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摘要 ：我国氧化铝厂溶出工序经过多年的技术迭代 和升级，大部分溶出工序的加热装置使用套管加热器。目 前普遍采用蒸汽作为热源， 蒸汽来源于氧化铝厂配套的电 厂锅炉，锅炉在启动时可能会吸入空气，锅炉给水若除氧 或除盐不足时也会带入空气和二氧化碳， 这些气体进入到 蒸汽中就会成为不凝气。由于不凝气传热系数很低，随蒸 汽到达溶出加热装置，含有不凝气的区域局部温度降低， 在蒸汽冷凝放热时会起到阻碍作用，降低系统传热系数 ; 不凝气无法冷凝，而且密度低且可压缩，又容易造成蒸汽 系统的水锤和汽锁。目前热静力型排气阀通过精密的温度 感应部件， 感应到局部温度降低即可自动开阀将不凝气排 出，为了减轻不凝气对溶出传热装置的不良影响，应采用 这种自动化设备将不凝气及时从系统内排出， 让系统传热 保持高效率。
关键词 ：氧化铝,溶出,不凝气,热静力排气阀,蒸汽传热系数
在氧化铝厂的溶出工序中，目前普遍采用蒸汽作为 热源，电厂不仅供应全厂电力需求，也为溶出工序提供蒸 汽，蒸汽的产生主要是由动力煤燃烧，将水加热成高压蒸 汽。影响蒸汽凝结传热的因素众多，如若蒸汽中混入空 气、二氧化碳等不凝性气体，将会严重干扰蒸汽的传热传 质过程， 极大地降低凝结传热系数。
1 蒸汽系统中不凝气的产生
氧化铝溶出工序生产过程中，换热设备一般采用间接 换热的套管换热器。蒸汽在整个加热过程中始终处于封闭 状态。不凝气一般是电厂锅炉携带而来或周期性启动时套 管内残存空气。
在蒸汽系统中，不凝结气体主要是空气和二氧化碳。 在蒸汽供热系统的管道和设备中，停汽后残留在管道和 设备中的蒸汽冷凝，变成凝结水，体积减小，在设备和管 道中造成真空，使大量的空气从不严密处吸入管道系统 和设备中。所以系统在重新启动时，内部会充满空气。也 可能是锅炉给水携带空气，或补给水和冷凝水接触空气 从而带入。
蒸汽系统中存在着二氧化碳气体主要是由于在锅炉 给水中含有碳酸盐或重碳酸盐。它随锅炉给水进入锅炉后，在锅炉内的压力和温度下进行分解产生二氧化碳。锅 炉压力越大， 生成的二氧化碳气体量越多。
对于有除盐系统的锅炉给水系统，虽能用二氧化碳除 气器除去一部分二氧化碳气体， 但仍有一部分碳酸钠进入 锅炉，在锅炉运行温度下进行分解。所以，在蒸汽中总是 含有一定量的二氧化碳气体， 但蒸汽在管道系统及设备中 凝结时，由于二氧化碳气体是非凝结性气体，所以就被释 放出来。
2 不凝气的影响
在蒸汽系统的管道和设备中，不凝气以两种形式存 在，一是与蒸汽构成了混合气体，二是不凝气以分离状态 存在于系统中， 分离的不凝气主要聚集在设备的某处。
2.1 蒸汽冷凝的方式
在溶出套管加热装置中，内外套管之间的蒸汽向内管 传热时，热量需经过蒸汽层、水膜层到达内管外壁。蒸汽 与低于相应压力下饱和温度的冷壁面或冷液体相接触时， 就会发生凝结现象。蒸汽释放出气化热并凝结为液体。当 凝结过程在冷壁面上进行时，视凝结液体依附壁面的不 同。可分为膜状凝结和珠状凝结两种。
溶出套管内的蒸汽冷凝在开车时局部形成珠状凝结， 但随着大量蒸汽的冷凝，将转化为膜状凝结。凝结液完全 湿润壁面(凝结液和壁面的润湿角 θ < 90°), 并在壁面上 均匀铺展成膜的凝结方式，使套管金属外壁与蒸汽之间被 一层液膜隔开。蒸汽凝结放出的相变热(潜热)须穿过液膜 才能传到冷却壁面上，由于蒸汽凝结为液体的相变热阻通 常较小(表现在气—液界面的温度一般近似等于蒸汽的饱 和温度)，因此这层液膜是膜状凝结传热过程的主要热阻。
