淺議化工企業換熱器結垢的清理

衡海祥,李吉昌,閆菊芳

(甘肅金昌化學工業集團有限公司,甘肅 金昌 737009)

淺議化工企業換熱器結垢的清理

衡海祥,李吉昌,閆菊芳

(甘肅金昌化學工業集團有限公司,甘肅 金昌 737009)

合成氨、聯堿等化工生產中換熱器常出現結垢現象,分析了換熱器結垢產生的原因和影響因素,提出如何減少、消除結垢形成的措施,以及結垢后幾種常用的清理方法。

換熱器;結垢;清理

1 換熱器結垢成因分析

1.1 常見換熱器的類型

在化工廠,換熱器的費用約占總費用的10%～20%,在煉油廠約占總費用的35%～40%。我公司購進或自己研發、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 換熱介質的化學成分對結垢形成的影響

水是最常見的換熱介質,其雜質成分對換熱器結垢的形成有很大影響,我公司壓縮冷盤、油冷器等嚴重結垢就屬于這種現象。具體來說有:以離子或分子狀態溶解于水中的雜質:鈣鹽類、鎂鹽類、鈉鹽類;以膠體狀態存在的雜質:鐵化合物、微生物、冷卻循環水中的污泥;來源于空氣中的塵土及補充水中的懸浮物,這些物質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、腐蝕產物、菌藻殘骸黏結而成的黏垢,常常附著在換熱器壁面上。

1.3 換熱器結垢的理化性質

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冷卻式換熱器中,含有碳酸氫鹽分解產物和微生物污泥。碳酸鹽水垢是循環冷卻水系統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。如果設備有腐蝕時,會染上腐蝕產物的顏色。碳酸鹽水垢質硬而脆,附著堅牢,難以剝離刮除。

1.4 換熱過程中介質的流速對結垢形成的影響

適當提高流體的流速,使流體中的沉積物不易沉積、結垢,但換熱器的壓降增大;不斷地改變流體的流動方向,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。實踐中,我們常通過壓力差的檢查,判斷換熱器是否結垢。公司在每次設備檢修停車前也都這樣做。

1.5 換熱過程中介質的溫度對結垢形成的影響

換熱器進出口溫度的變化直接反映出換熱器換熱能力的變化。當傳熱能力低到不能滿足工藝要求時,則應通過機械清洗或化學清洗提高換熱能力,滿足和維持工藝運行的需要。用水作冷卻介質時,水的出口溫度最好控制在50℃,因為超過50℃會使管子腐蝕,并使換熱器結垢嚴重,影響換熱能力,故出口水溫不要超過65℃。

1.6 換熱器結構形式對結垢形成的影響

實踐中發現,管道的結構形狀對結垢有很大影響。例如波紋管管道,它不僅可以迫使流體按規定路徑多次錯流通過管束,使流體的湍流程度持續得到強化,還能提高傳熱效率,同時具有很好的防結垢能力。而我公司壓縮冷盤水箱連接短管管徑小,停車時就容易形成結垢。

1.7 局部環境條件對結垢形成的影響

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

1.8 換熱器停用對結垢形成的影響

公司換熱設備在每年大修停用期間,如果內部的積水或集液未及時排出或排除不徹底,在相對靜置的條件下更容易形成結垢,因而,在設備停用特別是在較長時間內停用時,應注意換熱器的維護保養。

2 減少、消除結垢形成的方法

2.1 從設計角度減少、消除形成結垢的條件

換熱器的設計是通過計算確定經濟合理的傳熱面積及換熱器的有關結構尺寸,以實現所需的傳熱目的。在結構設計時,不妨考慮采用特殊結構,例如:設計能產生湍流的結構,重要的換熱設備也可考慮設置電子除垢器、反沖洗系統等,如果使用水作為換熱介質,在考慮腐蝕的情況下,使用防結垢添加劑等材料,除此之外,遵循簡單的設計原則也可減少甚至消除形成結垢的外部條件,例如:

1)不潔凈和易結垢的流體宜走管程,因為管程清洗比較方便。

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,由于流速和流向的不斷改變,即可形成湍流,阻止結垢形成。

3)腐蝕性的流體宜走管程,以免管子和殼體同時被腐蝕,且管程便于檢修與更換。

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

5)飽和蒸汽宜走殼程,因蒸汽較潔凈,不易結垢,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、流動阻力及換熱器結構等方面。增大流速,可加大對流傳熱系數,減少污垢的形成,使總傳熱系數增大;但同時使流動阻力加大,動力消耗增多;選擇高流速,使管子的數目減小,對一定換熱面積,不得不采用較長的管子或增加程數,管子太長不利于清洗,單程變為多程使平均傳熱溫差下降。因此,一般需通過多方面權衡選擇適宜的流速。溫差不大、殼程介質結垢不嚴重、殼程能采用化學清洗時,選用固定管板式換熱器。

