GGH在線不停運清洗阻垢工藝及裝置設(shè)計探討

方忠華，楊曉良，吳 凡

(常州市肯創(chuàng)環(huán)境工程技術(shù)有限公司，江蘇 常州 213161)

0 引言

石灰石/石膏濕法煙氣脫硫工藝中，隨著脫硫系統(tǒng)的運行，煙氣熱交換器(以下簡稱GGH)換熱面經(jīng)常會出現(xiàn)不同程度的積灰、結(jié)垢，嚴(yán)重的會造成堵塞，影響脫硫系統(tǒng)的正常運行。特別是環(huán)保部門對脫硫系統(tǒng)取消旁路的強制要求，GGH 運行情況將直接關(guān)系到火電廠脫硫系統(tǒng)和主機的安全運轉(zhuǎn)。本文就是結(jié)合企業(yè)自身經(jīng)驗和研究，嘗試探討在GGH 正常運行情況下的清洗阻垢技術(shù)可行性，以期實現(xiàn)有垢洗垢無垢阻垢、變被動清洗為主動預(yù)防之目的。針對GGH 大多結(jié)的是硫酸鹽污垢，肯創(chuàng)公司已開發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的專用清洗藥劑，實現(xiàn)了常溫清洗，這為研發(fā)GGH 不停運清洗阻垢藥劑創(chuàng)造了條件。不停運在線清洗阻垢技術(shù)就是在機組正常運行、煙氣正常流通狀態(tài)下進行，其核心問題是:化學(xué)藥劑應(yīng)該能夠在盡可能短的時間里發(fā)揮最大效力，使技術(shù)上可行;如何將藥劑不必要的損失降到最低，使經(jīng)濟上可行。

基于此，我們在藥劑復(fù)配、清洗阻垢裝置合理設(shè)計及工藝的緊密結(jié)合等方面進行了研究探討。

1 藥劑的復(fù)配選型

1.1 藥劑方案選型原理

基于硫酸鹽中性常溫型專利清洗藥劑的成功運用，為達到藥劑更加迅速作用目的，我們考慮在原有配方中引入具有強酸和弱酸兩種官能團的藥劑，其原理是:強酸官能團保持著輕微的離子特性，弱酸基團則對活性部位有更強的約束能力。其分子中既含有膦酸基，又含有磺酸基，還有羧酸基等多種官能團，其中羧酸基團對多價陽離子親和力強，易吸附粒子;磺酸基團也可以增強聚合物的水溶性，使分子鏈在水中充分伸展，通過它可提高共聚物的滲透力或靜電斥力，從而大大改善共聚物的親水性，提高其抗陽離子沉淀及分散粘泥、腐蝕產(chǎn)物等能力。

1.2 藥劑作用機理分析

根據(jù)藥劑選型，進行了其作用機理的分析，復(fù)配藥劑方案至少在以下方面具有作用:

(1)螯合增溶作用。含膦酸基、磺酸基共聚物溶于水后發(fā)生電離，生成帶負電性的分子鏈，它與Ca2+形成可溶于水的絡(luò)合物或螯合物，從而使無機鹽溶解度增加，起到阻垢作用［1］。

(2)靜電斥力作用。含膦酸基、磺酸基共聚物溶于水后吸附在無機鹽的微晶上，使微粒間斥力增加，阻礙他們的聚結(jié)，使它們處于良好的分散狀態(tài)，從而防止或減少垢物的形成。

(3)晶格畸變作用。含膦酸基、磺酸基共聚物吸附在無機鹽晶核或微晶上，占據(jù)了一定的位置，阻礙和破壞了無機鹽晶體的正常生長，減慢了晶體的增長速率，從而減少了鹽垢的形成［2］。

(4)低劑量效應(yīng)。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因在于共聚物的陰離子和陽離子的螯合作用并非按化學(xué)計量比進行。當(dāng)溶液中有大量的碳酸鈣、硫酸鈣小晶體存在時，這些小晶體能通過物理或化學(xué)作用吸附一定量的含膦磺酸基共聚物，使界面能大大增加。界面能越高，小晶體析出越困難［3］。

(5)絮凝作用。當(dāng)含膦、磺酸基共聚物加入水中，高分子鏈在水中舒展，分子鏈上所帶眾多負電荷基團吸附碳酸鈣和硫酸鈣細微晶粒，形成松軟顆粒，懸浮在水中，阻止垢的形成。

(6)再生自解脫膜假說。共聚物阻垢分散劑能在金屬傳熱面上形成一種與無機晶體顆粒共同沉淀的膜，當(dāng)這種膜增加到一定厚度時，會在傳熱面上破裂并帶著一定大小的垢層離開傳熱面。由于這種膜的不斷形成不斷破裂［4］，使垢層的生長受到抑制，這種假說稱為“再生自解脫膜”假說，它可以解釋聚電解質(zhì)的消垢作用。