一般有相变时传热系数应用努塞尔(Nusself)理论公 式进行核算， 蒸汽在套管内管外壁以膜状冷凝的方式进行 传热。在传热过程中，高温介质传递过程是蒸汽相→液膜 表面→ 固体壁面。被加热流体若是呈湍流状态，液膜厚度 会较层流冷流体状态下薄， 有利于传热。
通过Nusself公式分析，流体的传热系数，温度区间 内流体密度及饱和蒸汽冷凝热在蒸汽和溶出矿浆一定情 况下， 则主要受液膜的影响。
如果液膜中存在不凝气，则相当于在液膜中又存在一个气膜层。事实上空气的热阻为钢铁的 1500倍以上，为水 的20 倍～ 30 倍，此时蒸汽冷凝传热需要多穿过一个气膜 层，在套管外表面形成局部冷态点，如果不凝气聚集则导 致此处热量的传递被阻止，引起加热的不均匀。从Nusself 公式来说，不凝气的存在会极大的降低流体的传热系数 值，从而使蒸汽传热系数降低， 导致传热效率降低。
有实验研究了混合蒸气在水平管内的凝结液流态与 凝结传热性能。结果表明总换热系数随着进口不凝气体含 量的增加而减小 ;增加进口质量流量可以提高换热效率 和总换热系数。
2.2 不凝气降低蒸汽传热能力
(1)分离态不凝气。氧化铝溶出换热套管是间接换热 装置，换热过程中总换热系数决定了蒸汽加热的效率，总 换热系数是衡量热量在介质中传递的性能。而换热过程 中，总换热率可以用传热速率方程式计算，总换热系数越 高则总换热率越高。
而总传热系数与蒸汽侧换热系数、物料侧换热系数、 导热率成正比，提高换热设备两侧传热系数，对于设备传 热效果都能起到促进效果。对于物料侧的传热，属于无相 变的换热过程。传热系数可应用迪特斯(Dittus)和贝尔特 (Boelter)关联式来计算其值。传热系数与雷诺数及普朗特 数正相关，雷诺数越大，普朗特数越大越有利于传热。普 朗特常数与流体定压比热容、流体黏度成正比，与流体导 热系数成反比，当换热装置和物料确定时，其黏度、比热 容，几何尺寸、λ 随流体而定，当流速越大时，雷诺数越 大 ;传热系统也越利于传热。
对于管道内流体，通过雷诺数与阈值2000对比，一般 雷诺数大于2000.可判定此流体处于湍流。而湍流与层流 相比，存在径向脉动，湍流程度越大，径向脉动也越大， 流体质点径向运动越厉害，质点间的碰撞越激烈，这样必 然导致能量交换越快，边界层厚度就越薄，传热阻力就越 小。内部湍流传热更快，使套管内管内外保持较高的温 差，利于蒸汽传热和冷凝。
而且低温物料会高速横向冲刷内壁而清洁换热管内 表面 ;破坏了污垢沉积的条件阻止结疤形成。使得结疤较 薄，热垢层的热阻小。物料侧通过加快流速，提高了传热 系数， 那么整体传热系数决定于高温蒸汽侧传热系数。
对于蒸汽侧来说，分离状态的不凝气若不排除，气体聚 集处可能在管道中形成气阻，阻碍蒸汽冷凝水的流动，而且 其降低了蒸汽的分压力，因而相应地改变了蒸汽的饱和温 度，降低了两侧温差，形成一个局部气膜，导致蒸汽侧传热 系数大幅下降， 从而引起整个传热体系的总传热系数下降。
而且不凝气团一旦过大会导致冷凝水系统水锤及疏 水系统形成气锁效应。
(2)混合态不凝气。蒸汽和不凝气形成的混合气体进 入加热设备后，蒸汽在加热设备表面冷凝，而不凝气则不 能冷凝，就在液膜层内形成局部的小气团，使局部传热增 加一个气膜层，实际套管换热过程中，混合蒸气在管外表 面冷凝， 壁面不凝气质量分数的增加会降低凝结传热系数 而阻碍换热过程。
