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換熱器清洗技術

點擊:1877 日期:[ 2014-04-26 21:39:26 ]
                               換熱器清洗技術                                    楊曉良                   (西安邦潔清潔有限責任公司,陜西西安710061)     摘 要:結合換熱器清洗工程實例,詳細全面的介紹了換熱器清洗工藝流程,主要包括清洗藥劑的選擇及配方、清洗系統方案的建立、清洗的具體步驟、清洗檢測評定辦法、清洗效果評價。實踐證明此清洗流程清洗效果好、操作費用低,對從事化學清洗行業人員來說,具有很好的參考價值。     關鍵詞:換熱器清洗;氨基磺酸酸洗;水沖洗;漂洗;鈍化     中圖分類號: TQ051·5  文獻標識碼:B     文章編號:1671-8909(2010)08-0014-07     1 概述     換熱器是一種結構緊湊、高效的換熱設備,被廣泛應用于冶金、石油、制藥、船舶、紡織化工、醫藥、食品等行業,是實現加熱、冷卻、熱回收、快速滅菌等用途的優良設備。但是,由于換熱器長期運行,用來冷卻或加熱側純凈程度的不同以及工藝介質本身性質的差異導致換熱器結垢已成必然,同時因換熱器本身結構特點及規格型號的不同,導致結垢程度也不一樣,結垢后使內部通道截面變小甚至堵塞,造成換熱器換熱效率降低,從而影響生產的正常進行和設備的安全。因此,換熱器應定期進行清洗,除掉污垢,以保證換熱器的高效換熱和生產的正常進行。在結垢嚴重、成分復雜的情況下,一般普通的物理方法不易清洗,且拆洗過程費時費力,本文針對換熱器著重研究了化學清洗的工藝,此工藝簡單,費用相對物理清洗可能較高,但省時省力,處理效果相對較好,應用很多。     2 換熱器結垢分析及清洗     2·1 結垢原因     結垢原因主要有3種情況: 1)因為常用換熱器換熱器大多是以水為載熱體的換熱系統,由于某些鹽類在溫度升高及濃度較高時從水中析出,附著于換熱管表面,形成水垢,隨著使用時間及頻率的增加積垢層逐漸變厚、變硬,緊緊地附著于換熱管表面上; 2)如同水垢一樣,換熱器的另一側流體由于物質本身的性質可能出現非水垢類固體析出物,長期不處理會越來越多積累在換熱管面; 3)當流體所含的機械雜質有機物較多而流體的流速又較小時,部分機械雜質或有機物也會在換熱器內沉積,形成疏松、多孔或膠狀污垢。     2·2 結垢種類     對于常用的換熱器而言。根據結垢機理,我們一般將結垢分為以下幾類:     (1)類析晶結垢:如水冷卻系統,由于水中過飽和的鈣、鎂鹽類由于溫度、pH等變化而從水中結晶沉積在換熱器表面,而形成了水垢;     (2)粒結垢:流體中懸浮的同體顆粒在換熱面上的積聚;     (3)化學反應結垢:由于化學反應而造成的同體沉積;     (4)腐蝕結垢:換熱介質腐蝕換熱面,產生腐蝕產物沉積于受熱面上而形成污垢;     (5)生物結垢:對于常用的冷卻水系統來講,工業水巾往往含有微生物及其所需的營養,這些微生物群體繁殖,其群體及其排泄物同泥漿等在換熱表面形成生物垢;     (6)凝同結垢:在過冷的換熱面上,純液體或多組分溶液的高溶解組分凝同沉積。以上的分類只是表明某個過程對形成該類污垢是一個主要過程。