鋁化合物就是這種方式帶進去的。還有，當赤泥沉降槽發生懸浮物上浮溢流事故時，大量的料漿短時間內排入循環回水，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間內結垢形成的。
1.1.2　檢查井井筒設計不合理
　　現場的生產實踐證明：循環回水管道在運行中清除堵塞物，恢復輸水能力的有效方法是刮管器刮管。如果定期一年1～2次，將循環回水管道全線用刮管器疏通一遍，則可以大大緩解結垢速度和堵塞程度，不至于造成水流不暢，甚至溢出地面的現象。但是1998年利用刮管器疏通管道時發現：設計時沒有考慮到，當循環回水管道直徑≥800mm時，檢查井的井筒尺寸沒有適當放大，而是按一般的規范和標準圖執行的。當時直徑Φ1000的刮管器從檢查井內放不下去，無法進入管道內。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化為緩流時出現水位升高的一種水力學現象。
　　循環水管道：循環水量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《給水排水設計手冊》^[1]知上游:v=4.75m/s, h/D=0.80，下游:v=2.60m/s，h/D=0.95，根據《水力學》^[2]，判斷急流，緩流的系數——佛羅德數[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。
　　根據此式計算:上游Fr=1.63＞1，下游Fr=0.78＜1。
　　判斷準則:Fr＞1為急流,Fr＜1為緩流。
　　由此判斷此上下游管段之間發生水躍確定無疑。現場測定的結果與計算基本一致：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境，輸水不暢。另外根據《水力學》介紹的圖表(P343)得知：在此井內產生的水躍長度(水平方向)應為下游水深的3倍，即3×0.95×1.5=3.42m這個長度顯然在此井內滿足不了，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　流槽做得不規范
　　《室外排水設計規范》(GBJ 14-87)第3.4.4條中規定：檢查井底宜設流槽，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。現場調查中發現；管徑≤400mm時，一般還有流槽，管徑≥600mm時，井底都是平底，管道也是管底相平連接，這種平底井在循環回水管道中充滿度≥0.5時，就會發生回流、旋流、渦流現象，產生一個水位差，使水流不暢，雖然就單個井來說，這個水位差一般≤5cm，但管線較長時，就會積累成一個大數字，水位差大，說明水流不暢通。這種不做流槽的現象在管徑大的檢查井內還比較普遍。
1.2.2　三通連接不規范
　　氧化鋁生產連續性很強，循環水停產機會很少。有擴建工程時，往往難具備合管、合流的條件，經常采用在現有檢查井外再套一個新井，先接管，后打連接口的方法，一條新建的管道要和運行當中的循環回水管道連接，帶水作業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，在新舊井都會產生旋流和渦流現象，而這些凸出來的墻壁，池壁會阻攔一些水中的懸浮物，進一步加劇水流紊亂程度，甚至產生水位涌高，引起水流不暢。
1.3　現場管理方面
1.3.1　雜物進檢查井、進回水管
　　考察國內氧化鋁工業，氧化鋁廠的生產現場都有一個由臟亂差向干凈整潔的轉變過程。現場檢查井內撈出來的物品看，可以說地面上有啥，檢查井內就會有啥，這些廢棄物，比重大，流動性差，沉積在管道內，占據管道斷面，阻塞水流。
1.3.2　亂排雜水，生成結垢
　　循環水中含有大量的NaOH和Na₂CO₃，最高達4～5g/L，所以不能隨意往循環回水井中排入機械冷卻水，生活雜用水，沖洗地坪水，因為這些水中含有Ca(HCO₃)₂、Mg(HCO₃)₂，一遇到了循環回水，則立即發生如下軟化反應：
　　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，現場檢查也發現，經常排機械冷卻水的地方，結垢最嚴重。

2　解決輸水不暢的方法

2.1　設計方面
2.1.1　將懸浮物截留在源頭。
　　實踐證明，凡是懸浮物高的地方，結垢速度快，對于循環水來講，用戶不一樣，排出來的循環回水水質有區別，因此建議設計時進行清濁分離，采取有效的針對性強的固液分離方式，將大顆粒的懸浮物截留在地面以上，不讓懸浮物進入回水管道。如采用平流沉淀池作為沉淀設施，排泥方式可做成多斗沉淀孔管排泥。
2.1.2　嚴格按規范要求，做好檢查井設計
　　《室外排水設計規范》(GBJ 14-87)第3.4.3條中明確指出：“井口、井筒和井室的尺寸應便于養護和檢修，爬梯和腳窩的尺寸、位置應便于檢修和上下安全。”設計人員在進行循環回水管道設計時，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，有針對性地開展設計。建議：氧化鋁循環回水管道的直徑≥800mm時，可將井筒直徑設計成大于管道直徑的10%，井蓋可用混凝土預制成一個整塊，上面留一Φ700的井口，仍然用標準井蓋，需要用刮管器疏通管道時，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，要計算佛羅德數
　　實踐中遇到1.1.3中敘述到的問題時，因為管道和檢查井已經做成，不易改變，于是在檢查井上游，將管道開口匯出1/3的流量，并同管并行敷設一條明渠引至下游的一個跌落井內，才使問題得到解決。建議在循環水管道設計時，對急流變緩流的管段，坡度較大且拐90°角的管段一定計算水流的佛羅德數，若確認會發生水躍現象，可采取擴大井室消能，做好流槽，降低下游管底標高等做法來解決這一問題。
2.2　施工方面
2.2.1　嚴格按規范施工做好流槽，把好驗收關
　　不做流槽的現象在管徑大的檢查井內還比較普遍，投產初期，循環水量小，這種井內旋流現象也未引起人們的注意。設計人員在循環回水管道施工圖上應明確流槽的做法，施工中嚴格按圖施工，驗收時把好驗收關，對于在役管道沒有流槽的，利用檢修機會補作流槽，以保證井內輸水暢通。
2.2.2　設計預留接水口
　　循環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，帶水作業方法還要再改進再創新。但是作為設計者，在首次設計時，盡量考慮到將來的發展，循環水量增加后管道輸送的合理性，科學性，預留接口位置，給施工和運行帶來方便。
2.3　管理方面
2.3.1?縮小檢查井井筒的直徑，從源頭堵住井內進雜物
　　檢查井越多，井筒直徑越大，進雜物的可能性越大，進雜物的體積也越大。建議在回水管道直徑≤600mm時，檢查井做成卵形檢查井(國家專利96204979.4),卵形檢查井設計合理，可以有效地解決這個問題；另外在個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，檢修時再按坐標打開。實踐證明，這種方法不算很理想，但是很有效，實用。
2.3.2　禁止亂排雜水
　　加強現場管理，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回水管道內結垢，又可以節約用水。

3　效果

　　通過幾年來的努力，不斷地進行循環回水管道的現場治理、改造，已經使氧化鋁循環回水管道輸水不暢的現象得到改觀，原來經常有回水冒出地面，既影響生產，又浪費水量，現在已經沒有這種現象了。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了。檢查井內的水位平均下降了1m多，水躍現象也基本消失了。進雜物也得到控制。盡管這樣，循環水回水管道內仍遺留許多問題沒有解決，寄希望于停產機會時再徹底處理。本文提出的建議可供有關人員在循環水的設計、施工、運行工作中參考。

參考文獻：
　　[1]給水排水設計手冊第一冊[M]．北京：中國建筑工業出版社，1986。
　　[2]周善生．水力學[M].北京:人民教育出版社，1982．

作者簡介：
　　余承烈(1963-),男,高級工程師，工學學士，山西鋁廠機動處，電話:0359-5042002。