換熱器是一種結(jié)構(gòu)緊湊、高效的換熱設(shè)備, 被廣泛應(yīng)用于冶金、石油、制藥、船舶、紡織化工、醫(yī)藥、食品等行業(yè), 是實現(xiàn)加熱、冷卻、熱回收、快速滅菌等用途的優(yōu)良設(shè)備。但是, 由于換熱器長期運(yùn)行, 用來冷卻或加熱側(cè)純凈程度的不同以及工藝介質(zhì)本身性質(zhì)的差異導(dǎo)致?lián)Q熱器結(jié)垢已成必然, 同時因換熱器本身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及規(guī)格型號的不同, 導(dǎo)致結(jié)垢程度也不一樣, 結(jié)垢后使內(nèi)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(chǎn)的正常進(jìn)行和設(shè)備的安全。

　　在結(jié)垢嚴(yán)重、成分復(fù)雜的情況下, 一般普通的物理方法不易清洗, 且拆洗過程費(fèi)時費(fèi)力, 本文針對換熱器著重研究了化學(xué)清洗的工藝, 此工藝簡單, 費(fèi)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(yīng)用很多。

換熱器結(jié)垢分析及清洗

結(jié)垢原因

　　結(jié)垢原因主要有3種情況: 1 )因為常用換熱器大多是以水為載熱體的換熱系統(tǒng), 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(cè)流體由于物質(zhì)本身的性質(zhì)可能出現(xiàn)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(dāng)流體所含的機(jī)械雜質(zhì)有機(jī)物較多而流體的流速又較小時, 部分機(jī)械雜質(zhì)或有機(jī)物也會在換熱器內(nèi)沉積, 形成疏松、多孔或膠狀污垢。

結(jié)垢種類

　　對于常用的換熱器而言。根據(jù)結(jié)垢機(jī)理,一般將結(jié)垢分為以下幾類:

• 類析晶結(jié)垢: 如水冷卻系統(tǒng), 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(jié)晶沉積在換熱器表面, 而形成了水垢;
• 粒結(jié)垢: 流體中懸浮的同體顆粒在換熱面上的積聚;
• 化學(xué)反應(yīng)結(jié)垢: 由于化學(xué)反應(yīng)而造成的同體沉積;
• 腐蝕結(jié)垢: 換熱介質(zhì)腐蝕換熱面, 產(chǎn)生腐蝕產(chǎn)物沉積于受熱面上而形成污垢;
• 生物結(jié)垢: 對于常用的冷卻水系統(tǒng)來講, 工業(yè)水巾往往含有微生物及其所需的營養(yǎng), 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;
• 凝同結(jié)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(jié)垢往往是多種過程的共同作用結(jié)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。

影響結(jié)垢因素

　　影響結(jié)垢的因素有很多, 如流體速度、流體流動狀態(tài)、流體組分的組成和含量以及換熱器的結(jié)構(gòu)等都對污垢的形成有一定的影響, 從應(yīng)用角度考慮, 我們只有找出主要因素才能使結(jié)垢問題得到有效解決。對于某一流體而言, 影響換熱器結(jié)垢的主要因素有以下幾個方面:

• 流體的流動速度: 在換熱器中, 流速對污垢的影響應(yīng)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(yùn)行中,流速的增加將增大能耗, 所以, 流速也不是越高越好, 應(yīng)就能耗和污垢兩個方面來綜合考慮。
• 傳熱壁面的溫度: 溫度對于化學(xué)反應(yīng)結(jié)垢和鹽類析晶結(jié)垢有著重要的作用, 流體溫度的增加一般會導(dǎo)致化學(xué)反應(yīng)速度和結(jié)晶速度的增大,從而對污垢的沉積量產(chǎn)生影響, 導(dǎo)致污垢增長率升高。
• 換熱面材料和表面質(zhì)量: 對于常用的碳鋼、不銹鋼而言, 腐蝕產(chǎn)物的沉積會影響結(jié)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(fā)生結(jié)垢。換熱面材料的表面質(zhì)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。

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(tǒng), 故在清洗時劃分為水(蒸汽)側(cè)及介質(zhì)側(cè), 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。