結垢往往是多種過程的共同作用結果,因此換熱面上的實際污垢,常常是多種污垢混合在一起的。     2·3 影響結垢因素     影響結垢的因素有很多,如流體速度、流體流動狀態、流體組分的組成和含量以及換熱器的結構等都對污垢的形成有一定的影響,從應用角度考慮,我們只有找出主要因素才能使結垢問題得到有效解決。對于某一流體而言,影響換熱器結垢的主要因素有以下幾個方面:     (1)流體的流動速度:在換熱器中,流速對污垢的影響應該同時考慮其對污垢沉積和污垢剝蝕的影響,對于各類污垢,由于流速增大引起剝蝕率的增大較污垢沉積的速率更為顯著,所以污垢增長率隨著流速的增大而減小。但是在換熱器的實際運行中,流速的增加將增大能耗,所以,流速也不是越高越好,應就能耗和污垢兩個方面來綜合考慮。     (2)傳熱壁面的溫度:溫度對于化學反應結垢和鹽類析晶結垢有著重要的作用,流體溫度的增加一般會導致化學反應速度和結晶速度的增大,從而對污垢的沉積量產生影響,導致污垢增長率升高。     (3)換熱面材料和表面質量:對于常用的碳鋼、不銹鋼而言,腐蝕產物的沉積會影響結垢;而如果采用耐蝕性能良好的石墨或陶瓷等非金屬材料,則不易發生結垢。換熱面材料的表面質量會影響污垢的形成和沉積,表面粗糙度越大,越有利于污垢的形成和沉積。     2·4 一般換熱器清洗的部位     因為換熱器大多是以水或蒸汽為載熱體的換熱系統,故在清洗時劃分為水(蒸汽)側及介質側,最為普遍常見的換熱器是列管式換熱器,主要清洗其管程或殼程。     2·5 結垢不清洗的危害及影響      2·5·1 結垢使設備熱交換效率大幅下降,能源消耗大幅增加,生產成本上升     熱交換設備中結生的污垢,隨著化學成分的不同,其導熱系數也有較大的差異。污垢的導熱系數一般在為0·4 ~0·6kcal/(m·h·℃)之間[1]即0·464~0·696W /(m·K),僅為鋼鐵導熱系數的1/40~1/80。是銅導熱系數的1/300。也就是說, 1mm厚水垢的傳熱能力和40~80mm厚鋼板、300mm厚銅板差不多。     由于污垢的導熱系數極小,結垢會嚴重影響熱交換設備的傳熱性能,使生產能源消耗量大幅度上升。國內外大量熱工試驗結果表明,設備傳熱表面積結1mm厚水垢,熱交換設備就會多消耗8% ~10%的能源。也就是說, 1mm厚的水垢,可以使燃煤鍋爐多燒10%的煤炭,從而導致工業產品生產成本費用大幅度上升。     2·5·2 結垢使換熱設備熱傳導工況惡化,傳熱面超溫過熱,引發鼓皰、裂紋、爆管等安全事故由于污垢的傳熱能力級差,設備傳熱面結垢后,高溫側的溫度不能被快速傳導到低溫介質中,使傳熱面金屬壁溫持續上升并達到蠕變溫度。當金屬壁溫達到或超過蠕變溫度后,金屬的機械性能(如韌性、塑性)明顯惡化,抗拉強度、抗壓強度大幅度下降,很容易被高溫燒損變形。在設備帶壓運行的狀態下,過熱管壁因耐壓強度大幅下降而出現鼓皰、裂紋、泄漏甚至爆管的運行安全事故。根據國內部分省市技術監督部門的統計,鍋爐事故中因結垢和水質引起的事故占到了60%以上。     2·5·3 結垢會引發垢下腐蝕損傷,造成設備穿孔泄漏,縮短設備使用壽命     熱交換設備傳熱面結生的水垢,其密度、厚度和化學組成通常呈不均勻狀態,這種不均勻的污垢覆蓋,造成了金屬表面電化學不均勻性,很容易引發電化學腐蝕反應。結垢還會使水中的某些腐蝕成分如H+、OH-、Cl-、Mg2+、S2-等在垢下金屬面富集并產生化學腐蝕反應。