低溫多效海水淡化裝置中污垢的形成

歐 佳，宋雪峰，李夢學

(天津國投津能發電有限公司，天津 300480)

海水淡化作為水源水，是解決水危機的一條非常有效且極具發展前景的途徑[1-2]。目前，海水淡化技術處于起步階段，主要有膜法和熱法兩大類。膜法主要包括反滲透和電滲析等方法(本文不進行討論);熱法主要包括多級閃蒸、多效蒸發和蒸汽壓縮等方法[3-6]。而熱法在換熱面極易產生污垢現象，換熱器中的污垢是指在與流體相接觸的換熱面上沉積的一層固態物質，這種物質會使換熱設備的傳熱能力大大降低，介質流動阻力大大增加，不但增加了企業的經濟損失，而且降低了設備的安全性能[7]。因此，為了有效地去除這種污垢和了解形成污垢的過程，本文通過模擬低溫多效海水淡化裝置中第一效的運行工況(實際運行中，污垢在第一效蒸發器顯現最為嚴重)，以現場運行的海水為研究對象，采用X射線相解析(XRD)、掃描電鏡(SEM)和涂層測厚技術，對其進行了具體研究。

1 實驗方法

1.1 實驗系統

實驗系統由效體段、冷凝段、干燥段和抽真空段4部分組成，如圖1所示。效體段以恒溫水在管道內循環，溫度儀與恒溫水箱加熱裝置聯鎖，以自動實現進入管道內的水溫與蒸汽溫度相同;海水進水流速與生產中的流速一致，2.2 m/s。冷凝段用于將效體段抽出的水蒸氣冷凝為液態水，由循環冷卻裝置和冷凝器組成。干燥段是由填充無水氯化鈣的干燥塔和淡化水出水調節閥組成。抽真空段由真空泵和調節閥組成，用于抽真空，使效體段內部的真空值與生產運行中的真空值一致，調節閥用于對效體段的真空度進行調整。

圖1 實驗系統示意圖

1.2 實驗原理

模擬生產中海水淡化第一效蒸發器裝置，效體段內換熱管為10根內徑25 mm，壁厚0.5 mm長2 000 mm的鈦鋼管。實驗開始后，每隔設定的時間，取出一根鈦鋼管，用涂層測厚儀對鈦鋼表面的垢層厚度進行檢測;用掃描電鏡(SU-70，日本日立)對污垢進行表面形貌觀察，以區分不同析出條件下的外觀特征;用X射線射線儀(XD-D1，日本島津)進行X射線分析，以區分相分組成。用酸洗的方法，對鈦鋼管表面的碳酸鈣污垢進行清洗。

1.3 實驗參數

某電廠海水淡化設備運行時，一般采取蒸汽品位相對較低的六抽蒸汽，運行的各種參數及出力具有可調節性，具體參數如表1所示。

表1 海淡設備首效運行參數

本實驗采用比較接近運行平均值的參數，如表2所示。

表2 實驗運行參數

進料海水主要鹽類組成如表3所示。

表3 進料海水主要鹽類組成

由表3可見，海水中含有豐富的化學資源，但其巨量的鈣鎂離子所形成的碳酸鹽、碳酸氫鹽、硫酸鹽、氯化物等導致海水具有很高的硬度，淡化過程中極易生成污垢。碳酸鈣垢與硫酸鈣垢是最常見的兩種污垢。本實驗通過對設備運行中產生的污垢滴加稀鹽酸，發現污垢溶解且有微小氣泡產生，經測試，確定為碳酸鈣污垢，這與文獻中85℃以下形成碳酸鈣垢的傾向大的結論相符[8]。

2 實驗結果及討論

2.1 海水淡化設備CaCO3污垢形成規律探索

污垢形成規律實驗共設置了兩組，每組的區別在于取出鈦鋼管的間隔時間不同。第一組每隔24 h取出一根鈦鋼管，共計時間216 h，具體數據如圖2所示。

圖2 CaCO3污垢厚度時間變化圖

由圖2分析知，前75 h的時，鈦鋼管表面CaCO3污垢一直保持增長狀態;72 h之后，污垢的厚度不在增長，基本維持在580 μm左右，120 h后有略微下降的趨勢。因此，第二組實驗改變取出鈦鋼管的間隔時間，每隔10 h取出一根鈦鋼管，共計100 h，具體數據如圖3所示。