2 工藝研究

2.1 應(yīng)用工藝環(huán)境

電廠煙氣脫硫系統(tǒng)中GGH 在不停運狀態(tài)下，煙氣各參數(shù)因機組大小不同而各異，主要包括以下技術(shù)參數(shù):原煙氣總流量、凈煙氣總流量、原煙氣流速、凈煙氣流速、原煙氣進氣GGH 熱端溫度、GGH 冷端溫度、凈煙氣進氣GGH 熱端溫度、GGH 冷端溫度、原煙氣GGH 系統(tǒng)壓力或冷熱端壓差、凈煙氣GGH系統(tǒng)壓力或冷熱端壓差、原煙氣氣流流向(自下而上)、凈煙氣氣流流向(自上而下)。

2.2 應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)施狀況

有待研發(fā)的清洗工藝及裝置應(yīng)用在不同規(guī)格的GGH 機組環(huán)境中，一般常見情況如下［5］:GGH 各換熱單元采用主體碳鋼材質(zhì)，外裹搪瓷;GGH 各單元包沿氣流方向高度約400－900 mm 之間;GGH 各單元包組成換熱板采用斜波紋式、直紋式;GGH 各單元包波紋板排列間距3～6 mm;GGH 整體轉(zhuǎn)盤順時針旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速小于3 r/min;系統(tǒng)內(nèi)裝配高壓水沖洗、低壓水沖洗、壓縮空氣吹掃裝置;GGH 轉(zhuǎn)盤內(nèi)沿邊豎直向上空間有3～6 m，向下空間有3～6 m。

2.3 不停運清洗阻垢工藝

圖1 GGH在線不停運清洗工藝流程

如圖1所示，系統(tǒng)在煙氣流通、正常運行中，選取在凌晨最低負荷時間段，啟動清洗補水泵，噴淋潤透GGH 各單元件后，啟動加藥泵，噴淋經(jīng)計算好的藥量，采用連續(xù)或間斷式加藥。加藥同時調(diào)節(jié)補充水，補水分凈煙氣及原煙氣側(cè)分別進行，補水亦采用連續(xù)或間斷式，以保證及時補充蒸發(fā)損失的水分，維持藥劑在濕潤狀態(tài)下對污垢的作用。

在上述工藝中，考慮到藥劑無法回收，如何將藥劑用量控制最經(jīng)濟節(jié)省，需要考慮因素較多。因此，根據(jù)實際停運離線清洗經(jīng)驗及設(shè)備本身結(jié)構(gòu)特性，設(shè)計合理的藥劑噴淋裝置加之科學(xué)的噴淋工藝控制，才可最大限度保證藥劑的使用效率、效果，把藥劑流失及揮發(fā)損失降低到最小。

該工藝中主要包含三個要點:一是在線水射流清洗，流量應(yīng)不低于60 L/min;二是藥劑噴淋浸透，按計算量的藥劑調(diào)節(jié)噴淋量，控制噴淋時間，使藥劑能快速全面地滲透到表面積垢內(nèi)，扭曲污垢晶鍵形態(tài)，使頑固性硫酸鈣、二氧化硅等污垢發(fā)生溶脹效果，達到去除目的;三是清洗施工時間段或頻率的選擇及藥劑使用量。

2.4 工藝及裝置選定初步探討

工藝及裝置選定包括加藥槽及工藝選擇、加壓水泵及加藥泵選擇和藥劑噴淋裝置及工藝選擇。在該裝置系統(tǒng)中，噴淋裝置的設(shè)計及噴淋工藝的選擇，對整個清洗效果起著決定性作用，主要從噴淋裝位置確定、噴淋頭設(shè)計及噴淋方式、噴淋補水裝置及工藝選擇3 個方面細化討論:

(1)噴淋裝置位置確定。在GGH 冷側(cè)加噴淋裝置，藥劑順著煙氣從上而下流動，藥劑借助泵壓、重力勢能、氣流推動容易快速分布到GGH 各波紋槽，煙氣溫度較低，大大減緩了藥劑水分蒸發(fā)速度，更好的保證藥劑有效性。因此，加藥裝置選定在凈煙氣側(cè)，GGH 冷端上部相對較好。