腐蝕的結果是局部金屬被損傷減薄,腐蝕可以達到穿透設備鋼板,使設備泄漏、破損甚至達到失效的程度,從而使設備維修費用增加。腐蝕嚴重時,會使設備提前報廢。     2·5·4 結垢會使生產工藝不穩,影響產品品質,引發質量事故     熱交換設備結垢后,由于傳熱效率下降,會導致設備的加熱或冷卻工況惡化,進而影響到生產工藝過程,儀表指示失靈,溫度壓力指標偏離工藝設計要求,設備運行參數發生改變,生產工藝不穩,最終使產品的產量和質量下降,次品率增加。嚴重時還可能中斷生產,造成計劃外停產。     3·清洗方法     根據清洗方法的不同,主要清洗方法為物理清洗和化學清洗。利用力學、聲學、光學,電學、熱學的原理,依靠外來能量的作用,如機械摩擦,超聲波、負壓、高壓沖擊,紫外線,蒸汽等去除物體表面污垢的方法叫物理清洗;依靠化學反應的作用,利用化學藥品或其它溶劑清除物體表面污垢的方法叫化學清洗。如用各種無機或有機酸去除物體表面的銹跡、水垢,用氧化劑去除物體表面的色斑,用殺菌劑、消毒劑殺滅微生物并去除霉斑等。物理清洗和化學清洗都存在著各自的優缺點,又具有很好的互補性。在實際應用過程中,通常都是把兩者結合起來使用,以獲得更好的清洗效果。     4·清洗劑的選擇     工業清洗劑的選用原則為: (1)良好的去污能力; (2)對清洗對象無不良影響; (3)質量穩定; (4)價格低廉。     國內外工業清洗劑品種繁多,但沒有萬能型的清洗劑,一般均為專用型,應針對清洗對象的材質、清洗要求的不同,污垢的不同等,最好應作工藝試驗,才能選用。但在選用時應綜合考慮并研究分析以下幾點:     (1)清洗劑的主要成分;     (2)清洗劑各項物理性能;     (3)清洗劑的主要特征及注意事項;     (4)清洗劑的適用范圍(主要用途,污垢對象等);     (5)清洗劑的清洗條件,方法與實施可能性;     (6)排液與廢液處理方法;     (7)清洗劑的成本;     (8)有關清洗的法規等。     4·1 換熱器清洗的藥劑選擇     清洗換熱器時首先確定好清洗部位,確定好換熱器材料,取樣分析后,根據換熱器材質及結垢程度選擇試劑,對于碳鋼材質以碳酸鹽垢及鐵銹為主時,一般選擇鹽酸做主酸洗液效果較好,出于安全考慮也可選擇有機酸氨基磺酸做為主洗酸劑;對于不銹鋼來說一般選擇硝酸為最佳清洗酸劑,同樣出于安全角度考慮式根據實際情況也可選擇酸性溫和的氨基磺酸作為主洗酸劑。在一些特殊情況下,主要是指清洗材料可能存在缺陷或者比較薄或者其他的特殊情況時,就要慎重考慮,比如清洗銅材料換熱器時候,一定要注意是哪種銅材質。黃銅尤其要注意,黃銅主要成分為銅,其次鋅的含量相當高,為了防止“脫鋅”現象發生,對酸洗液選擇盡可能濃度較低,一般緩蝕劑同時保護銅、鋅兩種金屬效果較差。故在操作過程中采取溫和清洗方式,即低濃度、短時間、小流速,常溫清洗比較好。一般緩蝕劑選擇Lan-826即可,對于其他助劑,如表面活性劑、黏泥剝離劑、發泡劑等可根據清洗劑選擇原則結合具體情況選擇,此處不再敘述。     5·清洗前準備工作     1)了解換熱器的結構規格。材質、容積、性能、介質、工藝條件、使用情況和清洗范圍等,查看設備有無變形、堵塞、泄漏等異常情況。     2)掌握設備的結垢腐蝕程度。采集垢樣并進行垢樣化學成份的全分析和溶垢試驗。     3)查看公用工程條件狀況,具體:水、電、蒸汽、氮氣等規格及數量能否滿足清洗需要,接點位置及距離泵站距離。     4)廢液的處理要求及排放地點。     