MVR結(jié)垢研究與化學(xué)清洗

馬文杰，賀煜峰，楊 健，劉軍海，曹智鵬

(1.中海油能源發(fā)展股份有限公司安全環(huán)保分公司 碧海環(huán)保服務(wù)公司，天津 300458；2.海洋石油工程股份有限公司建造公司,天津 300452)

MVR系統(tǒng)換熱器的使用過程中，由于進水質(zhì)量控制不嚴，將不符合水質(zhì)標準的循環(huán)水注入換熱器，水中含有的鈣鎂碳酸鹽遇熱后分解為碳酸鈣和氫氧化鎂沉淀物。這些沉淀物質(zhì)，一部分粘結(jié)于受熱較大的換熱器受熱面上，形成堅硬的水垢；另一部分沉積在流速較低的受熱面上，形成二次水垢。由于水垢的導(dǎo)熱性能極差(其導(dǎo)熱系數(shù)僅為鋼材導(dǎo)熱系數(shù)的1/30～1/50)，因而會使換熱器傳熱效率大大降低，嚴重浪費熱能。據(jù)資料顯示，水垢每增厚1mm，熱效率會降低8%左右[1]。

為減少MVR系統(tǒng)換熱器設(shè)備結(jié)垢，除了增加預(yù)處理提高進行水質(zhì)外，每年至少要對設(shè)備進行一次除垢清洗。本文重點介紹石油化工加熱設(shè)備結(jié)垢的分類和不同類型結(jié)垢化學(xué)清洗的選擇，因為化學(xué)清洗技術(shù)對企業(yè)清洗結(jié)垢有很強的實用性。

1 設(shè)備結(jié)垢分類與分析

1.1 結(jié)垢的分類

換熱器結(jié)構(gòu)不同、流體的介質(zhì)不同所形成的污垢也會不同。Epstein N 提出的按照引起污垢沉積的主要物理、化學(xué)過程的分類方式[2]，將污垢分為析化學(xué)反應(yīng)污垢、顆粒污垢、凝固污垢、晶污垢、腐蝕污垢、微生物黏泥污垢及其他污垢等類型[3-4]。按污垢隨時間的增長特性,將水垢分為線性增長型、降率型和漸進線型等[5]。

1.2 垢樣成分及分析

垢樣主要包括硬垢、軟垢、生物黏泥及腐蝕產(chǎn)物等[6]。垢樣分析就是對污垢樣品進行成分的定性和定量分析，一般以定性分析居多。垢樣分析是確定清洗液配方的重要前提，根據(jù)分析污垢的主要成分，來確定清洗劑選擇類型。定性分析一般采用化學(xué)實驗的方法來分析垢樣[7]。

污垢成分簡易鑒定方法說明如下:

(1) 在燒杯中加入5% HCl 30 mL，垢塊溶解，同時有大量氣泡生成，溶液剩余殘渣量極少，說明污垢主要成分為碳酸鹽垢。

(2)在HCl中幾乎不溶解，無氣泡產(chǎn)生，再加入10% BaCl230 mL，溶液產(chǎn)生大量白色沉淀，說明污垢主要成分為硫酸鹽垢。

(3)在HCl中中不溶解，加入0.5%NaF 30 mL可緩慢溶解，說明污垢主要成分為硅酸鹽垢。

(4)當加入5%HCl后垢樣溶解，且其酸液呈黃綠色，說明污垢主要成分為氧化鐵垢。

(5)將30 mL乙醚加入研碎的垢樣后，乙醚液層呈淺黃顏色，且不溶的垢呈灰白色，說明污垢主要成分為油垢。

污垢組成十分復(fù)雜，通常需要經(jīng)過幾步的鑒別試驗才能確定垢樣的主要成分。

2 化學(xué)清洗除垢機理研究

2.1 酸洗除垢機理

水垢通常是一種或多種化合物的混合物，主要包括碳酸鈣、磷酸鈣、磷酸鎂、二氧化硅和氧化鐵。最為常見的是碳酸鈣，由于碳酸鈣的溶解度小，水中的鈣大部分以重碳酸鹽的形式存在，重碳酸鈣與碳酸鈣、二氧化碳存在如下平衡關(guān)系：

Ca(HCO3)2CaCO3+CO2↑+H2O

溫度或其他因素的改變使方程式向右移動，因而生成碳酸鈣結(jié)垢。為除掉水垢，工業(yè)上經(jīng)常用磷酸、硫酸、鹽酸、氫氧化鈉進行酸洗和堿洗。酸洗反應(yīng)機理如下(以鹽酸和硫酸為例)：