換熱器形式的選擇:溫差較大時,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管板式換熱器。要對殼程進行機械清洗時,選用管束可抽出的結構;高溫高壓時,可選用“U”形管式換熱器;殼程介質為易燃、易爆、有毒或易揮發,以及使用壓力、溫度較高時,不宜采用填料函式換熱器;管程介質和殼程介質不允許相混時,可采用雙管板結構的換熱器。

2.2 合理選用換熱介質及前期處理方法

對于循環冷卻水,應定期檢測水質,使水質符合GB50050-1995《循環冷卻水的水質標準》,當水質不能達到標準時,應按國家標準GBJ50-1995《工業循環冷卻水處理設計規范》中的方法對水質進行處理,這樣能有效防止水垢對設備換熱效果的影響。

循環水系統中所加的藥劑主要是殺菌滅藻劑和緩蝕阻垢劑,其目的是改善循環水質,減緩設備及管道腐蝕,防止換熱器內結垢,加大污垢熱阻。必要時加硫酸進行調節pH值,注意循環水硬度和pH值,及時調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,但是滅藻劑是必須添加的,即便如此,一些生物黏泥也會附著在換熱器上,可以考慮用高壓水進行清洗,我們在實際生產過程中要嚴格控制相關工藝參數,同時在循環水系統中不同點懸掛掛片,根據掛片腐蝕情況對藥劑加以適當調整。

2.3 從換熱器操作的工藝控制方面減少、消除結垢形成

換熱器的工藝條件包括傳熱量、流體的熱力學參數(溫度、壓力、流量、相態等)與物理化學性質(密度、黏度、腐蝕性等)。在保證傳熱效能的同時,盡量減少結垢形成的條件;操作時要嚴格按照規范進行,一般做法是:

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

2)提高平均溫差。對于無相變的流體,盡量采用接近逆流的傳熱方式。因為這樣不僅可提高平均溫差,還有助于減少結構中的溫差應力。在條件允許時,可提高熱流體的進口溫度或降低冷流體的進口溫度。

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的傳熱面積,還可以改善流體的流動特性。錯列管束的傳熱方式比并列管束的好。

3 已形成結垢的清理方法

3.1 化學方法

化學方法即利用化學反應清除積垢或利用化學反應使積垢疏松,再用外力清除之。當然,對于化學方法清洗,最好請有經驗的專業公司進行,雖然自己清洗成本低,但洗前應先分析垢的成分,并制定詳盡的施工方案。清洗時確保藥液對換熱管及工藝管線不被侵蝕。

3.2 機械方法

1)高壓水射流清洗:根據純堿廠生產特殊性,高壓水射流清洗是專家們一致認為純堿及化肥企業清洗的必由之路。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,換熱設備中的結疤質硬、量多,清理困難;

②設備容積大,化學清洗成本太高,而且在有的場合下行不通;

③設備中存在有害氣體,勞動環境惡劣,如除鈣塔內有CO、蒸氨塔內有氨氣等;

④有些設備管道,人工無法徹底清洗。

總之,用高壓水射流清洗無環境污染、不會腐蝕金屬,成本低、效率高、應用范圍廣、節水節能。我們一般采用5～10MPa壓力經噴槍噴嘴形成強力射流,水量達80～120L/min,對垢層進行破碎沖刷,達到清洗目的。

2)用手工清理或用管道機械清洗刷進行清洗:用手工清理或管道機械清洗刷進行清洗管子內壁,此法適應性較好,可多次清理,但須注意不可對管壁造成損壞。

實踐中,我們經常遇到在換熱器運行中的清垢和停車檢修時的清垢:

1)操作運行中的清垢

為消除換熱器運行中結垢,可定期暫時地增大流量或進行逆流操作,能有效消除管內壁的輕質附著物,但要在設備上預設逆洗管線;也可用膠球清洗;也可根據流體種類注入合適的化學藥劑,將污垢去除。

2)停車時的清洗

換熱器停車清洗應對不同類型換熱器及結垢情況采用不同的方法,主要有高壓水射流清洗、化學清洗與機械清洗。機械清洗為人力拉通條或用電動鉆頭旋轉逐根對傳熱管進行除垢清洗。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及時清洗,放的時間長不容易清洗,勞動強度大、且易損傷鋼管內壁。

總之,在平時的工作中以有效的技術和制度化的管理做好換熱設備的消垢、除垢工作,使其始終處于良好工作狀態,為公司爭取更大的經濟效益。

[1] 秦國志,田志明.工業清洗及應用實例[M].北京:化學工業出版社,2003

[2] 楊善讓,徐志明.換熱設備的污垢與對策[M].北京:北京科學出版社,1996

[3] 郭泉,王圍玲.換熱器的結垢[J].遼寧化工,200l

TQ114.15

B

1005-8370(2011)05-43-03

2010-06-10

衡海祥(1967—),工程師,講師。