圖3 CaCO3污垢厚度時間變化圖

由圖3分析得知，鈦鋼管表面CaCO3污垢隨著時間的推移，厚度在不斷地增加，在第60 h的時候，污垢的厚度達到了最大值，約為585 μm。

實驗結果表明，60 h的時候CaCO3污垢在管壁形成，并達到一定的厚度，在這之后，厚度基本上維持不變。

2.2 CaCO3污垢外觀特征分析

用掃描電鏡對鈦鋼管表面析出的CaCO3污垢進行了掃描分析，結果如圖4所示。

圖4 CaCO3污垢的SEM形貌

通過對管道表面的SEM分析，可以直觀的看到污垢顆粒在管道表面的附著情況(見圖4)。實驗條件下，CaCO3在鈦鋼管表面形成的污垢結構較為疏松，或者可以直接說是由大顆粒直接附著了小顆粒形成的垢層。

2.3 XRD分析

碳酸鈣污垢常見的晶相有3種:方解石、球霰石和文石。用X射線對析出的CaCO3污垢進行衍射，分析污垢的相分組成，結果如圖5所示。

圖5 CaCO3污垢的X射線衍射結果

由圖5可以看到，CaCO3污垢的主要晶相為方解石和少量的文石。方解石和文石的相對含量可按如下公式計算[8]。

式中:ωa為主峰位于27.1°的斜方晶結構的文石質量分數，ωb為六方晶結構的主峰在29.7°的方解石的質量分數，Ia和Ib分別為27.1°和29.7°的衍射強度。

計算得出，污垢中方解石的質量分數為68.17%，文石的質量分數為14.22%。

實驗結果表明，污垢中方解石的含量較高。一般情況下方解石在較高的溫度而文石在較低的溫度下形成，理論上在低于75℃、壓力120 mmHg的海水淡化設備中利于文石的形成，但是文石的性質極不穩定，極易轉變成方解石且不可逆，因此造成了方解石的含量遠遠大于文石的含量。方解石遇酸即起泡溶解，這對設備的酸洗效果極為有利。

2.4 CaCO3污垢的清洗

酸洗是去除金屬表面氧化層和污垢的最有效的化學清洗工序。某電廠通過設備的產水比對換熱效果進行判斷，當產水比低于進氣量產水比最低限時打開人口門檢查換熱管表面結垢情況，確定是否需要酸洗。酸洗洗劑采用的是加有含氮化合物緩蝕劑的硫酸酸洗劑;運行方式是用工業水稀釋配置成20%的微酸性(pH為6.2～6.7)水溶液，與海水一起在海水淡化系統中進行循環4 h，之后停止酸洗劑加入，用海水進行沖洗，排出系統外，從而對管道污垢進行清洗。本實驗系統采用相同的硫酸酸洗劑溶液對附著有污垢的鈦鋼管進行噴淋沖洗，以此判斷洗劑對污垢的清洗效果。清洗完畢之后，取出鈦鋼管道進行觀察，看到管道表面碳酸鈣污垢清洗干凈，無余垢殘存;鈦鋼管表面光潔、平滑無損傷。

3 結論

本實驗通過模擬海水淡化設備運行，對真空壓力為120 mmHg、溫度低于72℃條件下CaCO3污垢的形成進行了探索，得出了以下結論:

1)鈦鋼管表面的CaCO3污垢隨著時間的推移不斷的析出沉積，到60 h的時候，污垢的厚度達到了最大值，約為585 μm。

2)CaCO3在鈦鋼管表面析出的污垢結構疏松，隨著垢層的增加，水力沖擊可能會對垢層的厚度產生影響。

3)CaCO3污垢的主要晶相為方解石，出現了少量的文石，其相對質量分數為方解石68.17%，文石14.22%，方解石晶相對酸洗效果有利。

4)采用硫酸酸洗劑對鈦鋼管表面CaCO3污垢清洗效果顯著。

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