淺議化工企業(yè)換熱器結(jié)垢的清理

衡海祥,李吉昌,閆菊芳

(甘肅金昌化學(xué)工業(yè)集團(tuán)有限公司,甘肅 金昌 737009)

淺議化工企業(yè)換熱器結(jié)垢的清理

衡海祥,李吉昌,閆菊芳

(甘肅金昌化學(xué)工業(yè)集團(tuán)有限公司,甘肅 金昌 737009)

合成氨、聯(lián)堿等化工生產(chǎn)中換熱器常出現(xiàn)結(jié)垢現(xiàn)象,分析了換熱器結(jié)垢產(chǎn)生的原因和影響因素,提出如何減少、消除結(jié)垢形成的措施,以及結(jié)垢后幾種常用的清理方法。

換熱器;結(jié)垢;清理

1 換熱器結(jié)垢成因分析

1.1 常見換熱器的類型

在化工廠,換熱器的費(fèi)用約占總費(fèi)用的10%～20%,在煉油廠約占總費(fèi)用的35%～40%。我公司購進(jìn)或自己研發(fā)、制造的換熱器有省煤器,煤氣冷卻器,油冷凝器,變換二氧化碳再沸器,壓縮冷排,煤氣過熱器等。

1.2 換熱介質(zhì)的化學(xué)成分對(duì)結(jié)垢形成的影響

水是最常見的換熱介質(zhì),其雜質(zhì)成分對(duì)換熱器結(jié)垢的形成有很大影響,我公司壓縮冷盤、油冷器等嚴(yán)重結(jié)垢就屬于這種現(xiàn)象。具體來說有:以離子或分子狀態(tài)溶解于水中的雜質(zhì):鈣鹽類、鎂鹽類、鈉鹽類;以膠體狀態(tài)存在的雜質(zhì):鐵化合物、微生物、冷卻循環(huán)水中的污泥;來源于空氣中的塵土及補(bǔ)充水中的懸浮物,這些物質(zhì)逐漸沉積在流速較低的換熱器中。另一種是微生物的分泌物與水中泥沙、腐蝕產(chǎn)物、菌藻殘骸黏結(jié)而成的黏垢,常常附著在換熱器壁面上。

1.3 換熱器結(jié)垢的理化性質(zhì)

在受熱面與傳熱表面上沉積的附著物層常稱作水垢。在換熱器中,尤其是壓縮冷盤等循環(huán)冷卻式換熱器中,含有碳酸氫鹽分解產(chǎn)物和微生物污泥。碳酸鹽水垢是循環(huán)冷卻水系統(tǒng)和熱交換器傳熱表面的主要垢種。碳酸鹽水垢的基本性狀:碳酸鹽水垢外觀為白色或灰白色。如果設(shè)備有腐蝕時(shí),會(huì)染上腐蝕產(chǎn)物的顏色。碳酸鹽水垢質(zhì)硬而脆,附著堅(jiān)牢,難以剝離刮除。

1.4 換熱過程中介質(zhì)的流速對(duì)結(jié)垢形成的影響

適當(dāng)提高流體的流速,使流體中的沉積物不易沉積、結(jié)垢,但換熱器的壓降增大;不斷地改變流體的流動(dòng)方向,使流體不停地沖擊換熱管的壁面,讓流體中的各種雜質(zhì)不易在壁面停留;選擇耐腐蝕的光滑材料,也可以減緩污垢的形成。實(shí)踐中,我們常通過壓力差的檢查,判斷換熱器是否結(jié)垢。公司在每次設(shè)備檢修停車前也都這樣做。

1.5 換熱過程中介質(zhì)的溫度對(duì)結(jié)垢形成的影響

換熱器進(jìn)出口溫度的變化直接反映出換熱器換熱能力的變化。當(dāng)傳熱能力低到不能滿足工藝要求時(shí),則應(yīng)通過機(jī)械清洗或化學(xué)清洗提高換熱能力,滿足和維持工藝運(yùn)行的需要。用水作冷卻介質(zhì)時(shí),水的出口溫度最好控制在50℃,因?yàn)槌^50℃會(huì)使管子腐蝕,并使換熱器結(jié)垢嚴(yán)重,影響換熱能力,故出口水溫不要超過65℃。

