稠油污水回用锅炉结垢的清洗

丁万成谢 姝

(1.西南石油大学石油工程学院,四川成都 610500;2.中国石油新疆油田公司,新疆克拉玛依 834000)

稠油污水回用锅炉结垢的清洗

丁万成1,2谢 姝2

(1.西南石油大学石油工程学院,四川成都 610500;2.中国石油新疆油田公司,新疆克拉玛依 834000)

在对新疆油田稠油污水回用锅炉炉管内生成垢的成分进行分析和锅炉水质分析的基础上,研制了相应的清洗锅炉污垢的清垢液配方。通过溶垢试验和腐蚀速率试验证明,清垢液对稠油污水回用锅炉炉管内产生的污垢能完全溶解,对炉管的腐蚀速率远低于标准要求的 6 g/(m2·h)。

结垢 锅炉 污水 清洗

2002年以来,中国石油新疆油田公司为了充分利用水资源和有效利用能源,开展了将稠油污水进一步处理后,回用蒸汽锅炉的试验工作。试验用水源采用六九区稠油污水,稠油污水注蒸汽锅炉炉管采用 20号锅炉钢,规格 65 mm×12mm,辐射段有 56根炉管,每根炉管长 12 m,每根炉管接一个约 30 cm的弯头。试验完成后,通过对稠油污水回用试验锅炉的开炉检查,在第 1根和第 28根炉管上未发现沉积物;第 56根炉管内壁有一层附着力较强的灰白色垢。针对试验锅炉辐射段炉管内污垢的成分和结垢的特点,进行了清垢液配方的研制工作。

1 稠油污水回用锅炉结垢原理分析

1.1 污垢分析

污垢分析是确定锅炉结垢原因的重要依据。通过对稠油污水回用试验锅炉开炉检查,在使用了90 d和 334 d的第 56根炉管上的垢层平均厚度分别为54μm和328μm。稠油污水回用锅炉所结的垢在炉管内壁附着牢固,垢质坚硬,没有分层现象。对垢样进行成分分析的结果表明,CaSiO3,SiO2, Fe3O4和NaCl的质量分数分别为 60.72%,17.59 %,11.27%和 7.65%;其余为少量 CaCO3等其它物质,说明锅炉结垢的主要成分是硅垢。

1.2 水质分析

采用稠油污水处理后回用锅炉的锅炉水质分析[1]见表 1。

表1 炉前和炉后的锅炉水质分析

从表 1来看,处理后回用锅炉的稠油污水中SiO2含量较高,在锅炉炉管的辐射段,由于产生蒸汽量的增加,锅炉水中的可溶性 SiO2质量浓度大大提高,炉后水中的 S iO2含量是炉前水的 3倍多,致使在锅炉辐射段后端炉管产生了硅质垢沉积。而开炉检查的结果也说明只在锅炉辐射段后端炉管内有结垢的现象,垢样的主要成分也是以硅垢为主。因此可以认为造成蒸汽锅炉炉管结垢的主要因素就是回用的污水中可溶性 SiO2的含量过高。

2 清垢液配方研究

针对稠油污水回用锅炉的结垢产物和锅炉炉管内壁结垢的特点,进行了清垢液配方研究。清垢液中需要同时含有具有清垢能力的酸性物质和具有缓蚀能力的物质,以除去污垢同时减少清垢液对锅炉管壁的腐蚀[2]。

2.1 清洗液配方的清垢试验

选择有清垢能力的酸性物质A和B组成清垢液,对炉管内壁产生的垢样效果进行溶垢试验。实验在密闭体系内进行,采用 0.5 g片状垢样与15 mL清垢液,在 60℃下反应一定时间,得到溶垢率随时间的变化曲线见图 1。

图 1 溶垢试验中溶垢率随时间的变化

由图 1可见,当 A清垢液中只具有A组分时,溶垢能力很小,其平均溶垢率为 4.32%;当清垢液中只具有B组分时的平均溶垢率为 56.40%;当清垢液中同时具有 A和 B组分时,平均溶垢率为65.93%,高于A组分和 B组分的平均溶垢率之和,1和 2和 3号试验进行 2 h之后,各配方的溶垢率都达到了一个平台,再增加反应时间,各种配方的溶垢率波动幅度不大。这说明在封闭的反应容器中,由于反应产生的气体不能排出,反应体系达到了平衡,使得反应不能继续进行下去。

当清垢液中同时具有 A和 B组分,并且试验过程中每隔 0.5 h排气一次后,溶垢率有明显提高,达到 75.31%,这说明把反应产生的气体排出容器,打破反应平衡后,溶垢反应又可以继续进行,溶垢率有较明显的提高。

当清垢液中同时具有 A和 B组分,并且试验过程中每隔 0.5 h排气一次,然后在反应 2 h时补加一定量A和B后,更能使溶垢率达到 91.01%,这说明随着在反应中 A和 B组分的消耗,反应体系中具有清垢能力的组分质量浓度下降,也容易使得反应达到平衡,这时适当补充清垢组分,也可以明显的提高溶垢率。

针对垢样中的主要成分,F物质具有与B物质相似的溶解性质。采用 F物质代替 B物质后,在封闭容器中,10 mL清垢液对 0.5 g垢样的溶垢率从 25.85%上升到 29.40%,清垢液的溶垢率比原清垢配方略有提高,因此清垢液配方中的 B物质也可以采用 F物质代替。

