氫氣換熱器阻垢分析

唐繼平　張新亞

摘 要：分析了氫氣換熱器結(jié)垢和腐蝕的原因，用傳統(tǒng)清洗工藝和超聲波技術(shù)清洗作對比，認(rèn)為應(yīng)用超聲波防垢對殼程具有良好的阻垢效果。

關(guān)鍵詞：換熱器；污垢；腐蝕；超聲波

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.05.041

0 前言

我公司氫氣換熱器為列管式換熱器，殼程介質(zhì)為循環(huán)冷卻水，管程介質(zhì)為氫氣.氫氣換熱器是Ⅲ類壓力容器，其制造、檢驗和驗收嚴(yán)格按國家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行的.殼程內(nèi)冷卻水流速相對較低，易結(jié)垢，導(dǎo)致殼程因結(jié)垢嚴(yán)重降低換熱效果而無法使用，影響生產(chǎn)的正常運行.因此，在氫氣換熱器冷卻水進(jìn)口總管上安裝超聲波防垢器，便可以有效地防止了換熱器殼體內(nèi)壁結(jié)垢和腐蝕問題。

1 腐蝕的原因及污垢成因分析

1.1 氫氣換熱器的工藝

從離子膜電解來的80-85℃的濕氫氣進(jìn)入氫氣洗滌塔，與塔上噴淋下來的循環(huán)冷卻水逆流接觸，洗滌去其中的堿及雜質(zhì)，冷卻至≤40℃.再進(jìn)入氫氣壓縮機，加壓至0.06-0.12Mpa后，氫氣最后進(jìn)入氫氣換熱器冷卻到≤15℃.經(jīng)氫氣水霧分離器除水后，輸送到鹽酸合成氯化氫。

1.2 殼程的腐蝕

殼程的介質(zhì)是工業(yè)水，根據(jù)設(shè)備使用說明，要求對工業(yè)水定期進(jìn)行軟化處理，并控制其pH值在7.0～7.8的范圍內(nèi)，才能保證換熱器的正常使用.工業(yè)水對碳鋼水換熱器的腐蝕有多種形式，可能會發(fā)生孔蝕、縫隙腐蝕和電偶腐蝕等.一般認(rèn)為在管壁主要發(fā)生吸氧腐蝕，使管壁穿孔，發(fā)生泄漏事故。在中性水中，碳鋼遭受氧的腐蝕過程如下：

（a）陽極區(qū)：Fe — Fe2+ + 2e-

（b）陰極區(qū)：O2 + 2H2O +4e- — 40H-

當(dāng)亞鐵離子和氫氧根離子在水中相遇時，生成Fe（0H）2沉淀。即Fe2++20H-—Fe（OH）2

如果水中溶解的氧比較充足時，則Fe（0H）2會進(jìn)一步氧化，生成黃色的銹FeOH或Fe203·H20而非Fe（0H）3；如果水中的氧不充足時，則Fe（0H）2進(jìn)一步氧化為綠色的水合四氧化三鐵或黑色的無水四氧化三鐵。

1.3 污垢成因

氫氣換熱器給水為敞開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，水中含有溶解鹽、灰塵、泥土、腐植物、微生物及凝膠狀物質(zhì)，在傳熱的過程中，隨著溫度的升高而不斷被蒸發(fā)濃縮，當(dāng)超過它在水中的溶解度時，鹽類物質(zhì)發(fā)生了化學(xué)變化超過飽和溶解度開始以結(jié)晶的方式析出，沉積在金屬表面，在傳熱面上形成致密的水垢沉積物，即通常說的水垢.結(jié)晶析出過程中夾帶灰塵、泥土、腐植物、微生物殘骸以及凝膠狀物質(zhì)，在水流速較低的折流區(qū)域，沉積速度更快，沉積物更多，即通常說的污垢.氫氣換熱器為列管式換熱器，殼程走循環(huán)水，管程走氫氣，設(shè)備造價低，換熱效率較高.但易使水中鹽類物質(zhì)結(jié)晶析出、污垢物質(zhì)沉積，繼而誘發(fā)設(shè)備的腐蝕。

