浅议化工企业换热器结垢的清理

衡海祥,李吉昌,闫菊芳

(甘肃金昌化学工业集团有限公司,甘肃 金昌 737009)

浅议化工企业换热器结垢的清理

衡海祥,李吉昌,闫菊芳

(甘肃金昌化学工业集团有限公司,甘肃 金昌 737009)

合成氨、联碱等化工生产中换热器常出现结垢现象,分析了换热器结垢产生的原因和影响因素,提出如何减少、消除结垢形成的措施,以及结垢后几种常用的清理方法。

换热器;结垢;清理

1 换热器结垢成因分析

1.1 常见换热器的类型

在化工厂,换热器的费用约占总费用的10%～20%,在炼油厂约占总费用的35%～40%。我公司购进或自己研发、制造的换热器有省煤器,煤气冷却器,油冷凝器,变换二氧化碳再沸器,压缩冷排,煤气过热器等。

1.2 换热介质的化学成分对结垢形成的影响

水是最常见的换热介质,其杂质成分对换热器结垢的形成有很大影响,我公司压缩冷盘、油冷器等严重结垢就属于这种现象。具体来说有:以离子或分子状态溶解于水中的杂质:钙盐类、镁盐类、钠盐类;以胶体状态存在的杂质:铁化合物、微生物、冷却循环水中的污泥;来源于空气中的尘土及补充水中的悬浮物,这些物质逐渐沉积在流速较低的换热器中。另一种是微生物的分泌物与水中泥沙、腐蚀产物、菌藻残骸黏结而成的黏垢,常常附着在换热器壁面上。

1.3 换热器结垢的理化性质

在受热面与传热表面上沉积的附着物层常称作水垢。在换热器中,尤其是压缩冷盘等循环冷却式换热器中,含有碳酸氢盐分解产物和微生物污泥。碳酸盐水垢是循环冷却水系统和热交换器传热表面的主要垢种。碳酸盐水垢的基本性状:碳酸盐水垢外观为白色或灰白色。如果设备有腐蚀时,会染上腐蚀产物的颜色。碳酸盐水垢质硬而脆,附着坚牢,难以剥离刮除。

1.4 换热过程中介质的流速对结垢形成的影响

适当提高流体的流速,使流体中的沉积物不易沉积、结垢,但换热器的压降增大;不断地改变流体的流动方向,使流体不停地冲击换热管的壁面,让流体中的各种杂质不易在壁面停留;选择耐腐蚀的光滑材料,也可以减缓污垢的形成。实践中,我们常通过压力差的检查,判断换热器是否结垢。公司在每次设备检修停车前也都这样做。

1.5 换热过程中介质的温度对结垢形成的影响

换热器进出口温度的变化直接反映出换热器换热能力的变化。当传热能力低到不能满足工艺要求时,则应通过机械清洗或化学清洗提高换热能力,满足和维持工艺运行的需要。用水作冷却介质时,水的出口温度最好控制在50℃,因为超过50℃会使管子腐蚀,并使换热器结垢严重,影响换热能力,故出口水温不要超过65℃。

1.6 换热器结构形式对结垢形成的影响

实践中发现,管道的结构形状对结垢有很大影响。例如波纹管管道,它不仅可以迫使流体按规定路径多次错流通过管束,使流体的湍流程度持续得到强化,还能提高传热效率,同时具有很好的防结垢能力。而我公司压缩冷盘水箱连接短管管径小,停车时就容易形成结垢。

1.7 局部环境条件对结垢形成的影响

操作温度高于或低于环境温度时,有的换热器需保温或保冷,保温或保冷层的完好状态直接影响换热器传热性能。如保温或保冷层一旦破坏,局部环境条件发生变化,也会加速结垢的聚集,形成结垢层。

1.8 换热器停用对结垢形成的影响

公司换热设备在每年大修停用期间,如果内部的积水或集液未及时排出或排除不彻底,在相对静置的条件下更容易形成结垢,因而,在设备停用特别是在较长时间内停用时,应注意换热器的维护保养。

2 减少、消除结垢形成的方法

2.1 从设计角度减少、消除形成结垢的条件

换热器的设计是通过计算确定经济合理的传热面积及换热器的有关结构尺寸,以实现所需的传热目的。在结构设计时,不妨考虑采用特殊结构,例如:设计能产生湍流的结构,重要的换热设备也可考虑设置电子除垢器、反冲洗系统等,如果使用水作为换热介质,在考虑腐蚀的情况下,使用防结垢添加剂等材料,除此之外,遵循简单的设计原则也可减少甚至消除形成结垢的外部条件,例如:

1)不洁净和易结垢的流体宜走管程,因为管程清洗比较方便。

2)流量小或黏度大的流体宜走壳程,因流体在有折流挡板的壳程中流动,由于流速和流向的不断改变,即可形成湍流,阻止结垢形成。

3)腐蚀性的流体宜走管程,以免管子和壳体同时被腐蚀,且管程便于检修与更换。

4)被冷却的流体宜走壳程,可利用壳体对外的散热作用,同时管程结垢后便于更换。

5)饱和蒸汽宜走壳程,因蒸汽较洁净,不易结垢,不需清洗。

流体流速的选择:流体流速的选择涉及到传热系数、流动阻力及换热器结构等方面。增大流速,可加大对流传热系数,减少污垢的形成,使总传热系数增大;但同时使流动阻力加大,动力消耗增多;选择高流速,使管子的数目减小,对一定换热面积,不得不采用较长的管子或增加程数,管子太长不利于清洗,单程变为多程使平均传热温差下降。因此,一般需通过多方面权衡选择适宜的流速。温差不大、壳程介质结垢不严重、壳程能采用化学清洗时,选用固定管板式换热器。