1.6 換熱器結(jié)構(gòu)形式對(duì)結(jié)垢形成的影響

實(shí)踐中發(fā)現(xiàn),管道的結(jié)構(gòu)形狀對(duì)結(jié)垢有很大影響。例如波紋管管道,它不僅可以迫使流體按規(guī)定路徑多次錯(cuò)流通過管束,使流體的湍流程度持續(xù)得到強(qiáng)化,還能提高傳熱效率,同時(shí)具有很好的防結(jié)垢能力。而我公司壓縮冷盤水箱連接短管管徑小,停車時(shí)就容易形成結(jié)垢。

1.7 局部環(huán)境條件對(duì)結(jié)垢形成的影響

操作溫度高于或低于環(huán)境溫度時(shí),有的換熱器需保溫或保冷,保溫或保冷層的完好狀態(tài)直接影響換熱器傳熱性能。如保溫或保冷層一旦破壞,局部環(huán)境條件發(fā)生變化,也會(huì)加速結(jié)垢的聚集,形成結(jié)垢層。

1.8 換熱器停用對(duì)結(jié)垢形成的影響

公司換熱設(shè)備在每年大修停用期間,如果內(nèi)部的積水或集液未及時(shí)排出或排除不徹底,在相對(duì)靜置的條件下更容易形成結(jié)垢,因而,在設(shè)備停用特別是在較長時(shí)間內(nèi)停用時(shí),應(yīng)注意換熱器的維護(hù)保養(yǎng)。

2 減少、消除結(jié)垢形成的方法

2.1 從設(shè)計(jì)角度減少、消除形成結(jié)垢的條件

換熱器的設(shè)計(jì)是通過計(jì)算確定經(jīng)濟(jì)合理的傳熱面積及換熱器的有關(guān)結(jié)構(gòu)尺寸,以實(shí)現(xiàn)所需的傳熱目的。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),不妨考慮采用特殊結(jié)構(gòu),例如:設(shè)計(jì)能產(chǎn)生湍流的結(jié)構(gòu),重要的換熱設(shè)備也可考慮設(shè)置電子除垢器、反沖洗系統(tǒng)等,如果使用水作為換熱介質(zhì),在考慮腐蝕的情況下,使用防結(jié)垢添加劑等材料,除此之外,遵循簡單的設(shè)計(jì)原則也可減少甚至消除形成結(jié)垢的外部條件,例如:

1)不潔凈和易結(jié)垢的流體宜走管程,因?yàn)楣艹糖逑幢容^方便。

2)流量小或黏度大的流體宜走殼程,因流體在有折流擋板的殼程中流動(dòng),由于流速和流向的不斷改變,即可形成湍流,阻止結(jié)垢形成。

3)腐蝕性的流體宜走管程,以免管子和殼體同時(shí)被腐蝕,且管程便于檢修與更換。

4)被冷卻的流體宜走殼程,可利用殼體對(duì)外的散熱作用,同時(shí)管程結(jié)垢后便于更換。

5)飽和蒸汽宜走殼程,因蒸汽較潔凈,不易結(jié)垢,不需清洗。

流體流速的選擇:流體流速的選擇涉及到傳熱系數(shù)、流動(dòng)阻力及換熱器結(jié)構(gòu)等方面。增大流速,可加大對(duì)流傳熱系數(shù),減少污垢的形成,使總傳熱系數(shù)增大;但同時(shí)使流動(dòng)阻力加大,動(dòng)力消耗增多;選擇高流速,使管子的數(shù)目減小,對(duì)一定換熱面積,不得不采用較長的管子或增加程數(shù),管子太長不利于清洗,單程變?yōu)槎喑淌蛊骄鶄鳠釡夭钕陆?。因?一般需通過多方面權(quán)衡選擇適宜的流速。溫差不大、殼程介質(zhì)結(jié)垢不嚴(yán)重、殼程能采用化學(xué)清洗時(shí),選用固定管板式換熱器。