2.2 清垢液清垢温度的确定

在锅炉清洗中清洗温度是决定清洗效果的一个重要的因素。实验采用 0.5 g片状垢样与 5 mL清垢液,分别在 30℃和 60℃下进行溶垢反应 4h,所测得的溶垢率分别为 22.71%和 33.84%,因此,温度由 30～60℃,清垢液的溶垢率提高了 49 %,随着温度继续提高,溶垢率还应有更进一步的上升,但是温度的升高必然也会导致腐蚀速率的升高,因此,在清洗过程中温度不应过高,清垢温度确定为 60℃。

2.3 清垢配方腐蚀速率试验[3]

实验方法为:按清洗配方配制 400～500 mL清垢液,取备好的 20号锅炉钢试片,每种清垢液中挂入两片,试片全部浸没到溶液中,试片和试片、试片和容器壁不接触。浸泡 4 h,取出用水冲洗,再用无水酒精清洗,然后干燥,分别称重,计算腐蚀速率和缓蚀率,取平均值。

清垢液配方中采用缓蚀剂D和 E,测定的腐蚀速率结果见表 2。

表2 清垢液常压静态腐蚀速率试验

从表 2可见,缓蚀剂 D和 E对清垢液配方的缓蚀效果良好,在设计的清垢温度(60℃)下,添加缓蚀剂 D和 E后,清垢液配方的腐蚀速率得到有效地控制,腐蚀速率在 1 g/(m2·h)以下,缓蚀剂的缓蚀率均在 98%以上。即使温度达到 90℃,清垢液中添加缓蚀剂后腐蚀速率也可控制在3g/(m2·h)以下,缓蚀剂的缓蚀率在 97%以上,远低于锅炉清洗对清洗液的腐蚀速率要求6 g/(m2·h)(《锅炉化学清洗规则》,国家质量技术监督局,质技监局锅发 [1999]215号,1999年 9月 21日)。

2.4 配方优化

考虑到在实际清垢过程中,清垢液中具有溶垢效果的组分在溶垢反应中会有一定的消耗,以下试验假设反应后只剩余部分A或 B组分,或者A和B组分均有部分剩余时,采用缓蚀剂D和 E,对清垢液腐蚀速率进行测试,试验结果见图 2。

图 2 各组分的常压静态腐蚀速率

由图 2可以看出,在 A组分有剩余的情况下, D和 E组分对体系的腐蚀速率有较好的抑制作用,腐蚀速率均远小于评价指标 (≤6 g/(m2·h), 60℃时)的要求;若体系中没有 A组分,则腐蚀速率大幅度上升,因此,A组分的用量不仅要满足对垢样中某些成分的溶垢需要,还应适当过量,以确保在溶垢过程中,随着 A的消耗,始终能使腐蚀速率小于评价指标;在同等条件下,含 D的配方比含E的配方腐蚀性小。但考虑到成本因素,含 E的配方比含D的配方更具优势。

综合上述各种试验的情况及成本因素,对稠油污水回用锅炉在炉管内产生的垢,采用的清洗液配方确定为:A加 F加 E。

2.5 清垢液的垢的现场试验

为考察实际清垢状态下的清垢液配方对锅炉炉管清洗能力,使用现场锯下的、采用稠油污水试验内壁附着有垢的炉管在动态腐蚀率测试仪上进行动态溶垢试验。清垢配方采用A加 F加 E,经过4 h和 60℃的动态模拟试验,测定常压动态腐蚀速率为 1.362 g/(m2·h),远低于锅炉清洗对清洗液的腐蚀率要求 (6 g/(m2·h))。采用稠油污水试验了 180 d的炉管,经过 4 h的溶垢实验,炉管内壁的垢基本溶完。在室内清洗试验的基础上,对回用污水的 53台锅炉陆续进行了清洗,均达到了预期效果。

3 结论

(1)处理后的稠油污水回用蒸汽锅炉使锅炉后端辐射段炉管结垢,结垢主要是回用锅炉的污水中可溶性 SiO2的含量过高造成的。

(2)研制出的清垢液清垢效果好,效率高。

(3)清垢配方对炉管的腐蚀速率可以有效地控制,远低于锅炉清洗对清洗液的腐蚀率要求。

1 姚继贤.工业锅炉水处理及水质分析[M].北京:劳动人事出版社,1987.60-66

2 郝景泰,于萍,周英.工业锅炉水处理技术[M].北京:气象出版社,2000.171-174

3 GB/T 16811-1997低压锅炉水处理设施运行效果与监测[S]

Abstract:Based upon the analysis of the furnace tubes fouling composition and boiler water of the heavy oil waste water recovery boiler in XingjiangOil Field,the for mula of relevant fouling cleanout fluid is developed.The verification tests of fouling dissolving and corrosion rate experiment have found that the fooling cleanout fluid can completely dissolve recovery boiler fouling and the corrosion rate for the furnace tubes ismuch lower than 6 g/m2﹒ h specification in standard.

Keywords:fouling,boiler,waste water,cleaning.

Cleaning of Fouling in Recycle Waste Water Boiler

Ding Wancheng1,Xie Shu2
1.College of Petroleum Engineering,Southwest Petroleum University(Chengdu,Sichuan610500) 2.PetroChina Xinjiang Oil Field Com pany(Karamay,Xinjiang834000)

TG155.41

A

1007-015X(2010)03-0019-03

2009-10-30;

2010-02-25。

丁万成,男,高级工程师,1995年毕业于石油大学 (华东)热工专业,现在中国石油新疆油田公司重油开发公司从事科研和新技术推进工作,同时为西南石油大学在读硕士研究生。