5)清洗現場有無交叉作業,地面狀況、照明情況,清洗泵站和清洗原料的具體位置擺放。     6)根據具體清洗現場狀況確定清洗過程中是否需要特殊工具儀器。     7)根據分析和實驗結果。選擇合適的化學清洗工藝條件。     8)進行清洗系統的設計。根據具體情況,把被清洗部分與其它部位隔開;尋找合適的清洗荊進出口和排污口設計臨時的連接管線和監測管線。     9)根據所確定的清洗工藝和系統設計,進行備料。包括清洗設備和材料、化學藥品、分析監測儀器和操作工具及安全防護用品等。     6·清洗準備     因為換熱器大多是以水或蒸汽作為載熱體的換熱系統,故在清洗時分為水(蒸汽)側及介質側,最為普遍常見的是列管式換熱器,主要清洗其管程或殼程。以下以某廠換熱器清洗為例說明清洗過程。     6·1 換熱器垢樣成分     對換熱器垢樣樣品進行實驗,得知其垢樣成分為: CaCO3及MgCO3: 46%;硅酸鹽: 5%; Fe3O4:18%;Fe2O3: 15%;生物黏泥: 10%;其它: 6%。     6·2 藥劑選擇     根據化驗結果進行換熱器殼程清洗,藥劑選擇根據實際設備及結合文中藥劑選用原則選擇藥劑,設備為碳鋼,使用4年以來未曾清洗過,且換熱器相連外部碳鋼材料表明腐蝕嚴重,故從安全考慮,主酸洗劑選擇氨基磺酸,其他助劑詳見以下清洗過程中清洗工藝。     7 清洗過程     7·1 清洗系統的建立     本系統采用充滿循環方式清洗,加料清洗時,清洗液從泵站出來進入換熱器殼程后出來返回至泵站,水沖洗時切換進出口反沖洗,詳見圖1所示。                    7·2 清洗前的準備工作     7·2·1 公用工程條件     水:消防水或自來水5m3/h;電: 380V 10kW;220V 100W;蒸汽: 0·5MPa。     7·2·2 清洗前準備及確認工作     清洗范圍:換熱器殼程(水-蒸汽側);設備材質:換熱器殼程碳鋼,管程不銹鋼;工藝條件:殼程走冷卻水及加熱蒸汽,設備殼程水總容積1m3;設備結垢:以無機鹽垢、生物泥、鐵銹為主;設備問題:設備使用4年無堵塞泄漏現象,無重大障礙檢修記錄;清洗現場:現場藥劑及操作設備存放布置方便,無交叉作業,可方便清洗;安全要求:嚴格遵守廠方安全管理制度,嚴格清洗操作規范;廢水處理:甲方具備污水處理系統,故協商由甲方處理清洗廢液。     7·3 化學清洗步驟及監控檢測分析     根據檢測結果及結合現場實際結垢程度,盡可能保證安全且能夠達到清洗干凈的目的,采用以氨基磺酸為主,另適當添加表面活性劑、黏泥剝離劑、發泡劑等藥劑,配置清洗液。     清洗操作程序為:水沖洗—酸洗—水沖洗—漂洗—鈍化—水沖洗—檢查清洗結果。     7·3·1 水沖洗     目的:酸洗前的水沖洗是為了掀去系統中的泥沙和疏松的水垢等雜物。并且進行試壓檢漏。操作:先以高位注滿,同時調節系統壓力,達到水壓試漏的目的后,從低位排放。沖洗速度不低于1·5m/s。直到沖出水清澈基本無雜質,并且全系統無泄漏,沖洗結束。     檢測:目測清潔度即可或檢測(出水濁度差小于5mg/L時結束)。     7·3·2 酸洗     操作:配好清洗液并蒸汽混合加熱至55℃,酸洗液以一定流速循環流動,流速一般控制在0·05~0·5m/s,最高不超過1m/s,酸洗溫度不大于60℃。每問隔30min,分析測定酸質量分數和Fe離子濃度,并掛腐蝕試片測量金屬的腐蝕速度。