一種用于不銹鋼管式換熱器清洗的復(fù)合清洗劑的研制

馬松杰

（廣西柳鋼環(huán)保股份有限公司，廣西 柳州 545002）

蒸發(fā)式空冷器是將管式換熱器置于冷卻塔內(nèi)，通過流通空氣、噴淋水與循環(huán)水的熱交換以達到降溫的效果。柳州鋼鐵股份有限公司某廠的蒸發(fā)式空冷器于2012年建成投產(chǎn)，至今已有十個年頭，期間未進行化學(xué)清洗，同時也未向噴淋冷卻水中投加任何阻垢劑，因此造成了設(shè)備運行工況的不斷惡化。同時，該類蒸發(fā)式空冷器所處的生產(chǎn)環(huán)境含有大量的礦物質(zhì)粉塵，粉塵中攜帶有氧化硅以及鋁、鐵、鈉的化合物。當(dāng)這些成分復(fù)雜的粉塵進入噴淋冷卻水系統(tǒng)后，在適合的pH值、溫度、壓力等條件下形成了硅酸鹽水垢。它的特點是化學(xué)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，含有45%左右的二氧化硅，30%左右的鋁（含鐵）的氧化物及10%～20%的鈉化合物，而鈣、鎂化合物的總量一般不超過10%。同時，由于循環(huán)水系統(tǒng)有油脂進入，因此這種垢類往往有大量的黏泥附著在上面。這種水垢的化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)與某些天然礦物，如錐輝石、方沸石和鈉沸石等相似，是一種多孔、堅硬且致密的水垢，牢固地附著在管式換熱器的表面。在7＃蒸發(fā)式空冷器內(nèi)部換熱管壁上進行取樣，并進行檢測，其成分如表1所示。

表1 垢樣成分分析

由于循環(huán)水系統(tǒng)工藝設(shè)計的缺陷，造成了噴淋冷卻水給水壓力不足，末端的冷卻水量小，且噴淋管上設(shè)計的噴頭過少，造成熱交換不滿足要求，在換熱管壁大量的二次蒸發(fā)，極易形成水垢。同時，由于車間經(jīng)常性的關(guān)停噴淋水循環(huán)泵、生產(chǎn)環(huán)境礦物粉塵大量進入水系統(tǒng)、噴淋冷卻水系統(tǒng)排污量過小、噴淋水管上噴頭堵塞等原因，導(dǎo)致冷卻效果差，這也是系統(tǒng)容易結(jié)垢的主要原因。

1 換熱器工藝清洗

蒸發(fā)式空冷器管式換熱器的清洗工藝有兩種方式：一種是不停車清洗。清洗方法是在噴淋冷卻水系統(tǒng)中直接投加清洗劑進行循環(huán)清洗。該方法對于結(jié)垢致密、成分復(fù)雜的垢樣作用不大，不能從根本上解決設(shè)備換熱效率的問題。同時，在線清洗循環(huán)量大，成本高，對企業(yè)降本增效非常不利。另一種清洗方法是采用化學(xué)清洗劑溶解垢物加高壓水射流的方法。噴淋清洗是一種循環(huán)清洗技術(shù)，在清洗過程中首先利用高壓水射流沖洗掉能機械剝離的部分，然后將化學(xué)清洗劑投加到蒸發(fā)式空冷器的集水盤中，開啟循環(huán)泵，將清洗劑均勻噴灑到換熱管的表面，借助清洗液的重力流回到集水盤，使清洗液與換熱設(shè)備表面的污垢進行充分的接觸，并發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，達到清洗設(shè)備的目的。流回到蒸發(fā)式空冷器集水盤的清洗液通過循環(huán)泵的作用，再次進入循環(huán)系統(tǒng)。如此反復(fù)循環(huán)清洗，直至最后完成化學(xué)清洗。

2 清洗劑的選擇

因垢樣成分的特殊性和換熱器材質(zhì)的特點，清洗施工最主要的是從清洗劑的選擇及控制條件入手。目前常用的清洗劑有鹽酸、硝酸、硫酸、檸檬酸、氫氟酸、EDTA和氨基磺酸等。鹽酸對于一般的碳酸鹽垢具有清洗速度快、清洗效果好、價格低廉等優(yōu)點，但對不銹鋼材質(zhì)的換熱器會產(chǎn)生晶間腐蝕，因此不適用于不銹鋼的清洗。檸檬酸、氫氟酸和EDTA的酸性比較弱，清洗的效果比較差。硫酸在鈣離子含量高的情況下則容易生成微溶的硫酸鈣，易形成二次水垢。硝酸價格高、易揮發(fā)、易分解成氮氧化合物，存在強氧化性、經(jīng)濟性差、使用安全系數(shù)低、不環(huán)保等弊端，因此也不適合。