换热器形式的选择:温差较大时,可选用浮头式换热器、“U”形管式换热器、填料函式换热器和滑动管板式换热器。要对壳程进行机械清洗时,选用管束可抽出的结构;高温高压时,可选用“U”形管式换热器;壳程介质为易燃、易爆、有毒或易挥发,以及使用压力、温度较高时,不宜采用填料函式换热器;管程介质和壳程介质不允许相混时,可采用双管板结构的换热器。

2.2 合理选用换热介质及前期处理方法

对于循环冷却水,应定期检测水质,使水质符合GB50050-1995《循环冷却水的水质标准》,当水质不能达到标准时,应按国家标准GBJ50-1995《工业循环冷却水处理设计规范》中的方法对水质进行处理,这样能有效防止水垢对设备换热效果的影响。

循环水系统中所加的药剂主要是杀菌灭藻剂和缓蚀阻垢剂,其目的是改善循环水质,减缓设备及管道腐蚀,防止换热器内结垢,加大污垢热阻。必要时加硫酸进行调节pH值,注意循环水硬度和pH值,及时调整阻垢剂和硫酸用量,灭藻剂一般采取冲击式加入法,在加入灭藻剂的1～2天注意排污。如果有条件可以上软水处理系统,但是灭藻剂是必须添加的,即便如此,一些生物黏泥也会附着在换热器上,可以考虑用高压水进行清洗,我们在实际生产过程中要严格控制相关工艺参数,同时在循环水系统中不同点悬挂挂片,根据挂片腐蚀情况对药剂加以适当调整。

2.3 从换热器操作的工艺控制方面减少、消除结垢形成

换热器的工艺条件包括传热量、流体的热力学参数(温度、压力、流量、相态等)与物理化学性质(密度、黏度、腐蚀性等)。在保证传热效能的同时,尽量减少结垢形成的条件;操作时要严格按照规范进行,一般做法是:

1)增大传热系数。在综合考虑流体阻力及不发生流体诱发振动的前提下,尽量选择高的流速。

2)提高平均温差。对于无相变的流体,尽量采用接近逆流的传热方式。因为这样不仅可提高平均温差,还有助于减少结构中的温差应力。在条件允许时,可提高热流体的进口温度或降低冷流体的进口温度。

3)妥善布置传热面。例如公司换热器、冷盘等,采用合适的管间距或排列方式,不仅可以加大单位空间内的传热面积,还可以改善流体的流动特性。错列管束的传热方式比并列管束的好。

3 已形成结垢的清理方法

3.1 化学方法

化学方法即利用化学反应清除积垢或利用化学反应使积垢疏松,再用外力清除之。当然,对于化学方法清洗,最好请有经验的专业公司进行,虽然自己清洗成本低,但洗前应先分析垢的成分,并制定详尽的施工方案。清洗时确保药液对换热管及工艺管线不被侵蚀。

3.2 机械方法

1)高压水射流清洗:根据纯碱厂生产特殊性,高压水射流清洗是专家们一致认为纯碱及化肥企业清洗的必由之路。原因如下:

①纯碱厂由于所用原材料为食盐以及化盐和冷却用河水,换热设备中的结疤质硬、量多,清理困难;

②设备容积大,化学清洗成本太高,而且在有的场合下行不通;

③设备中存在有害气体,劳动环境恶劣,如除钙塔内有CO、蒸氨塔内有氨气等;

④有些设备管道,人工无法彻底清洗。

总之,用高压水射流清洗无环境污染、不会腐蚀金属,成本低、效率高、应用范围广、节水节能。我们一般采用5～10MPa压力经喷枪喷嘴形成强力射流,水量达80～120L/min,对垢层进行破碎冲刷,达到清洗目的。

2)用手工清理或用管道机械清洗刷进行清洗:用手工清理或管道机械清洗刷进行清洗管子内壁,此法适应性较好,可多次清理,但须注意不可对管壁造成损坏。

实践中,我们经常遇到在换热器运行中的清垢和停车检修时的清垢:

1)操作运行中的清垢

为消除换热器运行中结垢,可定期暂时地增大流量或进行逆流操作,能有效消除管内壁的轻质附着物,但要在设备上预设逆洗管线;也可用胶球清洗;也可根据流体种类注入合适的化学药剂,将污垢去除。

2)停车时的清洗

换热器停车清洗应对不同类型换热器及结垢情况采用不同的方法,主要有高压水射流清洗、化学清洗与机械清洗。机械清洗为人力拉通条或用电动钻头旋转逐根对传热管进行除垢清洗。每次停车检修后立即清洗效果最好,如压缩油冷器检修完应及时清洗,放的时间长不容易清洗,劳动强度大、且易损伤钢管内壁。

总之,在平时的工作中以有效的技术和制度化的管理做好换热设备的消垢、除垢工作,使其始终处于良好工作状态,为公司争取更大的经济效益。

[1] 秦国志,田志明.工业清洗及应用实例[M].北京:化学工业出版社,2003

[2] 杨善让,徐志明.换热设备的污垢与对策[M].北京:北京科学出版社,1996

[3] 郭泉,王围玲.换热器的结垢[J].辽宁化工,200l

TQ114.15

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1005-8370(2011)05-43-03

2010-06-10

衡海祥(1967—),工程师,讲师。