GGH在线不停运清洗阻垢工艺及装置设计探讨

方忠华，杨晓良，吴 凡

(常州市肯创环境工程技术有限公司，江苏 常州 213161)

0 引言

石灰石/石膏湿法烟气脱硫工艺中，随着脱硫系统的运行，烟气热交换器(以下简称GGH)换热面经常会出现不同程度的积灰、结垢，严重的会造成堵塞，影响脱硫系统的正常运行。特别是环保部门对脱硫系统取消旁路的强制要求，GGH 运行情况将直接关系到火电厂脱硫系统和主机的安全运转。本文就是结合企业自身经验和研究，尝试探讨在GGH 正常运行情况下的清洗阻垢技术可行性，以期实现有垢洗垢无垢阻垢、变被动清洗为主动预防之目的。针对GGH 大多结的是硫酸盐污垢，肯创公司已开发出具有自主知识产权的专用清洗药剂，实现了常温清洗，这为研发GGH 不停运清洗阻垢药剂创造了条件。不停运在线清洗阻垢技术就是在机组正常运行、烟气正常流通状态下进行，其核心问题是:化学药剂应该能够在尽可能短的时间里发挥最大效力，使技术上可行;如何将药剂不必要的损失降到最低，使经济上可行。

基于此，我们在药剂复配、清洗阻垢装置合理设计及工艺的紧密结合等方面进行了研究探讨。

1 药剂的复配选型

1.1 药剂方案选型原理

基于硫酸盐中性常温型专利清洗药剂的成功运用，为达到药剂更加迅速作用目的，我们考虑在原有配方中引入具有强酸和弱酸两种官能团的药剂，其原理是:强酸官能团保持着轻微的离子特性，弱酸基团则对活性部位有更强的约束能力。其分子中既含有膦酸基，又含有磺酸基，还有羧酸基等多种官能团，其中羧酸基团对多价阳离子亲和力强，易吸附粒子;磺酸基团也可以增强聚合物的水溶性，使分子链在水中充分伸展，通过它可提高共聚物的渗透力或静电斥力，从而大大改善共聚物的亲水性，提高其抗阳离子沉淀及分散粘泥、腐蚀产物等能力。

1.2 药剂作用机理分析

根据药剂选型，进行了其作用机理的分析，复配药剂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发生电离，生成带负电性的分子链，它与Ca2+形成可溶于水的络合物或螯合物，从而使无机盐溶解度增加，起到阻垢作用［1］。

(2)静电斥力作用。含膦酸基、磺酸基共聚物溶于水后吸附在无机盐的微晶上，使微粒间斥力增加，阻碍他们的聚结，使它们处于良好的分散状态，从而防止或减少垢物的形成。

(3)晶格畸变作用。含膦酸基、磺酸基共聚物吸附在无机盐晶核或微晶上，占据了一定的位置，阻碍和破坏了无机盐晶体的正常生长，减慢了晶体的增长速率，从而减少了盐垢的形成［2］。

(4)低剂量效应。产生这一现象的原因在于共聚物的阴离子和阳离子的螯合作用并非按化学计量比进行。当溶液中有大量的碳酸钙、硫酸钙小晶体存在时，这些小晶体能通过物理或化学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，小晶体析出越困难［3］。

(5)絮凝作用。当含膦、磺酸基共聚物加入水中，高分子链在水中舒展，分子链上所带众多负电荷基团吸附碳酸钙和硫酸钙细微晶粒，形成松软颗粒，悬浮在水中，阻止垢的形成。

(6)再生自解脱膜假说。共聚物阻垢分散剂能在金属传热面上形成一种与无机晶体颗粒共同沉淀的膜，当这种膜增加到一定厚度时，会在传热面上破裂并带着一定大小的垢层离开传热面。由于这种膜的不断形成不断破裂［4］，使垢层的生长受到抑制，这种假说称为“再生自解脱膜”假说，它可以解释聚电解质的消垢作用。

2 工艺研究

2.1 应用工艺环境

电厂烟气脱硫系统中GGH 在不停运状态下，烟气各参数因机组大小不同而各异，主要包括以下技术参数:原烟气总流量、净烟气总流量、原烟气流速、净烟气流速、原烟气进气GGH 热端温度、GGH 冷端温度、净烟气进气GGH 热端温度、GGH 冷端温度、原烟气GGH 系统压力或冷热端压差、净烟气GGH系统压力或冷热端压差、原烟气气流流向(自下而上)、净烟气气流流向(自上而下)。

2.2 应用系统设施状况

有待研发的清洗工艺及装置应用在不同规格的GGH 机组环境中，一般常见情况如下［5］:GGH 各换热单元采用主体碳钢材质，外裹搪瓷;GGH 各单元包沿气流方向高度约400－900 mm 之间;GGH 各单元包组成换热板采用斜波纹式、直纹式;GGH 各单元包波纹板排列间距3～6 mm;GGH 整体转盘顺时针旋转，转速小于3 r/min;系统内装配高压水冲洗、低压水冲洗、压缩空气吹扫装置;GGH 转盘内沿边竖直向上空间有3～6 m，向下空间有3～6 m。

2.3 不停运清洗阻垢工艺

图1 GGH在线不停运清洗工艺流程

如图1所示，系统在烟气流通、正常运行中，选取在凌晨最低负荷时间段，启动清洗补水泵，喷淋润透GGH 各单元件后，启动加药泵，喷淋经计算好的药量，采用连续或间断式加药。加药同时调节补充水，补水分净烟气及原烟气侧分别进行，补水亦采用连续或间断式，以保证及时补充蒸发损失的水分，维持药剂在湿润状态下对污垢的作用。