換熱器形式的選擇:溫差較大時(shí),可選用浮頭式換熱器、“U”形管式換熱器、填料函式換熱器和滑動(dòng)管板式換熱器。要對(duì)殼程進(jìn)行機(jī)械清洗時(shí),選用管束可抽出的結(jié)構(gòu);高溫高壓時(shí),可選用“U”形管式換熱器;殼程介質(zhì)為易燃、易爆、有毒或易揮發(fā),以及使用壓力、溫度較高時(shí),不宜采用填料函式換熱器;管程介質(zhì)和殼程介質(zhì)不允許相混時(shí),可采用雙管板結(jié)構(gòu)的換熱器。

2.2 合理選用換熱介質(zhì)及前期處理方法

對(duì)于循環(huán)冷卻水,應(yīng)定期檢測(cè)水質(zhì),使水質(zhì)符合GB50050-1995《循環(huán)冷卻水的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》,當(dāng)水質(zhì)不能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)時(shí),應(yīng)按國家標(biāo)準(zhǔn)GBJ50-1995《工業(yè)循環(huán)冷卻水處理設(shè)計(jì)規(guī)范》中的方法對(duì)水質(zhì)進(jìn)行處理,這樣能有效防止水垢對(duì)設(shè)備換熱效果的影響。

循環(huán)水系統(tǒng)中所加的藥劑主要是殺菌滅藻劑和緩蝕阻垢劑,其目的是改善循環(huán)水質(zhì),減緩設(shè)備及管道腐蝕,防止換熱器內(nèi)結(jié)垢,加大污垢熱阻。必要時(shí)加硫酸進(jìn)行調(diào)節(jié)pH值,注意循環(huán)水硬度和pH值,及時(shí)調(diào)整阻垢劑和硫酸用量,滅藻劑一般采取沖擊式加入法,在加入滅藻劑的1～2天注意排污。如果有條件可以上軟水處理系統(tǒng),但是滅藻劑是必須添加的,即便如此,一些生物黏泥也會(huì)附著在換熱器上,可以考慮用高壓水進(jìn)行清洗,我們?cè)趯?shí)際生產(chǎn)過程中要嚴(yán)格控制相關(guān)工藝參數(shù),同時(shí)在循環(huán)水系統(tǒng)中不同點(diǎn)懸掛掛片,根據(jù)掛片腐蝕情況對(duì)藥劑加以適當(dāng)調(diào)整。

2.3 從換熱器操作的工藝控制方面減少、消除結(jié)垢形成

換熱器的工藝條件包括傳熱量、流體的熱力學(xué)參數(shù)(溫度、壓力、流量、相態(tài)等)與物理化學(xué)性質(zhì)(密度、黏度、腐蝕性等)。在保證傳熱效能的同時(shí),盡量減少結(jié)垢形成的條件;操作時(shí)要嚴(yán)格按照規(guī)范進(jìn)行,一般做法是:

1)增大傳熱系數(shù)。在綜合考慮流體阻力及不發(fā)生流體誘發(fā)振動(dòng)的前提下,盡量選擇高的流速。

2)提高平均溫差。對(duì)于無相變的流體,盡量采用接近逆流的傳熱方式。因?yàn)檫@樣不僅可提高平均溫差,還有助于減少結(jié)構(gòu)中的溫差應(yīng)力。在條件允許時(shí),可提高熱流體的進(jìn)口溫度或降低冷流體的進(jìn)口溫度。

3)妥善布置傳熱面。例如公司換熱器、冷盤等,采用合適的管間距或排列方式,不僅可以加大單位空間內(nèi)的傳熱面積,還可以改善流體的流動(dòng)特性。錯(cuò)列管束的傳熱方式比并列管束的好。