研究人员对蒸汽 -He、蒸汽 -N2 和蒸汽 -CO2 混合物在 水平管外自然对流条件下的传热传质进行了实验和理论 研究。由于不凝气质量分数的增加减小了混合蒸气与凝结 表面之间的压力和浓度差， 从而减弱了由于对流和扩散而 产生的传热和传质过程， 冷凝传热系数迅速减小。
通过研究表明，不凝气在蒸汽中的两种状态，均会引 起传热效率下降， 分离态不凝气还会引起蒸汽的水锤以及 气锁等危害。
2.3 腐蚀管道和设备，影响电厂
对于蒸汽中的不凝气，应当引起生产企业的重视。在 当今中国氧化铝厂的矿石来源、工厂产能规模、装备水 平、生产工艺流程逐渐趋同的情况下，细节往往决定一个 厂商的竞争力。
若在电厂端排出不凝气，可选择在制水的除氧、除盐 工序，将氧气和二氧化碳尽可能去除。则可以减少水中携 带的不凝气， 减少气体在蒸汽中的比例。
若排出不及时锅炉中的热交换器长期运行受到腐蚀， 其热交换效率会降低，这将导致燃料消耗的增加，从而提 高电厂的运行成本。
其腐蚀机理一般是氧化反应，因不凝气中的空气含有 的氧气溶解于冷凝水中，溶解氧与管道表面的铁发生了电 化学反应，从而反应生成氢氧化铁，氢氧化铁是不溶于水 的，因而被冷凝水冲刷，能阻止腐蚀的氢氧化亚铁实际上 被溶解氧从管道金属表面剥离， 这样溶解氧就加剧了腐蚀。
二氧化碳对管道及设备的腐蚀，表现在二氧化碳溶于 水时，使水的pH值降低， 并相应的使水中氢离子浓度增加， 生成了同样不溶于水的沉淀，钢铁表面形成的碳酸亚铁附 着物并不致密和稳定， 随着蒸汽冷凝水的冲刷也会剥离。
不凝气中的主要成分随着蒸汽长时间对内套管表面 进行腐蚀， 会导致电厂设备表面形成局部腐蚀坑或凹沟。
设备腐蚀和效率降低可能会导致设备停机次数增加， 这将影响电厂的运转率。为了修复或更换受损的设备，电 厂可能需要停机， 这将导致生产损失。
2.4 影响蒸汽输送
由于电厂具有不同功能的配套系统，其本身需要大量 燃料进行运输。一般来说，电厂位于工厂的一角，离氧化 铝使用端有一定的距离， 因此将蒸汽从电厂输送到氧化铝 厂对于整个过程来说非常重要。
不凝气是可以压缩的，其密度低于高压蒸汽，在运输 过程中会造成蒸汽计量的不准确。而且蒸汽管道在输送过 程中会设置疏水阀， 每隔一段距离排放掉输汽过程中产生 的凝结水，有研究表明，分离态不凝气会引起蒸汽的水锤 以及气锁等危害。如不凝气的存在易造成疏水阀的气锁， 导致疏水阀无法顺利打开排水。
而管道中凝结水被高速流动的蒸汽推动积结在一起的 凝结水，使凝结水在管壁和疏水阀及蒸汽使用设备上进行 强烈的撞击，产生水锤作用。当水锤频次高力量大时，会 造成管道弯头和阀门的损伤，给运输管道带来经济损失。 而蒸汽的湿度过大，会加快凝结水的形成，所以疏水阀能 保持正常工作十分重要，排出不凝气降低疏水阀汽锁的发 生是重要手段。疏水阀的锁闭以及水锤等也会给工厂运营 带来损失，会导致设备更换频率提高，蒸汽凝结加快，增 加了运输过程中的蒸汽损耗， 增加了工厂运营成本。
3 不凝气的处置
对于蒸汽中的不凝气，各氧化铝厂目前有几种处置方 式，一种认为其具有较高的温度，这部分热量可以加以利 用 ;而另一种认为其单位体积携带的热量少， 且会造成系 统传热下降， 所以采取直接排放的方式。
3.1 逐级利用不凝气
对其加以利用的思路是不凝气本身温度较高，可以利 用这部分热量。一般是让其随着蒸汽或者矿浆逐级降温释 放热量， 最后收集进入冷却器。
