低溫多效海水淡化裝置中污垢的形成

歐 佳，宋雪峰，李夢學(xué)

(天津國投津能發(fā)電有限公司，天津 300480)

海水淡化作為水源水，是解決水危機(jī)的一條非常有效且極具發(fā)展前景的途徑[1-2]。目前，海水淡化技術(shù)處于起步階段，主要有膜法和熱法兩大類。膜法主要包括反滲透和電滲析等方法(本文不進(jìn)行討論);熱法主要包括多級閃蒸、多效蒸發(fā)和蒸汽壓縮等方法[3-6]。而熱法在換熱面極易產(chǎn)生污垢現(xiàn)象，換熱器中的污垢是指在與流體相接觸的換熱面上沉積的一層固態(tài)物質(zhì)，這種物質(zhì)會使換熱設(shè)備的傳熱能力大大降低，介質(zhì)流動阻力大大增加，不但增加了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)損失，而且降低了設(shè)備的安全性能[7]。因此，為了有效地去除這種污垢和了解形成污垢的過程，本文通過模擬低溫多效海水淡化裝置中第一效的運(yùn)行工況(實(shí)際運(yùn)行中，污垢在第一效蒸發(fā)器顯現(xiàn)最為嚴(yán)重)，以現(xiàn)場運(yùn)行的海水為研究對象，采用X射線相解析(XRD)、掃描電鏡(SEM)和涂層測厚技術(shù)，對其進(jìn)行了具體研究。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由效體段、冷凝段、干燥段和抽真空段4部分組成，如圖1所示。效體段以恒溫水在管道內(nèi)循環(huán)，溫度儀與恒溫水箱加熱裝置聯(lián)鎖，以自動實(shí)現(xiàn)進(jìn)入管道內(nèi)的水溫與蒸汽溫度相同;海水進(jìn)水流速與生產(chǎn)中的流速一致，2.2 m/s。冷凝段用于將效體段抽出的水蒸氣冷凝為液態(tài)水，由循環(huán)冷卻裝置和冷凝器組成。干燥段是由填充無水氯化鈣的干燥塔和淡化水出水調(diào)節(jié)閥組成。抽真空段由真空泵和調(diào)節(jié)閥組成，用于抽真空，使效體段內(nèi)部的真空值與生產(chǎn)運(yùn)行中的真空值一致，調(diào)節(jié)閥用于對效體段的真空度進(jìn)行調(diào)整。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

1.2 實(shí)驗(yàn)原理

模擬生產(chǎn)中海水淡化第一效蒸發(fā)器裝置，效體段內(nèi)換熱管為10根內(nèi)徑25 mm，壁厚0.5 mm長2 000 mm的鈦鋼管。實(shí)驗(yàn)開始后，每隔設(shè)定的時間，取出一根鈦鋼管，用涂層測厚儀對鈦鋼表面的垢層厚度進(jìn)行檢測;用掃描電鏡(SU-70，日本日立)對污垢進(jìn)行表面形貌觀察，以區(qū)分不同析出條件下的外觀特征;用X射線射線儀(XD-D1，日本島津)進(jìn)行X射線分析，以區(qū)分相分組成。用酸洗的方法，對鈦鋼管表面的碳酸鈣污垢進(jìn)行清洗。

1.3 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

某電廠海水淡化設(shè)備運(yùn)行時，一般采取蒸汽品位相對較低的六抽蒸汽，運(yùn)行的各種參數(shù)及出力具有可調(diào)節(jié)性，具體參數(shù)如表1所示。

表1 海淡設(shè)備首效運(yùn)行參數(shù)

本實(shí)驗(yàn)采用比較接近運(yùn)行平均值的參數(shù)，如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)運(yùn)行參數(shù)

進(jìn)料海水主要鹽類組成如表3所示。

表3 進(jìn)料海水主要鹽類組成

由表3可見，海水中含有豐富的化學(xué)資源，但其巨量的鈣鎂離子所形成的碳酸鹽、碳酸氫鹽、硫酸鹽、氯化物等導(dǎo)致海水具有很高的硬度，淡化過程中極易生成污垢。碳酸鈣垢與硫酸鈣垢是最常見的兩種污垢。本實(shí)驗(yàn)通過對設(shè)備運(yùn)行中產(chǎn)生的污垢滴加稀鹽酸，發(fā)現(xiàn)污垢溶解且有微小氣泡產(chǎn)生，經(jīng)測試，確定為碳酸鈣污垢，這與文獻(xiàn)中85℃以下形成碳酸鈣垢的傾向大的結(jié)論相符[8]。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 海水淡化設(shè)備CaCO3污垢形成規(guī)律探索

污垢形成規(guī)律實(shí)驗(yàn)共設(shè)置了兩組，每組的區(qū)別在于取出鈦鋼管的間隔時間不同。第一組每隔24 h取出一根鈦鋼管，共計(jì)時間216 h，具體數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖2 CaCO3污垢厚度時間變化圖