結(jié)垢不清洗的危害及影響

　　結(jié)垢使設(shè)備熱交換效率大幅下降, 能源消耗大幅增加, 生產(chǎn)成本上升熱交換設(shè)備中結(jié)生的污垢, 隨著化學(xué)成分的不同, 其導(dǎo)熱系數(shù)也有較大的差異。由于污垢的導(dǎo)熱系數(shù)極小, 結(jié)垢會嚴(yán)重影響熱交換設(shè)備的傳熱性能, 使生產(chǎn)能源消耗量大幅度上升。國內(nèi)外大量熱工試驗結(jié)果表明, 設(shè)備傳熱表面積結(jié)1mm 厚水垢, 熱交換設(shè)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(dǎo)致工業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)成本費(fèi)用大幅度上升。

　　結(jié)垢使換熱設(shè)備熱傳導(dǎo)工況惡化, 傳熱面超溫過熱, 引發(fā)鼓皰、裂紋、爆管等安全事故由于污垢的傳熱能力級差, 設(shè)備傳熱面結(jié)垢后,高溫側(cè)的溫度不能被快速傳導(dǎo)到低溫介質(zhì)中, 使傳熱面金屬壁溫持續(xù)上升并達(dá)到蠕變溫度。在設(shè)備帶壓運(yùn)行的狀態(tài)下, 過熱管壁因耐壓強(qiáng)度大幅下降而出現(xiàn)鼓皰、裂紋、泄漏甚至爆管的運(yùn)行安全事故。根據(jù)國內(nèi)部分省市技術(shù)監(jiān)督部門的統(tǒng)計, 鍋爐事故中因結(jié)垢和水質(zhì)引起的事故占到了60%以上。

　　結(jié)垢會引發(fā)垢下腐蝕損傷, 造成設(shè)備穿孔泄漏, 縮短設(shè)備使用壽命熱交換設(shè)備傳熱面結(jié)生的水垢, 其密度、厚度和化學(xué)組成通常呈不均勻狀態(tài), 這種不均勻的污垢覆蓋, 造成了金屬表面電化學(xué)不均勻性, 很容易引發(fā)電化學(xué)腐蝕反應(yīng)。腐蝕的結(jié)果是局部金屬被損傷減薄, 腐蝕可以達(dá)到穿透設(shè)備鋼板, 使設(shè)備泄漏、破損甚至達(dá)到失效的程度, 從而使設(shè)備維修費(fèi)用增加。腐蝕嚴(yán)重時, 會使設(shè)備提前報廢。

　　結(jié)垢會使生產(chǎn)工藝不穩(wěn), 影響產(chǎn)品品質(zhì), 引發(fā)質(zhì)量事故。熱交換設(shè)備結(jié)垢后, 由于傳熱效率下降, 會導(dǎo)致設(shè)備的加熱或冷卻工況惡化, 進(jìn)而影響到生產(chǎn)工藝過程, 儀表指示失靈, 溫度壓力指標(biāo)偏離工藝設(shè)計要求, 設(shè)備運(yùn)行參數(shù)發(fā)生改變, 生產(chǎn)工藝不穩(wěn), 最終使產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量下降, 次品率增加。嚴(yán)重時還可能中斷生產(chǎn), 造成計劃外停產(chǎn)。　

清洗方法

　　根據(jù)清洗方法的不同, 主要清洗方法為物理清洗和化學(xué)清洗。利用力學(xué)、聲學(xué)、光學(xué), 電學(xué)、熱學(xué)的原理, 依靠外來能量的作用, 如機(jī)械摩擦, 超聲波、負(fù)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(xué)反應(yīng)的作用, 利用化學(xué)藥品或其它溶劑清除物體表面污垢的方法叫化學(xué)清洗。如用各種無機(jī)或有機(jī)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(xué)清洗都存在著各自的優(yōu)缺點(diǎn), 又具有很好的互補(bǔ)性。在實際應(yīng)用過程中, 通常都是把兩者結(jié)合起來使用,以獲得更好的清洗效果。

清洗劑的選擇

　　工業(yè)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(zhì)量穩(wěn)定; ( 4)價格低廉。
　　國內(nèi)外工業(yè)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(yīng)針對清洗對象的材質(zhì)、清洗要求的不同, 污垢的不同等, 最好應(yīng)作工藝試驗, 才能選用。但在選用時應(yīng)綜合考慮并研究分析以下幾點(diǎn):

• 清洗劑的主要成分;
• 清洗劑各項物理性能;
• 清洗劑的主要特征及注意事項;
• 清洗劑的適用范圍(主要用途, 污垢對象等) ;
• 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;
• 清洗劑的成本;
• 有關(guān)清洗的法規(guī)等。