1.4 水垢的危害

水垢的導(dǎo)熱系數(shù)很小約為鋼鐵導(dǎo)熱系數(shù)的幾十分之一，當(dāng)受熱面結(jié)有水垢時其熱阻大大增加，熱量不能有效地傳遞給金屬面從而降低了熱效率增加了運行費用，致使生產(chǎn)成本提高，水垢還會使水中溶解氧濃度產(chǎn)生氧濃差從而形成氧濃差電勢，極易在金屬面產(chǎn)生垢下腐蝕，同時導(dǎo)致金屬損傷.垢下腐蝕的直接結(jié)果是增加系統(tǒng)的維修費用，使設(shè)備局部穿孔泄漏導(dǎo)致設(shè)備提前報廢，縮短了設(shè)備的使用壽命。

2 防護(hù)措施

結(jié)垢和微生物粘泥及由此伴生的腐蝕故障對系統(tǒng)的安全正常和低成本運行影響極大，需定期進(jìn)行清洗，通過安全有效的清洗可達(dá)如下目的：

（1）安全正常運行、顯著提高換熱效率。（2）降低運行成本，大幅節(jié)約能源，清洗后可使系統(tǒng)降低能耗20%-30%。（3）保護(hù)金屬，延長設(shè)備使用壽命。

2.1 傳統(tǒng)清洗工藝

通常情況下清洗使用化學(xué)除垢劑進(jìn)行間歇循環(huán)清洗，將系統(tǒng)與清洗泵、配液槽、橡膠軟管連成清洗回路.間歇循環(huán)14-16小時（低進(jìn)高出）在反沖洗4-6小時排出廢液，用清水沖洗2-3遍即可.管路連接見圖1。

本公司采用傳統(tǒng)清洗工藝后效果并不明顯，所采用藥劑全部由專業(yè)清洗設(shè)備廠家提供.據(jù)實際數(shù)據(jù)顯示，清洗前氫氣出口溫度為29℃，清洗后為26℃（實際控制指標(biāo)為≤15℃）。

2.2 超聲波防垢技術(shù)

超聲波防垢器主要由管道式超聲波換能器、電源控制柜及傳輸電纜等組成.超聲波電源將220V/50 Hz交流電轉(zhuǎn)換成交變的超聲波功率信號，通過傳輸電纜將功率信號加到超聲波換能器上，超聲波換能器利用壓電陶瓷功能材料將電能轉(zhuǎn)換成機械能，進(jìn)而產(chǎn)生超聲波，向外輻射超聲波能量，實現(xiàn)對流體介質(zhì)的作用.由于超聲波的“空化”效應(yīng)和“剪切”作用，導(dǎo)致成垢物質(zhì)發(fā)生性能變化，達(dá)到防垢效果。

安裝超聲波防垢器以前，設(shè)備長時間運行后換熱器管束間隙就會塞滿污垢，管壁長滿銹瘤和腐蝕物。超聲波防垢器自投用后管束和殼體內(nèi)壁非常潔凈，只在局部水滯流處有少量污泥，基本無腐蝕和銹瘤，防垢效果顯著，工藝指標(biāo)一直控制在≤15℃以下.有利于裝置的安全、穩(wěn)定、長期、滿負(fù)荷、優(yōu)運行，并節(jié)省換熱器清洗、維修和更換管束費用.采用超聲波防垢技術(shù)后，也將減小換熱器的污垢熱阻，提高總傳熱系數(shù)，從而提高傳熱速率，強化傳熱過程，有利于節(jié)能降耗。

3 結(jié)語

氫氣換熱器的腐蝕主要是工業(yè)水對碳鋼管的吸氧腐蝕，可用蝕阻垢涂料防腐后效果明顯，并且不影響換熱器的換熱效果，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益.采用超聲波防垢技術(shù)，破壞循環(huán)冷卻水中成垢雜質(zhì)的生成和在管壁沉積的條件，有效地防止了氫氣換熱器殼體內(nèi)壁及管束氫氣含水的結(jié)垢和腐蝕.不僅強化了傳熱過程，有利于節(jié)能降耗，更重要的是避免了換熱器因殼體內(nèi)部結(jié)垢導(dǎo)致?lián)Q熱效果下降而無法使用產(chǎn)生的生產(chǎn)憂患，保證了裝置生產(chǎn)的安全、穩(wěn)定、長期、滿負(fù)荷、優(yōu)運行。

參考資料：

[1]氯氣壓縮機冷卻器的腐蝕與防護(hù)[J].中國氯堿，1999（12）.

[2]超聲波阻垢性能的研究[J].中國給水排水學(xué)，2003（11）.

[3]應(yīng)崇福.超聲學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社.