某鋼廠蒸發(fā)式空冷器的清洗

王 瀟

（天津正達科技有限責任公司，天津300131）

內蒙古某鋼廠90 t 轉爐除鹽水密閉系統(tǒng)配套的12 臺蒸發(fā)式空冷器管束外壁結垢十分嚴重，幾乎全部被垢物包裹。噴淋水在空冷器內部無法形成噴淋，而是順著垢層間的縫隙流至接水盤， 空冷器完全喪失冷卻效果。 為不耽誤生產，管束內的水改為直排，消耗大量新鮮除鹽水，亟需有效解決方案。

1 空冷器清洗預膜方案制定

該鋼廠空冷器日常運行水質記錄顯示其硬度常年高達2 000 mg/L 以上，最高時接近3 000 mg/L，最低也在1 200 mg/L 以上，平時僅靠投加阻垢劑維護，連續(xù)運行12 a 未進行任何形式的清洗。

1.1 空冷器概況

單臺空冷器噴淋水量為180m3/h，保有水量15m3，補水量60～80 m3/h，可冷卻除鹽水量800 m3/h，設備進出口溫差8～10 ℃，設備材質為碳鋼。

蒸發(fā)式空冷器的噴淋水濃縮速度快、 濃縮倍數(shù)高，水中硬度、堿度、濁度增長也較快。長期運行其管束表面必然附著大量水垢、微生物黏泥及腐蝕產物，如不及時進行清洗， 管束表面附著物會越來越多直至完全覆蓋管束，導致管束完全喪失換熱能力。

1.2 垢樣分析

現(xiàn)場觀察空冷器結垢情況發(fā)現(xiàn)， 管束表面結垢雖然嚴重，但垢層并不結實緊密，而是松散有孔，應該是長期投加阻垢劑導致成垢物質晶格畸變〔1〕，其密度約為1.405 g/cm3， 為正常碳酸鈣垢密度的一半左右。 主要成分為碳酸鈣、氧化鐵、微生物黏泥和少量氫氧化鎂。 其中碳酸鈣約占總質量的70%，氧化鐵占10%，氫氧化鎂占5%，有機物占15%。

1.3 清洗預膜方案制定

該鋼廠所在地區(qū)水質硬度較高，屬結垢型水質。因經費緊張，空冷器久未清洗。此前該廠對空冷器進行物理清洗，但清洗過程中發(fā)現(xiàn)垢層堅硬，高壓水槍壓力調至50 MPa、用時1 周，1 臺空冷器仍有一半以上垢物無法清除。由于水槍壓力太高，經常射穿清洗干凈的管束，給設備造成損害，同時對操作人員的人身安全構成威脅。

嘗試物理清洗2 臺空冷器未果， 廠方認識到雖然化學清洗費用高、操作復雜，但清洗干凈徹底、速度快，對設備和人員安全系數(shù)高，最終決定進行化學清洗。

1.3.1 垢量的理論計算

每臺空冷器有1 100 根管束，管束直徑25 mm，管壁厚1 mm，長10 m，管束間距38 mm，垢層平均厚度約1.5 cm， 則單根管束外表面結垢物質體積為π｛（2.5/2＋0.1＋1.5）2－（2.5/2＋0.1）2｝×10×100＝19 782 cm3。單根管束外表面的結垢量為27.793 71 kg。

每臺空冷器管束外表面結垢總質量：1 100×27.793 71≈30 t。

1.3.2 方案制定

其他水處理公司曾提供給廠方的方案主要有2類：（1）理論上溶解1 g 水垢需要氨基磺酸約2 g〔2〕，則溶解30 t 水垢需要氨基磺酸60 t。 采用自循環(huán)方式進行清洗，每臺空冷器接水盤蓄水量15 t，每次按質量分數(shù)10%配制氨基磺酸清洗液，一次消耗氨基磺酸1.5 t，需配40 次；每次需0.8%緩蝕劑和100 mg/L 分散劑，分別為120、1.5 kg，40 次分別為4.8 t、60 kg，1 臺空冷器預計清洗10 d。此類方案的優(yōu)點是清洗安全徹底，缺點是費用過高、時間過長。 僅氨基磺酸費用就高達30 多萬元， 不含輔料和人工費用，而新的空冷器價格在30 萬元/臺左右。 所有空冷器清洗完畢需要120 d，此方案被否決。

