一種用于不銹鋼管式換熱器清洗的復合清洗劑的研制

馬松杰

（廣西柳鋼環保股份有限公司，廣西 柳州 545002）

蒸發式空冷器是將管式換熱器置于冷卻塔內，通過流通空氣、噴淋水與循環水的熱交換以達到降溫的效果。柳州鋼鐵股份有限公司某廠的蒸發式空冷器于2012年建成投產，至今已有十個年頭，期間未進行化學清洗，同時也未向噴淋冷卻水中投加任何阻垢劑，因此造成了設備運行工況的不斷惡化。同時，該類蒸發式空冷器所處的生產環境含有大量的礦物質粉塵，粉塵中攜帶有氧化硅以及鋁、鐵、鈉的化合物。當這些成分復雜的粉塵進入噴淋冷卻水系統后，在適合的pH值、溫度、壓力等條件下形成了硅酸鹽水垢。它的特點是化學結構復雜，含有45%左右的二氧化硅，30%左右的鋁（含鐵）的氧化物及10%～20%的鈉化合物，而鈣、鎂化合物的總量一般不超過10%。同時，由于循環水系統有油脂進入，因此這種垢類往往有大量的黏泥附著在上面。這種水垢的化學成分和結構與某些天然礦物，如錐輝石、方沸石和鈉沸石等相似，是一種多孔、堅硬且致密的水垢，牢固地附著在管式換熱器的表面。在7＃蒸發式空冷器內部換熱管壁上進行取樣，并進行檢測，其成分如表1所示。

表1 垢樣成分分析

由于循環水系統工藝設計的缺陷，造成了噴淋冷卻水給水壓力不足，末端的冷卻水量小，且噴淋管上設計的噴頭過少，造成熱交換不滿足要求，在換熱管壁大量的二次蒸發，極易形成水垢。同時，由于車間經常性的關停噴淋水循環泵、生產環境礦物粉塵大量進入水系統、噴淋冷卻水系統排污量過小、噴淋水管上噴頭堵塞等原因，導致冷卻效果差，這也是系統容易結垢的主要原因。

1 換熱器工藝清洗

蒸發式空冷器管式換熱器的清洗工藝有兩種方式：一種是不停車清洗。清洗方法是在噴淋冷卻水系統中直接投加清洗劑進行循環清洗。該方法對于結垢致密、成分復雜的垢樣作用不大，不能從根本上解決設備換熱效率的問題。同時，在線清洗循環量大，成本高，對企業降本增效非常不利。另一種清洗方法是采用化學清洗劑溶解垢物加高壓水射流的方法。噴淋清洗是一種循環清洗技術，在清洗過程中首先利用高壓水射流沖洗掉能機械剝離的部分，然后將化學清洗劑投加到蒸發式空冷器的集水盤中，開啟循環泵，將清洗劑均勻噴灑到換熱管的表面，借助清洗液的重力流回到集水盤，使清洗液與換熱設備表面的污垢進行充分的接觸，并發生化學反應，達到清洗設備的目的。流回到蒸發式空冷器集水盤的清洗液通過循環泵的作用，再次進入循環系統。如此反復循環清洗，直至最后完成化學清洗。

2 清洗劑的選擇

因垢樣成分的特殊性和換熱器材質的特點，清洗施工最主要的是從清洗劑的選擇及控制條件入手。目前常用的清洗劑有鹽酸、硝酸、硫酸、檸檬酸、氫氟酸、EDTA和氨基磺酸等。鹽酸對于一般的碳酸鹽垢具有清洗速度快、清洗效果好、價格低廉等優點，但對不銹鋼材質的換熱器會產生晶間腐蝕，因此不適用于不銹鋼的清洗。檸檬酸、氫氟酸和EDTA的酸性比較弱，清洗的效果比較差。硫酸在鈣離子含量高的情況下則容易生成微溶的硫酸鈣，易形成二次水垢。硝酸價格高、易揮發、易分解成氮氧化合物，存在強氧化性、經濟性差、使用安全系數低、不環保等弊端，因此也不適合。

該換熱管是不銹鋼材質，管壁厚度為1mm。從7＃換熱器取下的垢樣在做成分分析的同時也做了溶垢試驗。因為該垢樣成分復雜，各種鹽垢并存，特別是存在成分異常復雜的硅酸鹽垢，使用常規的清洗劑經多次溶垢試驗均未達到理想效果。因此本文將研究一種適用于成分復雜且含有大量硅酸鹽垢的不銹鋼換熱器清洗用的復合清洗劑。

3 復合清洗劑的研究

3.1 復合清洗劑配方的確定

經過多次溶垢試驗和對清洗劑性能特點的分析，確定了以氨基磺酸和HEDP為主要成分的復合清洗劑。氨基磺酸是一種無色無臭的粉末狀藥劑，溶于水后具有與硫酸同等的強酸性，其別名又叫固體硫酸，具有不揮發、無臭味、易投加和對人體毒性小的特點。氨基磺酸與多種金屬化合物都能生成可溶性鹽類，具有在水中溶解度高、不析出沉淀、對金屬腐蝕小的特點。與碳酸鹽垢反應方程式為：

HEDP是一種多元膦酸，在水中能解離成H+和酸根負離子，能跟許多金屬離子通過螯合作用形成穩定的絡合物，能溶解復雜垢樣成分中的氧化物，是一種良好的阻垢劑，同時也是一種高效的清洗劑。HEDP絡合物穩定常數見表2。

