低温多效海水淡化装置中污垢的形成

欧 佳，宋雪峰，李梦学

(天津国投津能发电有限公司，天津 300480)

海水淡化作为水源水，是解决水危机的一条非常有效且极具发展前景的途径[1-2]。目前，海水淡化技术处于起步阶段，主要有膜法和热法两大类。膜法主要包括反渗透和电渗析等方法(本文不进行讨论);热法主要包括多级闪蒸、多效蒸发和蒸汽压缩等方法[3-6]。而热法在换热面极易产生污垢现象，换热器中的污垢是指在与流体相接触的换热面上沉积的一层固态物质，这种物质会使换热设备的传热能力大大降低，介质流动阻力大大增加，不但增加了企业的经济损失，而且降低了设备的安全性能[7]。因此，为了有效地去除这种污垢和了解形成污垢的过程，本文通过模拟低温多效海水淡化装置中第一效的运行工况(实际运行中，污垢在第一效蒸发器显现最为严重)，以现场运行的海水为研究对象，采用X射线相解析(XRD)、扫描电镜(SEM)和涂层测厚技术，对其进行了具体研究。

1 实验方法

1.1 实验系统

实验系统由效体段、冷凝段、干燥段和抽真空段4部分组成，如图1所示。效体段以恒温水在管道内循环，温度仪与恒温水箱加热装置联锁，以自动实现进入管道内的水温与蒸汽温度相同;海水进水流速与生产中的流速一致，2.2 m/s。冷凝段用于将效体段抽出的水蒸气冷凝为液态水，由循环冷却装置和冷凝器组成。干燥段是由填充无水氯化钙的干燥塔和淡化水出水调节阀组成。抽真空段由真空泵和调节阀组成，用于抽真空，使效体段内部的真空值与生产运行中的真空值一致，调节阀用于对效体段的真空度进行调整。

图1 实验系统示意图

1.2 实验原理

模拟生产中海水淡化第一效蒸发器装置，效体段内换热管为10根内径25 mm，壁厚0.5 mm长2 000 mm的钛钢管。实验开始后，每隔设定的时间，取出一根钛钢管，用涂层测厚仪对钛钢表面的垢层厚度进行检测;用扫描电镜(SU-70，日本日立)对污垢进行表面形貌观察，以区分不同析出条件下的外观特征;用X射线射线仪(XD-D1，日本岛津)进行X射线分析，以区分相分组成。用酸洗的方法，对钛钢管表面的碳酸钙污垢进行清洗。

1.3 实验参数

某电厂海水淡化设备运行时，一般采取蒸汽品位相对较低的六抽蒸汽，运行的各种参数及出力具有可调节性，具体参数如表1所示。

表1 海淡设备首效运行参数

本实验采用比较接近运行平均值的参数，如表2所示。

表2 实验运行参数

进料海水主要盐类组成如表3所示。

表3 进料海水主要盐类组成

由表3可见，海水中含有丰富的化学资源，但其巨量的钙镁离子所形成的碳酸盐、碳酸氢盐、硫酸盐、氯化物等导致海水具有很高的硬度，淡化过程中极易生成污垢。碳酸钙垢与硫酸钙垢是最常见的两种污垢。本实验通过对设备运行中产生的污垢滴加稀盐酸，发现污垢溶解且有微小气泡产生，经测试，确定为碳酸钙污垢，这与文献中85℃以下形成碳酸钙垢的倾向大的结论相符[8]。

2 实验结果及讨论

2.1 海水淡化设备CaCO3污垢形成规律探索

污垢形成规律实验共设置了两组，每组的区别在于取出钛钢管的间隔时间不同。第一组每隔24 h取出一根钛钢管，共计时间216 h，具体数据如图2所示。

图2 CaCO3污垢厚度时间变化图

由图2分析知，前75 h的时，钛钢管表面CaCO3污垢一直保持增长状态;72 h之后，污垢的厚度不在增长，基本维持在580 μm左右，120 h后有略微下降的趋势。因此，第二组实验改变取出钛钢管的间隔时间，每隔10 h取出一根钛钢管，共计100 h，具体数据如图3所示。

