换热面材质对硫酸钙结垢形态的影响试验研究

王 磊1，赵 莹1，徐凤煜

(1.重庆电力高等专科学校，重庆 400053 2.中广核工程有限公司，广东 深圳 518124)

水是工业生产最常用的工质，在实际生产中，企业常从江河湖海中提取水资源。这些水资源常含有大量盐分，在换热器进行换热时，受热面会结垢，影响换热效果和设备安全，造成损失，所以换热器结垢问题受到了广泛关注[1-4]，同时换热器污垢的形成机理比较复杂[5]，目前大多数学者都仅从某一个点切入来进行研究。

盛健等[6]通过静态反应生长法，从酸碱度、溶液浓度和材料等方面来研究碳酸钙晶体形貌和污垢生长机理，实验结果显示，碳酸钙溶液浓度、pH值和材料表面自由能，都能促进晶体的生长，且呈细长柱状或针状。赵岩岩等[7]研究了微波对硫酸钙晶体的影响，在温度变化相同的条件下，不同的加热方式得到的晶体形貌差别非常明显。微波加热使晶体生长呈细针状，而水浴加热的晶体则成短粗状。微波条件下，产物主要成分为二水硫酸钙和少量半水硫酸钙，但水浴加热下基本为二水硫酸钙。朱志良等[8]研究了9种不同阻垢剂等实验条件变化对CaSO4结晶生长诱导期的影响，研究发现，阻垢的机理主要是阻垢剂对CaSO4晶种表面具有吸附作用，从而抑制了CaSO4的结晶生长。徐志明等[9]从管道流速、温度、溶液浓度、反应物和阴离子等5个方面研究了Cl-和NO3-对硫酸钙结垢特性的影响。结果表明，Cl-和NO3-对污垢晶体的形成有明显的促进作用，但这种促进作用受工质流速的影响，流速越大，促进作用越小，且与实验管段入口温度、溶液浓度没有明显关系。Beck等[10]研究了晶体生长影响因素，在实验条件范围内，溶液温度越高，浓度越大，对污垢晶体形状的影响越明显。本文主要研究4种不同材质的换热面对硫酸钙结垢形态的影响，以期进一步探讨不同换热面对硫酸钙污垢特性的影响。

1 试验设备与原理

1.1 试验溶液

试验所采用的化学药品均为分析纯，采用30 ℃的蒸馏水配置氯化钙和硫酸钠溶液，再将两种溶液进行混合，放于30 ℃的恒温水浴槽中进行化学反应，配置成一定浓度的硫酸钙溶液，用于模拟污垢溶液。其化学反应方程式为

CaCl2+Na2SO4=2NaCl+CaSO4

1.2 试验仪器

试验所用仪器为JSM-6510LV型扫描电镜，如图1所示，利用聚焦高能电子束在试样上扫描，激发出各种物理信息。通过对这些信息的接收、放大和显示成像，用来观测硫酸钙污垢试验样品微观结构，从而定性分析污垢晶体形成的影响因素。

图1 扫描电镜

试验所用材质分别为1#紫铜片、2#黄铜片、3#钛钢片、4#不锈钢片，将金属片制成小片，用砂纸除去金属表面氧化物和杂质，用于污垢沉积试验。

2 试验结果与分析

试验所用的硫酸钙污垢溶液质量浓度分别为1.0 g/L、2.0 g/L和3.0 g/L，配置后将溶液倒入烧杯，再放入30 ℃的恒温水箱中(模拟凝汽器工作环境)，将4组金属片(每组10个样品)放入污垢溶液中进行污垢静置试验。每隔2 h，分别从每组中取出1个，晾干制成扫描样品，在扫描电镜下观察。

在溶液质量浓度为1.0 g/L的试验中，20 h的试验时间内，4种试验样品均没有出现明显结垢现象；在溶液质量浓度为2.0 g/L的试验中，4种试验样品在不同的试验时间里，表现出明显的差异；在3.0 g/L的试验中，4种试验样品虽也表现出一定的差异，但差异较小，现象不明显。通过浓度对比试验发现，试验样品的结垢情况受浓度影响很大，且浓度越大，结垢速度越快。故以4种试验样品结垢区别最大的2.0 g/L试验组来进行分析。

在2 h和4 h的试验样品上，4种试验样品的电镜扫描图片几乎一致，都只有少量分布均匀的污垢晶体。这是因为在取片时有少量硫酸钙溶液沉积在样品上，此时试验样品还没有明显积垢现象。

在6 h的试验样品上，电镜扫描图片有明显差异。4种材质的试验样品500倍扫描图片如图3所示，硫酸钙晶体在紫铜片析出较为混乱，多呈扁平针状，且毛刺较多，少量聚集成晶花，如图2(a)所示。试验黄铜样品片析出晶体则呈棉絮状，分布较为均匀，这与试验初期溶液沉积的现象一致，同时还析出少量条状晶体，如图2(b)所示。试验中紫铜和黄铜样品分别析出了两种形态的硫酸钙晶体。钛钢片析出晶体多为细针状，且有部分晶体结成块状，晶体间聚集现象明显高于紫铜片，如图2(c)所示。不锈钢片析出晶体也呈细针状，但晶体间粘接现象明显，聚集状态是4种材质最多的，如图2(d)所示。试验中黄铜片结垢最少，紫铜片次之，不锈钢结垢最多，且污垢晶体致密紧实，晶体间聚集、结焦现象明显。

当静置试验达到8 h以后，4种材质析出的晶体均有较大程度的生长，图3为10 h试验样品扫描图片。对比图2的扫描图片可发现，虽然硫酸钙晶体在4种金属表面初期的生长呈现出不同的形态，但当试验时间足够长时，4组样品的析出晶体均成圆柱形。这说明在静置试验前期(6 h左右)，溶液在金属表面析出的晶体受材料表面性质影响呈现出不同的形态，而试验进行到8 h以后，溶液中游离的Ca2+和SO42-附着在金属表面已析出的晶体上，这就使所有试验样品在试验后期析出的污垢晶体均呈现圆柱形态，因此这一阶段析出的晶体与金属表面材料性质无关，与已析出的污垢晶体有关，或者说与样品所处试验溶液有关。

(a)紫铜片扫描图片

(b)黄铜片扫描图片

(d)不锈钢扫描图片图2 4种材质6 h试验样品扫描图片

(a)紫铜片扫描图片

(b)黄铜片扫描图片

(c)钛钢片扫描图片

(d)不锈钢扫描图片图3 4种材质10 h试验样品扫描图片

3 结论

1)试验样品结垢与试验溶液质量浓度有关，质量浓度越大，结垢速度越快。

2)在试验前期(6 h左右)，紫铜片析出晶体呈扁平针状且有聚集现象，在扫描图片中有少量晶花出现；黄铜片析出晶体多呈棉絮状且分布均匀，钛钢片析出晶体以长条状和片状居多；不锈钢片以条状形式析出晶体，但成错列分布，且聚集、结焦现象明显。试验进行到8h以后，4组试验样品的扫描图片均呈圆柱形。因为这一阶段，游离的Ca2+和SO42-均附着在金属表面已析出的晶体上，与金属材质无关。

3)换热面材质对硫酸钙晶体生长初期有一定的影响，但随着污垢晶体的持续附着，这种影响逐渐消失。

也就是说，相同型号、不同材质的换热器，在使用初期，换热性能主要受换热面材质影响；在长期运行中，若未能妥善维护，使换热面结垢较重，那不同材质的换热器的换热性能将没有明显区别。