CaCO3+2HCl→CaCl2+CO2↑+H2O

MgCO3+2HCl→MgCl2+CO2↑+H2O

CaCO3+H2SO4→CaSO4+CO2↑+H2O

MgCO3+H2SO4→MgSO4+CO2↑+H2O

在金屬材質(zhì)換熱器酸洗時，在酸洗液中的三價鐵離子濃度高于一定值時會速腐蝕,因而在酸洗過程中三價鐵離子濃度應(yīng)控制在700～1000 mg/kg以下[8]。

2.2 堿洗除垢機理研究

堿性清洗液的作用機理是[9]：(1)通過化學(xué)反應(yīng)，堿性清洗液與動物油的酸性脂肪生成脂肪酸皂和鹽，溶解于水中后去除；(2)對于不含羧酸基和硫酸基等極性基團的中性礦物油，氫氧化鈉不能單獨與之發(fā)生皂化反應(yīng)，必須與能產(chǎn)生膠粒的三聚磷酸鈉及硅酸鈉等聯(lián)合作用，才能使中性礦物油解離，膠粒則能吸附油污，使之穩(wěn)定地分散溶解在水中；(3)堿性溶液對金屬氧化物也有一定的溶解能力；(4)對于難溶于水的無機鹽，例如：硅酸鈣垢、硫酸鹽垢與堿性清洗液發(fā)生反應(yīng)后可轉(zhuǎn)化成蓬松的易溶于酸的新鹽，再用酸性清洗液進一步清除。

堿洗液中常用的藥劑主要有: 碳酸鈉、氫氧化鈉、硅酸鈉、三聚磷酸鈉及磷酸三鈉、硼酸鈉等顯堿性的物質(zhì)，通常用它們中的兩種或兩種以上，根據(jù)具體情況再添加一定數(shù)量的表面活性劑和有機溶劑等[10]。

3 化學(xué)清洗類型的選擇

3.1 碳酸鈣垢的處理

碳酸鈣垢屬于弱酸鹽，可以被強酸溶解，工業(yè)上一般用5%～10%鹽酸加緩蝕劑進行溶解去除。

3.2 硫酸鈣垢

硫酸鈣垢是一種強酸鹽，不能再用強酸來處理，需要先用堿處理，其機理如下：

CaSO4+2NaOH→Ca(OH)2+Na2SO4

氫氧化鈉對硫酸鈣垢不僅有溶解作用，還有剝蝕作用。工業(yè)上常用20%NaOH對硫酸鈣垢進行浸泡。石油工業(yè)某廠用20%NaOH處理鍋爐管，鍋爐管內(nèi)硫酸鈣結(jié)垢嚴重，管內(nèi)40%空間被堵死，垢平均厚度15mm，這時先用20%NaOH常溫浸泡6天，68%垢被除掉，再用20%鹽酸常溫浸泡3天，100%垢被清除掉[11]。

3.3 碳酸鈣和硫酸鈣混合垢的處理

對于碳酸鈣和硫酸鈣混合垢,單獨用酸和堿處理效果都不是很好，用酸和堿交替處理效果比較好。

3.4 硅垢

CaSiO3和SiO2等硅酸鹽垢一般先用火堿溶液煮，1～2天后硅垢變較松軟，再用鹽酸加氟化鈉進行清洗。雖然氟化氫溶解硅酸鹽垢效果較好，但其對人體有較大毒性，因此工業(yè)使用氟化鈉的較為普遍，在使用中必須加以注意[12]。

4 結(jié)束語

MVR換熱器污垢化學(xué)清洗，具有清洗效率高、操作簡便、勞動強度小等優(yōu)點。化學(xué)清洗對解決換熱器的結(jié)垢問題提供了一種有效的辦法和途徑，對提高傳熱設(shè)備的效率、改善傳熱備的使用條件以及節(jié)能降耗具有重大的經(jīng)濟意義。企業(yè)清洗施工前，必須對垢樣的進行分析，針對不同類型的污垢選擇不同的化學(xué)清洗方式。有條件的企業(yè)應(yīng)從改善水質(zhì)的源頭做起，降低進水的水質(zhì)硬度，預(yù)防和減少結(jié)垢的產(chǎn)生。