图3 CaCO3污垢厚度时间变化图

由图3分析得知，钛钢管表面CaCO3污垢随着时间的推移，厚度在不断地增加，在第60 h的时候，污垢的厚度达到了最大值，约为585 μm。

实验结果表明，60 h的时候CaCO3污垢在管壁形成，并达到一定的厚度，在这之后，厚度基本上维持不变。

2.2 CaCO3污垢外观特征分析

用扫描电镜对钛钢管表面析出的CaCO3污垢进行了扫描分析，结果如图4所示。

图4 CaCO3污垢的SEM形貌

通过对管道表面的SEM分析，可以直观的看到污垢颗粒在管道表面的附着情况(见图4)。实验条件下，CaCO3在钛钢管表面形成的污垢结构较为疏松，或者可以直接说是由大颗粒直接附着了小颗粒形成的垢层。

2.3 XRD分析

碳酸钙污垢常见的晶相有3种:方解石、球霰石和文石。用X射线对析出的CaCO3污垢进行衍射，分析污垢的相分组成，结果如图5所示。

图5 CaCO3污垢的X射线衍射结果

由图5可以看到，CaCO3污垢的主要晶相为方解石和少量的文石。方解石和文石的相对含量可按如下公式计算[8]。

式中:ωa为主峰位于27.1°的斜方晶结构的文石质量分数，ωb为六方晶结构的主峰在29.7°的方解石的质量分数，Ia和Ib分别为27.1°和29.7°的衍射强度。

计算得出，污垢中方解石的质量分数为68.17%，文石的质量分数为14.22%。

实验结果表明，污垢中方解石的含量较高。一般情况下方解石在较高的温度而文石在较低的温度下形成，理论上在低于75℃、压力120 mmHg的海水淡化设备中利于文石的形成，但是文石的性质极不稳定，极易转变成方解石且不可逆，因此造成了方解石的含量远远大于文石的含量。方解石遇酸即起泡溶解，这对设备的酸洗效果极为有利。

2.4 CaCO3污垢的清洗

酸洗是去除金属表面氧化层和污垢的最有效的化学清洗工序。某电厂通过设备的产水比对换热效果进行判断，当产水比低于进气量产水比最低限时打开人口门检查换热管表面结垢情况，确定是否需要酸洗。酸洗洗剂采用的是加有含氮化合物缓蚀剂的硫酸酸洗剂;运行方式是用工业水稀释配置成20%的微酸性(pH为6.2～6.7)水溶液，与海水一起在海水淡化系统中进行循环4 h，之后停止酸洗剂加入，用海水进行冲洗，排出系统外，从而对管道污垢进行清洗。本实验系统采用相同的硫酸酸洗剂溶液对附着有污垢的钛钢管进行喷淋冲洗，以此判断洗剂对污垢的清洗效果。清洗完毕之后，取出钛钢管道进行观察，看到管道表面碳酸钙污垢清洗干净，无余垢残存;钛钢管表面光洁、平滑无损伤。

3 结论

本实验通过模拟海水淡化设备运行，对真空压力为120 mmHg、温度低于72℃条件下CaCO3污垢的形成进行了探索，得出了以下结论:

1)钛钢管表面的CaCO3污垢随着时间的推移不断的析出沉积，到60 h的时候，污垢的厚度达到了最大值，约为585 μm。

2)CaCO3在钛钢管表面析出的污垢结构疏松，随着垢层的增加，水力冲击可能会对垢层的厚度产生影响。

3)CaCO3污垢的主要晶相为方解石，出现了少量的文石，其相对质量分数为方解石68.17%，文石14.22%，方解石晶相对酸洗效果有利。

4)采用硫酸酸洗剂对钛钢管表面CaCO3污垢清洗效果显著。

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