表2 HEDP絡合物穩定常數

HEDP解離生成的H+能保證清洗液的酸度，增加清洗的強度，也能有效清除換熱設備表面的油脂、銹跡和混合垢類，尤其對難以清除的硫酸鹽垢和復雜的硅酸鹽垢，具有較好的清洗作用。

多次的溶垢試驗后將復合清洗劑的配方確定如下：氨基磺酸、HEDP、剝離劑、NP-10和LAN-826緩蝕劑。

3.2 復合清洗劑配方試驗

對7＃蒸發式空冷器不銹鋼換熱管壁取下的垢樣進行溶垢靜態試驗。試驗過程為：將一定質量的垢樣，浸泡在不同的清洗液中，觀察垢樣溶解速率和效果，記錄溶解時間。

按表3中的配方，配制好3種復合清洗劑，然后按照預先設定的清洗pH值，配制成一定濃度的清洗液。常溫條件下，將垢樣放入清洗液中進行浸泡。觀察垢樣溶解速率和效果，監測清洗液pH值變化和濁度變化。當清洗液pH值和濁度不再上升或垢樣完全溶解時，記錄溶垢時間和溶垢量，計算溶垢率。復合清洗劑溶垢試驗結果見表4。

表3 復合清洗劑配方

表4 復合清洗劑溶垢試驗結果

從表4看出，在4 h內，配方2和配方3的溶垢率和溶垢效果達到清洗的要求，且配方2的氨基磺酸的濃度更低，因此成本更低，是最優的清洗劑配方。

為防止在實際清洗過程中清洗劑對蒸發式空冷器不銹鋼管式換熱器的腐蝕，在溶垢試驗中放入試片進行靜態腐蝕試驗，試片材質為TP304L，試片表面積為0.0028m2，試驗結果見表5。

表5 復合清洗劑靜態腐蝕試驗

試驗結束后，試片表面清潔，三個配方的復合清洗劑在相同緩蝕劑濃度情況下，腐蝕量和腐蝕速率均滿足HG／T2387-2007《工業設備化學清洗質量標準》的要求。但隨著復合清洗劑主要成分氨基磺酸濃度的升高，腐蝕速率增大。綜合溶垢率和腐蝕速率兩方面因素，配方2，即氨基磺酸質量分數為10%是最優的選擇。

4 復合清洗劑的應用實例

4.1 復合清洗劑應用過程控制

經實驗室溶垢試驗和靜態腐蝕試驗后，確定2號配方適用于不銹鋼管式換熱器。因此，將該配方的復合清洗劑運用到柳州鋼鐵股份有限公司某廠7＃蒸發式空冷器的清洗。首先，根據蒸發式空冷器清洗施工方案的要求，完成高壓水沖洗；然后，連接好循環泵和管路，形成循環回路，向系統內投加2號配方復合清洗劑，控制pH＜2.0，在常溫的條件下循環清洗4 h。同時，為了防止在清洗過程中復合清洗劑對蒸發式空冷器不銹鋼管式換熱器的腐蝕，將2片材質為TP304L的試片，懸掛在蒸發式空冷器集水盤處，并監測清洗過程的腐蝕情況。

在清洗過程中，嚴格監測pH值和濁度的變化。當pH值升高時，繼續加入清洗劑，將pH值控制在2以下，維持循環4～6 h。當系統pH值和濁度在1 h內沒有明顯變化時，清洗達到終點。向系統內投加氫氧化鈉進行中和，當pH值6～9時排放清洗廢液。隨后向系統內注入工業水，大流量沖洗整個清洗系統。沖洗至出水接近中性且水質清澈后停止沖洗，排凈沖洗水，完成化學清洗。同時，剩下未能溶解的垢樣變軟且松散，利用高壓清洗劑可輕松沖掉，從而實現無害化，亦能達到提高換熱效果的目的。

4.2 復合清洗劑應用效果評價

按照HG／T2387-2007《工業設備化學清洗質量標準》的要求，對現場清洗7＃蒸發式空冷器的效果進行檢查發現：

1）清洗后，不銹鋼管式換熱器表面化學清洗除垢率達到85%，整體除垢率大于95%；清洗后的表面潔凈。

2）酸洗過程中作為腐蝕指示用的TP304L試片無點蝕現場，腐蝕速率為0.29 g／（m2·h），遠小于HG／T2387-2007《工業設備化學清洗質量標準》的要求。

3）清洗后，換熱效果明顯提高，整個車間7臺蒸發空冷器軟水進出口溫度相差為7℃，見表6。

表6 蒸發式空冷器清洗前后軟水進出口溫度

5 經濟效益分析

對于結垢嚴重、垢樣成分復雜的硅酸鹽垢，使用2號配方復合清洗劑，單臺清洗成本下降6000元，并且提高了清洗性能和清洗效率，改善了勞動強度，縮短了清洗周期，減少了環境污染。同時良好的清洗效果保證了換熱效果的提高，對保障生產和提高產品質量有著更為顯著的經濟效益。

6 結束語

以氨基磺酸和HEDP為主要成分的復合清洗劑用于含有大量硅酸鹽垢的不銹鋼換熱器清洗，清洗效果好，腐蝕率低，能有效避免清洗劑帶入氯離子而造成不銹鋼的應力腐蝕。隨著不銹鋼換熱器的推廣應用，該復合配方的清洗劑有著廣闊的應用市場。