該換熱管是不銹鋼材質(zhì)，管壁厚度為1mm。從7＃換熱器取下的垢樣在做成分分析的同時也做了溶垢試驗。因為該垢樣成分復(fù)雜，各種鹽垢并存，特別是存在成分異常復(fù)雜的硅酸鹽垢，使用常規(guī)的清洗劑經(jīng)多次溶垢試驗均未達到理想效果。因此本文將研究一種適用于成分復(fù)雜且含有大量硅酸鹽垢的不銹鋼換熱器清洗用的復(fù)合清洗劑。

3 復(fù)合清洗劑的研究

3.1 復(fù)合清洗劑配方的確定

經(jīng)過多次溶垢試驗和對清洗劑性能特點的分析，確定了以氨基磺酸和HEDP為主要成分的復(fù)合清洗劑。氨基磺酸是一種無色無臭的粉末狀藥劑，溶于水后具有與硫酸同等的強酸性，其別名又叫固體硫酸，具有不揮發(fā)、無臭味、易投加和對人體毒性小的特點。氨基磺酸與多種金屬化合物都能生成可溶性鹽類，具有在水中溶解度高、不析出沉淀、對金屬腐蝕小的特點。與碳酸鹽垢反應(yīng)方程式為：

HEDP是一種多元膦酸，在水中能解離成H+和酸根負(fù)離子，能跟許多金屬離子通過螯合作用形成穩(wěn)定的絡(luò)合物，能溶解復(fù)雜垢樣成分中的氧化物，是一種良好的阻垢劑，同時也是一種高效的清洗劑。HEDP絡(luò)合物穩(wěn)定常數(shù)見表2。

表2 HEDP絡(luò)合物穩(wěn)定常數(shù)

HEDP解離生成的H+能保證清洗液的酸度，增加清洗的強度，也能有效清除換熱設(shè)備表面的油脂、銹跡和混合垢類，尤其對難以清除的硫酸鹽垢和復(fù)雜的硅酸鹽垢，具有較好的清洗作用。

多次的溶垢試驗后將復(fù)合清洗劑的配方確定如下：氨基磺酸、HEDP、剝離劑、NP-10和LAN-826緩蝕劑。

3.2 復(fù)合清洗劑配方試驗

對7＃蒸發(fā)式空冷器不銹鋼換熱管壁取下的垢樣進行溶垢靜態(tài)試驗。試驗過程為：將一定質(zhì)量的垢樣，浸泡在不同的清洗液中，觀察垢樣溶解速率和效果，記錄溶解時間。

按表3中的配方，配制好3種復(fù)合清洗劑，然后按照預(yù)先設(shè)定的清洗pH值，配制成一定濃度的清洗液。常溫條件下，將垢樣放入清洗液中進行浸泡。觀察垢樣溶解速率和效果，監(jiān)測清洗液pH值變化和濁度變化。當(dāng)清洗液pH值和濁度不再上升或垢樣完全溶解時，記錄溶垢時間和溶垢量，計算溶垢率。復(fù)合清洗劑溶垢試驗結(jié)果見表4。

表3 復(fù)合清洗劑配方

表4 復(fù)合清洗劑溶垢試驗結(jié)果

從表4看出，在4 h內(nèi)，配方2和配方3的溶垢率和溶垢效果達到清洗的要求，且配方2的氨基磺酸的濃度更低，因此成本更低，是最優(yōu)的清洗劑配方。

為防止在實際清洗過程中清洗劑對蒸發(fā)式空冷器不銹鋼管式換熱器的腐蝕，在溶垢試驗中放入試片進行靜態(tài)腐蝕試驗，試片材質(zhì)為TP304L，試片表面積為0.0028m2，試驗結(jié)果見表5。