（2）用鹽酸代替氨基磺酸。鹽酸比氨基磺酸便宜得多，使用濃度較氨基磺酸高，清洗速度比氨基磺酸快，可極大節(jié)省費用和時間。 但此方案風險較大，鹽酸清洗過程中緩蝕問題不好解決， 大量高頻率使用濃鹽酸對操作人員的人身安全也有很大威脅。 該方案也被否決。

本單位技術人員給出的清洗方案操作安全、清洗徹底，可節(jié)省費用和時間。 為降低藥劑使用費用，尤其是氨基磺酸的使用量， 清洗方案必須配合物理清洗一起進行。由于不停產，采用單臺空冷器自循環(huán)方式逐臺停車清洗。

清洗步驟：（1）用5~10 MPa 高壓水槍對捕霧器翅片、管束和四周格柵進行物理清洗，洗掉松散的垢層和泥污，同時疏通布水器噴頭，確保噴頭通暢、布水均勻，最后人工清理打掃接水盤。 （2）在接水盤中注入新鮮水15 t， 配制質量分數(shù)10%的氨基磺酸溶液作為清洗劑，配制質量分數(shù)0.8%的烏洛托品溶液作緩蝕劑， 同時放入稱量好的碳鋼掛片監(jiān)測腐蝕速率。 打開空冷器的自循環(huán)泵開始清洗， 每隔10 min測定pH，隔0.5 h 測定硬度。當水中硬度不再上升或上升緩慢時結束清洗。（3）清洗后的廢酸液加堿進行中和排放， 隨后立即用5~10 MPa 高壓水槍對空冷器管束進行沖洗， 至洗水呈中性且沒有較多垢物沖下時結束沖洗并排放，人工清理打掃接水盤。 （4）重復步驟（2）、（3）操作，直至空冷器管束表面目測無明顯垢物。 （5）化學清洗結束后在接水盤中注入新鮮水15 t，將鈍化劑（主要成分為亞硝酸鈉）按1%的質量分數(shù)一次性加入，循環(huán)8~10 h 即完成鈍化預膜。 鈍化液先用氨基磺酸處理，直到檢測不到再用堿液中和至中性排放。 （6）空冷器轉入正常運行。

單臺空冷器清洗工藝流程如圖1 所示。

圖1 空冷器清洗工藝流程

接水盤中配制的清洗液由噴淋泵抽至空冷器的布水器中， 由噴淋系統(tǒng)即布水器噴頭噴灑到待清洗管束上。經過管束的清洗液流到接水盤中，被噴淋泵抽至布水器中，形成閉路循環(huán)，清洗液反復清洗管束表面直至喪失清洗能力。 在接水盤中重新配制清洗液，繼續(xù)循環(huán)，直至管束表面目測無明顯垢物，露出金屬本色則結束清洗。

由于有機物主要附著在垢層表面， 而空冷器經高壓水射流清洗后， 垢層表面的有機物基本被清理干凈，因此未進行殺菌操作。清洗液喪失清洗能力后立即更換，每次清洗時間較短，故無需投加分散劑。酸洗結束后用高壓水槍對管束進行清洗， 除可去除殘余的酸液外，也可沖洗掉已松動但未脫落的垢層，盡量節(jié)省酸的用量。

每臺空冷器垢量約30 t， 但無需將這些水垢全部溶解，將其從管束上脫離即可。氨基磺酸在溶解碳酸鹽垢時會放出大量氣泡， 起到很好的剝離垢層的作用〔2〕。 水垢完全從管束表面剝離所需的清洗次數(shù)依靠經驗進行判斷， 故清洗第4 步中未明確重復次數(shù)，根據清洗效果再作決定。 綜合考慮垢層厚度、成分、總質量等具體情況，同時結合廠方盡量節(jié)省費用的要求，最終確定平均每臺空冷器清洗5 次。

關于是否存在嚴重的垢下腐蝕， 技術人員認為垢下腐蝕情況應該不嚴重。 由于該系統(tǒng)水質硬度一直較高， 屬嚴重結垢型水質， 其結垢物主要為碳酸鈣，故垢下腐蝕情況不用過慮，但不能保證所有管束均無腐蝕，故承諾清洗后漏管率＜2%。