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(jù)換熱器材質(zhì)及結(jié)垢程度選擇試劑, 對于碳鋼材質(zhì)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(jī)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(jù)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(zhì)。黃銅尤其要注意, 黃銅主要成分為銅, 其次鋅的含量相當(dāng)高, 為了防止∀ 脫鋅#現(xiàn)象發(fā)生, 對酸洗液選擇盡可能濃度較低, 一般緩蝕劑同時保護(hù)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(fā)泡劑等可根據(jù)清洗劑選擇原則結(jié)合具體情況選擇, 此處不再敘述。

清洗前準(zhǔn)備工作

• 了解換熱器的結(jié)構(gòu)規(guī)格。材質(zhì)、容積、性能、介質(zhì)、工藝條件、使用情況和清洗范圍等, 查看設(shè)備有無變形、堵塞、泄漏等異常情況。
• 掌握設(shè)備的結(jié)垢腐蝕程度。采集垢樣并進(jìn)行垢樣化學(xué)成份的全分析和溶垢試驗。
• 查看公用工程條件狀況, 具體: 水、電、蒸汽、氮?dú)獾纫?guī)格及數(shù)量能否滿足清洗需要, 接點(diǎn)位置及距離泵站距離。
• 廢液的處理要求及排放地點(diǎn)。
• 清洗現(xiàn)場有無交叉作業(yè), 地面狀況、照明情況, 清洗泵站和清洗原料的具體位置擺放。
• 根據(jù)具體清洗現(xiàn)場狀況確定清洗過程中是否需要特殊工具儀器。
• 根據(jù)分析和實驗結(jié)果。選擇合適的化學(xué)清洗工藝條件。
• 進(jìn)行清洗系統(tǒng)的設(shè)計。根據(jù)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(jìn)出口和排污口設(shè)計臨時的連接管線和監(jiān)測管線。
• 根據(jù)所確定的清洗工藝和系統(tǒng)設(shè)計, 進(jìn)行備料。包括清洗設(shè)備和材料、化學(xué)藥品、分析監(jiān)測儀器和操作工具及安全防護(hù)用品等。

清洗準(zhǔn)備

　　因為換熱器大多是以水或蒸汽作為載熱體的換熱系統(tǒng), 故在清洗時分為水(蒸汽)側(cè)及介質(zhì)側(cè),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。

　　對換熱器垢樣樣品進(jìn)行實驗，根據(jù)化驗結(jié)果進(jìn)行換熱器殼程清洗, 藥劑選擇根據(jù)實際設(shè)備及結(jié)合文中藥劑選用原則選擇藥劑,設(shè)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(yán)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。

清洗系統(tǒng)的建立

　　本系統(tǒng)采用充滿循環(huán)方式清洗, 加料清洗時, 清洗液從泵站出來進(jìn)入換熱器殼程后出來返回至泵站, 水沖洗時切換進(jìn)出口反沖洗, 換熱器清洗流程詳見圖1所示。

　　清洗范圍: 換熱器殼程(水- 蒸汽側(cè)) ; 設(shè)備材質(zhì): 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(shè)備殼程水總?cè)莘e1m3; 設(shè)備結(jié)垢: 以無機(jī)鹽垢、生物泥、鐵銹為主; 設(shè)備問題: 設(shè)備使用4年無堵塞泄漏現(xiàn)象, 無重大障礙檢修記錄; 清洗現(xiàn)場: 現(xiàn)場藥劑及操作設(shè)備存放布置方便, 無交叉作業(yè), 可方便清洗; 安全要求: 嚴(yán)格遵守廠方安全管理制度, 嚴(yán)格清洗操作規(guī)范; 廢水處理: 甲方具備污水處理系統(tǒng), 故協(xié)商由甲方處理清洗廢液。

化學(xué)清洗步驟及監(jiān)控檢測分析

　　根據(jù)檢測結(jié)果及結(jié)合現(xiàn)場實際結(jié)垢程度, 盡可能保證安全且能夠達(dá)到清洗干凈的目的, 采用以氨基磺酸為主, 另適當(dāng)添加表面活性劑、黏泥剝離劑、發(fā)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(jié)果。

水沖洗

　　目的: 酸洗前的水沖洗是為了掀去系統(tǒng)中的泥沙和疏松的水垢等雜物。并且進(jìn)行試壓檢漏。操作: 先以高位注滿, 同時調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力, 達(dá)到水壓試漏的目的后, 從低位排放。沖洗速度不低于1