表5 復(fù)合清洗劑靜態(tài)腐蝕試驗

試驗結(jié)束后，試片表面清潔，三個配方的復(fù)合清洗劑在相同緩蝕劑濃度情況下，腐蝕量和腐蝕速率均滿足HG／T2387-2007《工業(yè)設(shè)備化學(xué)清洗質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》的要求。但隨著復(fù)合清洗劑主要成分氨基磺酸濃度的升高，腐蝕速率增大。綜合溶垢率和腐蝕速率兩方面因素，配方2，即氨基磺酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%是最優(yōu)的選擇。

4 復(fù)合清洗劑的應(yīng)用實例

4.1 復(fù)合清洗劑應(yīng)用過程控制

經(jīng)實驗室溶垢試驗和靜態(tài)腐蝕試驗后，確定2號配方適用于不銹鋼管式換熱器。因此，將該配方的復(fù)合清洗劑運用到柳州鋼鐵股份有限公司某廠7＃蒸發(fā)式空冷器的清洗。首先，根據(jù)蒸發(fā)式空冷器清洗施工方案的要求，完成高壓水沖洗；然后，連接好循環(huán)泵和管路，形成循環(huán)回路，向系統(tǒng)內(nèi)投加2號配方復(fù)合清洗劑，控制pH＜2.0，在常溫的條件下循環(huán)清洗4 h。同時，為了防止在清洗過程中復(fù)合清洗劑對蒸發(fā)式空冷器不銹鋼管式換熱器的腐蝕，將2片材質(zhì)為TP304L的試片，懸掛在蒸發(fā)式空冷器集水盤處，并監(jiān)測清洗過程的腐蝕情況。

在清洗過程中，嚴(yán)格監(jiān)測pH值和濁度的變化。當(dāng)pH值升高時，繼續(xù)加入清洗劑，將pH值控制在2以下，維持循環(huán)4～6 h。當(dāng)系統(tǒng)pH值和濁度在1 h內(nèi)沒有明顯變化時，清洗達到終點。向系統(tǒng)內(nèi)投加氫氧化鈉進行中和，當(dāng)pH值6～9時排放清洗廢液。隨后向系統(tǒng)內(nèi)注入工業(yè)水，大流量沖洗整個清洗系統(tǒng)。沖洗至出水接近中性且水質(zhì)清澈后停止沖洗，排凈沖洗水，完成化學(xué)清洗。同時，剩下未能溶解的垢樣變軟且松散，利用高壓清洗劑可輕松沖掉，從而實現(xiàn)無害化，亦能達到提高換熱效果的目的。

4.2 復(fù)合清洗劑應(yīng)用效果評價

按照HG／T2387-2007《工業(yè)設(shè)備化學(xué)清洗質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》的要求，對現(xiàn)場清洗7＃蒸發(fā)式空冷器的效果進行檢查發(fā)現(xiàn)：

1）清洗后，不銹鋼管式換熱器表面化學(xué)清洗除垢率達到85%，整體除垢率大于95%；清洗后的表面潔凈。

2）酸洗過程中作為腐蝕指示用的TP304L試片無點蝕現(xiàn)場，腐蝕速率為0.29 g／（m2·h），遠小于HG／T2387-2007《工業(yè)設(shè)備化學(xué)清洗質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》的要求。

3）清洗后，換熱效果明顯提高，整個車間7臺蒸發(fā)空冷器軟水進出口溫度相差為7℃，見表6。

表6 蒸發(fā)式空冷器清洗前后軟水進出口溫度

5 經(jīng)濟效益分析

對于結(jié)垢嚴(yán)重、垢樣成分復(fù)雜的硅酸鹽垢，使用2號配方復(fù)合清洗劑，單臺清洗成本下降6000元，并且提高了清洗性能和清洗效率，改善了勞動強度，縮短了清洗周期，減少了環(huán)境污染。同時良好的清洗效果保證了換熱效果的提高，對保障生產(chǎn)和提高產(chǎn)品質(zhì)量有著更為顯著的經(jīng)濟效益。

6 結(jié)束語

以氨基磺酸和HEDP為主要成分的復(fù)合清洗劑用于含有大量硅酸鹽垢的不銹鋼換熱器清洗，清洗效果好，腐蝕率低，能有效避免清洗劑帶入氯離子而造成不銹鋼的應(yīng)力腐蝕。隨著不銹鋼換熱器的推廣應(yīng)用，該復(fù)合配方的清洗劑有著廣闊的應(yīng)用市場。