(2)噴淋頭設(shè)計及噴淋方式。噴淋頭設(shè)計參數(shù)包括噴淋角度、噴淋面積、噴淋高度、噴射壓力。噴淋方式采取連續(xù)或間斷式。GGH 順時針轉(zhuǎn)動，一般轉(zhuǎn)速不大于3 r/min，在運行中清洗加藥主要考慮藥劑盡可能在低溫區(qū)多停留，減少藥劑蒸發(fā)損失，故噴淋頭應(yīng)盡可能安裝在緊靠分氣線側(cè)，沿分氣線凈煙側(cè)順時針30°安裝，預(yù)留足夠空間，維修方便。

(3)噴淋補水裝置及工藝選擇。補水裝置主要考慮安裝位置、噴淋高度、噴淋面積及噴淋水量。補水噴淋頭安裝在藥劑噴淋頭順時針方向90～120°位置可能比較合適。噴淋頭設(shè)計成球形，多方位噴射霧狀水，盡可能噴灑到更大空間，一般進氣GGH上部有3～6 m 垂直高度空間，噴淋高度至少保持在高3 m 空間，覆蓋面積在整個凈氣側(cè)轉(zhuǎn)盤的三分之二左右，才會有效的增加進氣濕度及下落沖擊力，這樣才會間接補充藥劑失水量，更快推動藥劑流動滲透到各單元板表面。噴淋水量的控制需要結(jié)合實際運作、理論計算等多方面因素綜合考慮。

3 經(jīng)費預(yù)測

我們以某300 MW 機組為例，立足于用戶不同角度，同時考慮實施效果，對費用進行了對比分析。

3.1 停運在線清洗費用預(yù)算

各機組使用年限及工藝狀況有差異，結(jié)垢程度也不同，按保持較好的GGH 運行狀態(tài)，我們按全年清洗4 次保守預(yù)算，每次停運7 d，每次清洗費用為10 萬元，全年清洗費用為40 萬元;每次停機7 d，全年4 次，300 MW 機組發(fā)電量30 萬kW·h/h，每天按24 h 計，發(fā)電量損失20160 萬kW·h。據(jù)不完全統(tǒng)計，火電運行成本約為0.15～0.25 元/(kW·h)，因此因停機而造成的發(fā)電量減少收益損失也是相當(dāng)大的，更重要的是該清洗是一種被動處理措施，只能緩解，不能徹底清理，可能機組最終還是無法滿負荷運行，同時還存在非計劃停機考核風(fēng)險，因此，間接經(jīng)濟損失不易估算。

3.2 不停運在線清洗阻垢費用預(yù)算

不停運清洗阻垢，硬件裝置一次性投入費用約3～4 萬元，預(yù)計每15 天噴淋1.5 t，全年24 次，藥劑按2 萬元/t 計，全年費用約76 萬元。相對而言，避免了結(jié)垢被迫停機清洗造成的直接發(fā)電收益損失，降低或避免了設(shè)備運行風(fēng)險。GGH 在線不停運清洗阻垢的實施，直接或間接經(jīng)濟效益是十分明顯的，同時在環(huán)境保護方面帶來了積極的社會意義:一是直接避免了不必要的被迫停機維護所造成的經(jīng)濟損失;二是延長了GGH 的使用壽命，降低了維修費用;三是更有效保障了設(shè)備的滿負荷運行，降低或避免了設(shè)備運行風(fēng)險，安全穩(wěn)定生產(chǎn)確保設(shè)備運行效益最大化;四是在環(huán)境保護方面，更能很好的滿足煙氣治理相關(guān)政策要求。

4 結(jié)語

GGH 在線不停運清洗阻垢工藝是目前非常前衛(wèi)的一種清洗技術(shù)，如果在一個檢修周期內(nèi)不結(jié)垢或結(jié)垢很輕微的話，就可以達到不會因GGH 結(jié)垢故障停機檢修的目的。通過工程實踐的不斷總結(jié)，研發(fā)一套在線不停運清洗阻垢裝置及工藝，并結(jié)合藥劑配方的深入研究，一定能夠?qū)崿F(xiàn)GGH 不停運清洗阻垢技術(shù)的突破。

［1］Suitor J W，Mamer W J，Ritter R B.The history and status of research in fouling of heat exchanger in cooling water service Can［J］.J Chem Eng，1977，(55):374.

［2］鄭邦乾，朱清泉.高分子阻垢劑及其阻垢機理［J］.油田化學(xué)，1984，(2):181－186.

［3］李裕芳.阻垢劑分散劑控制沉積機理探討［J］.工業(yè)水處理，1986，6(4):36－41.

［4］Libuttil，Knudsen J G，Mueller R W.The eddects of antiscalants on fouling of cooling Water［J］.Material Performancr，1984，23(11):47－53.

［5］王源昌.脫硫系統(tǒng)GGH 吹灰器高壓水噴嘴改進［J］.電力科技與環(huán)保，2010，27(5):39－40.