3 已形成結(jié)垢的清理方法

3.1 化學(xué)方法

化學(xué)方法即利用化學(xué)反應(yīng)清除積垢或利用化學(xué)反應(yīng)使積垢疏松,再用外力清除之。當(dāng)然,對(duì)于化學(xué)方法清洗,最好請(qǐng)有經(jīng)驗(yàn)的專業(yè)公司進(jìn)行,雖然自己清洗成本低,但洗前應(yīng)先分析垢的成分,并制定詳盡的施工方案。清洗時(shí)確保藥液對(duì)換熱管及工藝管線不被侵蝕。

3.2 機(jī)械方法

1)高壓水射流清洗:根據(jù)純堿廠生產(chǎn)特殊性,高壓水射流清洗是專家們一致認(rèn)為純堿及化肥企業(yè)清洗的必由之路。原因如下:

①純堿廠由于所用原材料為食鹽以及化鹽和冷卻用河水,換熱設(shè)備中的結(jié)疤質(zhì)硬、量多,清理困難;

②設(shè)備容積大,化學(xué)清洗成本太高,而且在有的場(chǎng)合下行不通;

③設(shè)備中存在有害氣體,勞動(dòng)環(huán)境惡劣,如除鈣塔內(nèi)有CO、蒸氨塔內(nèi)有氨氣等;

④有些設(shè)備管道,人工無法徹底清洗。

總之,用高壓水射流清洗無環(huán)境污染、不會(huì)腐蝕金屬,成本低、效率高、應(yīng)用范圍廣、節(jié)水節(jié)能。我們一般采用5～10MPa壓力經(jīng)噴槍噴嘴形成強(qiáng)力射流,水量達(dá)80～120L/min,對(duì)垢層進(jìn)行破碎沖刷,達(dá)到清洗目的。

2)用手工清理或用管道機(jī)械清洗刷進(jìn)行清洗:用手工清理或管道機(jī)械清洗刷進(jìn)行清洗管子內(nèi)壁,此法適應(yīng)性較好,可多次清理,但須注意不可對(duì)管壁造成損壞。

實(shí)踐中,我們經(jīng)常遇到在換熱器運(yùn)行中的清垢和停車檢修時(shí)的清垢:

1)操作運(yùn)行中的清垢

為消除換熱器運(yùn)行中結(jié)垢,可定期暫時(shí)地增大流量或進(jìn)行逆流操作,能有效消除管內(nèi)壁的輕質(zhì)附著物,但要在設(shè)備上預(yù)設(shè)逆洗管線;也可用膠球清洗;也可根據(jù)流體種類注入合適的化學(xué)藥劑,將污垢去除。

2)停車時(shí)的清洗

換熱器停車清洗應(yīng)對(duì)不同類型換熱器及結(jié)垢情況采用不同的方法,主要有高壓水射流清洗、化學(xué)清洗與機(jī)械清洗。機(jī)械清洗為人力拉通條或用電動(dòng)鉆頭旋轉(zhuǎn)逐根對(duì)傳熱管進(jìn)行除垢清洗。每次停車檢修后立即清洗效果最好,如壓縮油冷器檢修完應(yīng)及時(shí)清洗,放的時(shí)間長不容易清洗,勞動(dòng)強(qiáng)度大、且易損傷鋼管內(nèi)壁。

總之,在平時(shí)的工作中以有效的技術(shù)和制度化的管理做好換熱設(shè)備的消垢、除垢工作,使其始終處于良好工作狀態(tài),為公司爭取更大的經(jīng)濟(jì)效益。

[1] 秦國志,田志明.工業(yè)清洗及應(yīng)用實(shí)例[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2003

[2] 楊善讓,徐志明.換熱設(shè)備的污垢與對(duì)策[M].北京:北京科學(xué)出版社,1996

[3] 郭泉,王圍玲.換熱器的結(jié)垢[J].遼寧化工,200l

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1005-8370(2011)05-43-03

2010-06-10

衡海祥(1967—),工程師,講師。