酸洗系統見圖1。當酸質量分數在1·5%以上。兩次酸質量分數分析結果的差值小于0·2%或pH基本無變化。鐵離子濃度最終穩定基本無變化,且無二氧化碳氣泡產生時,酸洗即可結束。     清洗工藝:復配酸液3% ~4%;緩蝕劑0·2% ~0·3%;黏泥剝離劑4% ~6%;溫度50~55℃。     分析項目:腐蝕掛片:清洗前后檢測;     酸質量分數測定: 1~2次/h(接近終點時至少1h檢測2次);     數據記錄如表1所示(取每小時數據供參考)。                  7·3·3 水沖洗   目的:酸洗后的水沖洗是用清水迅速將廢液頂出。     操作:切換進出管口(高進低出),頂壓速度≥1·5m/s,高位注入。低位排放,要求沖洗至透明,無懸浮雜質, pH 4~5,ρ(Fe2++Fe3+)<30mg/L,由于酸洗過程中已將水垢、銹層除去。金屬界面又處于十分活潑的狀態,因此,沖洗時間越短越好。     檢測:目測清潔度(清澈透明即可),檢測pH>4,ρ(Fe2++Fe3+)<30mg/L,即可結束。     7·3·4 漂洗     目的:清洗后金屬界面處于十分活潑的狀態,很容易生銹,漂洗就是去除系統內新生浮繡,為下一步鈍化打好基礎。     操作:高進低出,漂洗液反洗,當酸濃度基本不變,沖洗結束。     清洗工藝:漂洗液(檸檬酸)質量分數: 0·3%;pH: 3~4;溫度: 80~85℃;時間: 4h;緩蝕劑質量分數: 0·2%。     分析項目:檢測酸濃度不變漂洗結束。     7·3·5 鈍化     鈍化是對處于活性狀態的金璃表面進行保護,使其生成一層鈍化膜,避免重新氧化產生二次浮銹。用亞硝酸鈉或磷酸蘭鈉均可作為鈍化劑,最好的鈍化劑是亞硝酸鈉,但是亞硝酸鈉的大量排放會造成環境污染。考慮這一因素,采用效果稍差的磷酸三鈉作鈍化劑是較為合適的。     目的:防止酸洗后處于活性狀態的金璃表面再次產生腐蝕。     操作:漂洗液溫度調整到鈍化溫度后,直接加入鈍化液鈍化,達到鈍化時間后結束。     清洗工藝:鈍化液質量分數: 2% ~3%;溫度: 80~85℃; pH: 9~11;時間: 8h;流速: 0·1~0·3m/s或鈍化液均勻后浸泡。     7·3·6 水沖洗     鈍化結束后,排出鈍化液,用清水沖洗至系統中pH 8~9。     清洗結束時,除垢面積應達到原垢覆蓋面積80%以上,表面清潔,并形成良好的鈍化膜,無小孔腐蝕。其腐蝕速度的平均值均在6g/(m2·h)以下,滿足HG/T 2387—2007工業設備化學清洗質量標準要求,詳細數據見7·7·1。     7·4 清洗驗收及設備復位      1)聯系廠方驗收人員,現場驗收清洗工作;     2)連接法蘭,設備恢復到正常運行狀態。     7·5 廢液處理及排放(雙方協商確定處理方)由甲方進行處理,嚴格執行國標化學清洗廢液處理GB8978—1996《污水綜合排放標準》。     7·6 清洗質量標準     參考行業標準HB/T2387—2007工業設備化學清洗質量標準,要求:     1)除垢率及洗凈率:除垢率及洗凈率>90%[2];     2)腐蝕率:碳鋼腐蝕率<6g/(m2·h)[2];不銹鋼腐蝕率<2g/(m2·h);     3)鈍化率: 98%。     7·7 清洗評價     清洗完畢,打開上下連接管口,可直觀的看到不同潔凈度的列管表面,管表面清洗干凈(見圖2),然后進一步做鈍化,膜均勻致密、光滑、完整,清洗劑鈍化完好。