这种做法在压煮器溶出器装置上较为普遍，因为压煮 器上方空间可以存放一定体积的气体， 这部分气体可以对 压煮器的液位起到稳定的作用。
上级压缩器中的不凝汽体通过加热束进行再次加热， 然后与闪蒸器中的低压凝汽一同进入下级压缩器中的加热 束。因为压煮器内矿浆流动速度较慢，不凝气逐级传递对 于加热影响不大， 且可以减少排放所需的疏水阀等设施。
而如今各氧化铝厂已经普遍使用全套管加热装置后， 对于不凝气的利用已经越来越少。原因在第2章已经阐述， 如果还是如压煮器加热装置逐级汇集不凝气，最终可能会 形成分离态不凝气的气团， 影响传热和蒸汽冷凝水流动。
3.2 排出不凝气
在全套管蒸汽加热系统中， 内管的矿浆高速流动， 其运 动状态与高径比很大的压煮器不同，不凝气的存在对于传 热影响十分明显， 各厂普遍采取的方式是及时排出不凝气。
排出不凝气可使用热静力型排气阀或热静力型蒸汽 疏水阀。在需要排出的位置接出排气管，管上安装热静力 型阀可自动排不凝气。
热静力排空气阀，有数种阀型，膜盒式主要动作元件是金属膜盒， 盒内填充液体的汽化温度比水的饱和温度低 的液体，当纯蒸汽包围该密封囊时，内部液体蒸发其压力 使阀门关闭 ;当蒸汽中有空气时，其温度低于纯蒸汽，阀 门自动打开释放空气。当周围为纯蒸汽时阀门又关闭，热 静力排气阀在蒸汽系统运行全程随时自动排除空气。
波纹管式疏水阀的阀芯内充满一种汽化温度低于水 饱和温度的液体。随蒸汽温度变化控制阀门开关，当蒸汽 中含有不凝气时，波纹管内液体较纯蒸汽下体积小，阀芯 在弹簧的弹力下，处于开启位置。当不凝气排出后温度升 高，波纹管内充液开始蒸发膨胀，内压增高，变形伸长， 带动阀芯向关闭方向移动。
双金属片式疏水阀主要部件是双金属片感温元件，随 蒸汽温度升降受热变形，推动阀芯开关阀门。当装置中含 不凝气时， 双金属片弯曲程度变小， 阀芯在弹簧的弹力下， 阀门处于开启位置。当不凝气排出后，温度升高，双金属 片感温器元件开始弯曲变形， 并把阀芯推向关闭位置。
当前氧化铝厂溶出工序采用全套管加热装置时，为了 提高热效率，对不凝气的处置应该采取尽快排出的方式， 因为不凝气的逐级汇集只会让不凝气聚集更多， 阻碍溶出 装置的传热， 提高了生产成本。
3.3 及时排出高温不凝气的益处
如果在供气端能降低电厂因为不凝气的影响导致的 检修频率，则会给整个工厂带来切实的效益，比如运转率 提高一个百分点，则会增加 50 ～ 70 个小时的运行时间， 减少同等甚至更多的检修时间。
根据某厂数据，其需要定期手动排放不凝气，排放后 溶出矿浆预热温度才能迅速上升， 否则预热不佳导致新蒸 汽耗量增加 0.2t/t-Al2O3.若长期忽视不凝气的影响，未能 正确处置，则一个年产2000kt/a 的氧化铝厂，因为这个易 被忽视的因素会多消耗近 6千瓦的能源。所以目前节能降 耗需要关注这些细节， 从中找到提高效益的方法。
4 结论
通过上述各方面的分析， 得出如下结论。
第一，溶出工序新蒸汽一般含不凝气，不凝气在蒸汽 中呈现分离态或混合态。
第二，不凝气在溶出装置中会导致传热效率下降，设 备腐蚀， 产生水锤、气锁等。
第三，目前氧化铝厂对于不凝气的处置有逐级利用和 排出两种方式。
第四，采用热静力式蒸汽排气阀及时排出不凝气有利 于氧化铝厂提高热效率， 降低生产成本。
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