1.3.3 費用預算

每次清洗消耗氨基磺酸1.5 t、烏洛托品0.12 t，5 次清洗分別消耗7.5、0.6 t； 氨基磺酸每噸0.6 萬元，烏洛托品每噸2 萬元，共計5.7 萬元。 預膜需要鈍化劑0.15 t，鈍化劑價格1.5 萬元/t，計0.225 萬元。每臺空冷器預計清洗2 d，預膜1 d，每天人工費0.2萬元，共0.6 萬元。 每臺空冷器清洗總價格為6.525萬元，12 臺空冷器共計78.3 萬元。 物理清洗由廠家自行進行，不計算費用。

2 清洗預膜方案的實施與效果

提出方案得到廠方認可后，隨即開始清洗工作。第1 臺空冷器進行第1 次清洗時， 僅用1 h 接水盤水質總硬度就高達32 300 mg/L，此時pH 升至2.49；0.5 h 后接水盤水質總硬度達到33 100 mg/L，pH 升至2.74，總硬度上漲速度已較緩慢，本次清洗可以結束。 第2 次清洗用時3 h，接水盤水質總硬度高達40 800 mg/L，pH 升至2.65，結束本次清洗。 如此反復，第1 臺空冷器共清洗4 次，每次化學清洗結束后立即配合物理清洗。 該臺空冷器此前被結垢物包裹幾乎看不見管束， 清洗完全結束后沒有肉眼明顯可見的垢物，幾乎全部管束露出金屬本色，管束表面光滑光亮，除垢率在95%以上，僅3 根管束出現(xiàn)漏管現(xiàn)象，遠低于2%的漏管率，清洗效果十分理想。

該廠12 臺空冷器中3 臺清洗3 次，4 臺清洗4次，3 臺清洗5 次，1 臺清洗6 次，1 臺清洗7 次，平均清洗4.42 次，接近方案中的預計次數(shù)，說明方案預估較準確。 空冷器的除垢率均在95%以上，漏管率均在2%以下，清洗后管束露出金屬本色，隨即鈍化預膜，預膜結束后空冷器立即恢復正常運行。清洗完7 臺空冷器時， 系統(tǒng)管束內的除鹽水已可降溫至滿足生產需求，不需直排。 為縮短時間，后面5 臺空冷器采用2 臺和3 臺一起清洗的方式， 全部空冷器清洗完畢一共耗時27 d，每臺空冷器平均耗時2.25 d。清洗后，管束進出口溫差保持在8～10 ℃，完全滿足生產需求。 清洗后對掛片進行監(jiān)測，碳鋼掛片腐蝕速率2.857 g/（m2·h），略低于GB/T 25147—2010《工業(yè)設備化學清洗中金屬腐蝕率及腐蝕總量的測試方法 重量法》中規(guī)定的3 g/（m2·h）。 需要說明的是，由于掛片掛在接水盤里， 清洗下來的大量污垢對掛片表面形成刮傷， 導致實際監(jiān)測的腐蝕速率較真實腐蝕速率偏大，如在實驗室進行同等條件的掛片監(jiān)測，其結果遠小于國標要求。 因現(xiàn)場條件不允許且時間緊迫，未做相應實驗。

3 清洗后日常運行建議

為避免再次出現(xiàn)嚴重的空冷器管束外壁結垢現(xiàn)象， 對于此類系統(tǒng)建議日常運行時盡量做到以下幾點：（1）制定硬度指標，超過指標必須強制換水。建議指標定為≤800 mg/L。 （2）適當補充除鹽水，如有密閉系統(tǒng)的排污水可作為補水引入該系統(tǒng)， 可有效降低系統(tǒng)硬度，也符合國家節(jié)能減排政策。 （3）定期加酸調節(jié)pH，要求pH≤8，降低堿度，延緩結垢。（4）定期投加殺菌劑， 在剝離細菌微生物的同時除掉部分垢物。 （5）連續(xù)投加阻垢劑，磷系藥劑要求總磷≥2 mg/L。（6）建議每年清洗1 次，防止垢層累積過厚。如目測大部分管束表面有明顯垢層應立即組織清洗。

4 結論

（1）氨基磺酸雖然價格較貴，但充分利用氨基磺酸清洗碳酸鈣垢的剝離作用，再輔以物理清洗，可大幅減少其用量，清洗效果優(yōu)良、安全環(huán)保，費用不高，為首選清洗劑。

（2）化學清洗與物理清洗要配合使用，既可以節(jié)約費用，還可保證清洗徹底、無死角，單純使用一種方法的清洗效果不理想。

（3）對于結垢型水質，雖然垢層很厚但基本不存在垢下腐蝕現(xiàn)象，可放心清洗。