但也有清洗不盡完美之處,因列管排列緊湊,列管夾縫還有少量絮狀藻類雜物存在,這種情況可以準確地說藻類已經被剝離但沒有被沖出,屬于掛壁現象,可在正常運行后隨著水流慢慢帶出系統。                   7·7·1 清洗腐蝕監測     加入清洗劑前,掛入碳鋼及不銹鋼試片于水系統中(濾網處,沿水流方向放置),清洗結束后取出,本清洗為確保檢測腐蝕準確性,相同掛片采用3片,以碳鋼掛片為例,碳鋼腐蝕速率1號試片1·98g/(m2·h); 2號試片1·88g/(m2·h); 3號試片1·92g/(m2·h),在HG/T 2387—2007《工業設備化學清洗質量標準》中碳鋼腐蝕率<6g/(m2·h)即為合格,本次清洗平均腐蝕率為1·93g/(m2·h),說明清洗過程中腐蝕是輕微的。     7·7·2 清洗前后正常運行冷卻效果對比     清洗前后冷卻水出水溫度有較大變化,清洗前為: 43~47℃,清洗后為66~71℃;冷卻時間也由清洗前的15h變為8h。可以看出冷卻同等量清洗時間縮短了7h,從節約能源、工作時間及運行效率來看明顯得到改善,通過總體的運行效果來看本次清洗非常成功,同時也再次說明換熱器的定期清洗勢在必行。     7·8 注意事項     1)進行酸洗前,要認真檢查換熱器是否有泄漏,如有則事先修補,以免清洗時損漏藥品,若發現管子堵死,一定要疏通后方可加藥。否則被堵死的管予洗不凈,重冼又增加成本,費時費力。     2)換熱器頂部應設排氣管,以使將清洗過程中產生的氣體排掉。防止產生氣阻現象。     3)將酸洗液注入換熱器時如發現換熱器內反應強烈,有大量泡沫沖出,應停止加入酸液;必要時可向換熱器內通入冷水,緩和作用速度,以阻止酸液外流。     4)酸洗時,若酸洗液中Fe3+離子含量達到500mg/L。實際操作中含量達到300mg/L時就應加入適量的亞硫酸鈉、氯化亞錫或次亞磷酸等強還原劑。盡可能確保安全,添加量可按化學反應式計算或按預先進行的小型試驗確定。     5)清洗泵入口或清洗液回流口裝設濾網,濾網孔徑應小于5mm。     6)清洗系統內含有銅、不銹鋼部件的閥門、計量儀表管等。在酸洗前拆除、封堵或更換。     7)為了確保清洗效果·在設計清洗系統時,最好能考慮進行反循環清洗。     8)清洗系統中應有溫度、壓力測量儀表及化學分析采樣點、府蝕監測點等。     8·結束語     本文主要結合工業清洗的基本程序,著重以換熱器清洗為例,從化學清洗原理角度出發,介紹了常見換熱器化學清洗藥劑的選擇原則。因藥劑選擇不當會導致被洗設備或材料的腐蝕損壞,或者造成清洗污染等危害,故對化學藥劑選擇尤為重要。     結垢對換熱器的危害的確很大,需要積極地預防和定期地清除。影響結垢的因素很多,只有找主要因素才能使問題簡化,對于不同類型的結垢,應采取針對性的采取清除措施,有效地治理換熱器的結垢問題,以提高換熱器傳熱效率及運行壽命。     參考文獻     [1]張世浩·換熱器表面水垢的清洗[J]·河南化工,1991·22(7): 24-27·     [2]化學工業機械設備標準化技術委員會·HG/T 2387—2007工業設備化學清洗質量標準[S]·北京:中國國家發展和改革委員會發布, 2007·
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