由圖2分析知，前75 h的時，鈦鋼管表面CaCO3污垢一直保持增長狀態(tài);72 h之后，污垢的厚度不在增長，基本維持在580 μm左右，120 h后有略微下降的趨勢。因此，第二組實(shí)驗(yàn)改變?nèi)〕鲡佷摴艿拈g隔時間，每隔10 h取出一根鈦鋼管，共計(jì)100 h，具體數(shù)據(jù)如圖3所示。

圖3 CaCO3污垢厚度時間變化圖

由圖3分析得知，鈦鋼管表面CaCO3污垢隨著時間的推移，厚度在不斷地增加，在第60 h的時候，污垢的厚度達(dá)到了最大值，約為585 μm。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，60 h的時候CaCO3污垢在管壁形成，并達(dá)到一定的厚度，在這之后，厚度基本上維持不變。

2.2 CaCO3污垢外觀特征分析

用掃描電鏡對鈦鋼管表面析出的CaCO3污垢進(jìn)行了掃描分析，結(jié)果如圖4所示。

圖4 CaCO3污垢的SEM形貌

通過對管道表面的SEM分析，可以直觀的看到污垢顆粒在管道表面的附著情況(見圖4)。實(shí)驗(yàn)條件下，CaCO3在鈦鋼管表面形成的污垢結(jié)構(gòu)較為疏松，或者可以直接說是由大顆粒直接附著了小顆粒形成的垢層。

2.3 XRD分析

碳酸鈣污垢常見的晶相有3種:方解石、球霰石和文石。用X射線對析出的CaCO3污垢進(jìn)行衍射，分析污垢的相分組成，結(jié)果如圖5所示。

圖5 CaCO3污垢的X射線衍射結(jié)果

由圖5可以看到，CaCO3污垢的主要晶相為方解石和少量的文石。方解石和文石的相對含量可按如下公式計(jì)算[8]。

式中:ωa為主峰位于27.1°的斜方晶結(jié)構(gòu)的文石質(zhì)量分?jǐn)?shù)，ωb為六方晶結(jié)構(gòu)的主峰在29.7°的方解石的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，Ia和Ib分別為27.1°和29.7°的衍射強(qiáng)度。

計(jì)算得出，污垢中方解石的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為68.17%，文石的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為14.22%。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，污垢中方解石的含量較高。一般情況下方解石在較高的溫度而文石在較低的溫度下形成，理論上在低于75℃、壓力120 mmHg的海水淡化設(shè)備中利于文石的形成，但是文石的性質(zhì)極不穩(wěn)定，極易轉(zhuǎn)變成方解石且不可逆，因此造成了方解石的含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于文石的含量。方解石遇酸即起泡溶解，這對設(shè)備的酸洗效果極為有利。

2.4 CaCO3污垢的清洗

酸洗是去除金屬表面氧化層和污垢的最有效的化學(xué)清洗工序。某電廠通過設(shè)備的產(chǎn)水比對換熱效果進(jìn)行判斷，當(dāng)產(chǎn)水比低于進(jìn)氣量產(chǎn)水比最低限時打開人口門檢查換熱管表面結(jié)垢情況，確定是否需要酸洗。酸洗洗劑采用的是加有含氮化合物緩蝕劑的硫酸酸洗劑;運(yùn)行方式是用工業(yè)水稀釋配置成20%的微酸性(pH為6.2～6.7)水溶液，與海水一起在海水淡化系統(tǒng)中進(jìn)行循環(huán)4 h，之后停止酸洗劑加入，用海水進(jìn)行沖洗，排出系統(tǒng)外，從而對管道污垢進(jìn)行清洗。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用相同的硫酸酸洗劑溶液對附著有污垢的鈦鋼管進(jìn)行噴淋沖洗，以此判斷洗劑對污垢的清洗效果。清洗完畢之后，取出鈦鋼管道進(jìn)行觀察，看到管道表面碳酸鈣污垢清洗干凈，無余垢殘存;鈦鋼管表面光潔、平滑無損傷。

3 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)通過模擬海水淡化設(shè)備運(yùn)行，對真空壓力為120 mmHg、溫度低于72℃條件下CaCO3污垢的形成進(jìn)行了探索，得出了以下結(jié)論:

1)鈦鋼管表面的CaCO3污垢隨著時間的推移不斷的析出沉積，到60 h的時候，污垢的厚度達(dá)到了最大值，約為585 μm。

2)CaCO3在鈦鋼管表面析出的污垢結(jié)構(gòu)疏松，隨著垢層的增加，水力沖擊可能會對垢層的厚度產(chǎn)生影響。

3)CaCO3污垢的主要晶相為方解石，出現(xiàn)了少量的文石，其相對質(zhì)量分?jǐn)?shù)為方解石68.17%，文石14.22%，方解石晶相對酸洗效果有利。

4)采用硫酸酸洗劑對鈦鋼管表面CaCO3污垢清洗效果顯著。

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