在上述工艺中，考虑到药剂无法回收，如何将药剂用量控制最经济节省，需要考虑因素较多。因此，根据实际停运离线清洗经验及设备本身结构特性，设计合理的药剂喷淋装置加之科学的喷淋工艺控制，才可最大限度保证药剂的使用效率、效果，把药剂流失及挥发损失降低到最小。

该工艺中主要包含三个要点:一是在线水射流清洗，流量应不低于60 L/min;二是药剂喷淋浸透，按计算量的药剂调节喷淋量，控制喷淋时间，使药剂能快速全面地渗透到表面积垢内，扭曲污垢晶键形态，使顽固性硫酸钙、二氧化硅等污垢发生溶胀效果，达到去除目的;三是清洗施工时间段或频率的选择及药剂使用量。

2.4 工艺及装置选定初步探讨

工艺及装置选定包括加药槽及工艺选择、加压水泵及加药泵选择和药剂喷淋装置及工艺选择。在该装置系统中，喷淋装置的设计及喷淋工艺的选择，对整个清洗效果起着决定性作用，主要从喷淋装位置确定、喷淋头设计及喷淋方式、喷淋补水装置及工艺选择3 个方面细化讨论:

(1)喷淋装置位置确定。在GGH 冷侧加喷淋装置，药剂顺着烟气从上而下流动，药剂借助泵压、重力势能、气流推动容易快速分布到GGH 各波纹槽，烟气温度较低，大大减缓了药剂水分蒸发速度，更好的保证药剂有效性。因此，加药装置选定在净烟气侧，GGH 冷端上部相对较好。

(2)喷淋头设计及喷淋方式。喷淋头设计参数包括喷淋角度、喷淋面积、喷淋高度、喷射压力。喷淋方式采取连续或间断式。GGH 顺时针转动，一般转速不大于3 r/min，在运行中清洗加药主要考虑药剂尽可能在低温区多停留，减少药剂蒸发损失，故喷淋头应尽可能安装在紧靠分气线侧，沿分气线净烟侧顺时针30°安装，预留足够空间，维修方便。

(3)喷淋补水装置及工艺选择。补水装置主要考虑安装位置、喷淋高度、喷淋面积及喷淋水量。补水喷淋头安装在药剂喷淋头顺时针方向90～120°位置可能比较合适。喷淋头设计成球形，多方位喷射雾状水，尽可能喷洒到更大空间，一般进气GGH上部有3～6 m 垂直高度空间，喷淋高度至少保持在高3 m 空间，覆盖面积在整个净气侧转盘的三分之二左右，才会有效的增加进气湿度及下落冲击力，这样才会间接补充药剂失水量，更快推动药剂流动渗透到各单元板表面。喷淋水量的控制需要结合实际运作、理论计算等多方面因素综合考虑。

3 经费预测

我们以某300 MW 机组为例，立足于用户不同角度，同时考虑实施效果，对费用进行了对比分析。

3.1 停运在线清洗费用预算

各机组使用年限及工艺状况有差异，结垢程度也不同，按保持较好的GGH 运行状态，我们按全年清洗4 次保守预算，每次停运7 d，每次清洗费用为10 万元，全年清洗费用为40 万元;每次停机7 d，全年4 次，300 MW 机组发电量30 万kW·h/h，每天按24 h 计，发电量损失20160 万kW·h。据不完全统计，火电运行成本约为0.15～0.25 元/(kW·h)，因此因停机而造成的发电量减少收益损失也是相当大的，更重要的是该清洗是一种被动处理措施，只能缓解，不能彻底清理，可能机组最终还是无法满负荷运行，同时还存在非计划停机考核风险，因此，间接经济损失不易估算。

3.2 不停运在线清洗阻垢费用预算

不停运清洗阻垢，硬件装置一次性投入费用约3～4 万元，预计每15 天喷淋1.5 t，全年24 次，药剂按2 万元/t 计，全年费用约76 万元。相对而言，避免了结垢被迫停机清洗造成的直接发电收益损失，降低或避免了设备运行风险。GGH 在线不停运清洗阻垢的实施，直接或间接经济效益是十分明显的，同时在环境保护方面带来了积极的社会意义:一是直接避免了不必要的被迫停机维护所造成的经济损失;二是延长了GGH 的使用寿命，降低了维修费用;三是更有效保障了设备的满负荷运行，降低或避免了设备运行风险，安全稳定生产确保设备运行效益最大化;四是在环境保护方面，更能很好的满足烟气治理相关政策要求。

4 结语

GGH 在线不停运清洗阻垢工艺是目前非常前卫的一种清洗技术，如果在一个检修周期内不结垢或结垢很轻微的话，就可以达到不会因GGH 结垢故障停机检修的目的。通过工程实践的不断总结，研发一套在线不停运清洗阻垢装置及工艺，并结合药剂配方的深入研究，一定能够实现GGH 不停运清洗阻垢技术的突破。

［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］郑邦乾，朱清泉.高分子阻垢剂及其阻垢机理［J］.油田化学，1984，(2):181－186.

［3］李裕芳.阻垢剂分散剂控制沉积机理探讨［J］.工业水处理，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.脱硫系统GGH 吹灰器高压水喷嘴改进［J］.电力科技与环保，2010，27(5):39－40.