氢气换热器阻垢分析

唐继平　张新亚

摘 要：分析了氢气换热器结垢和腐蚀的原因，用传统清洗工艺和超声波技术清洗作对比，认为应用超声波防垢对壳程具有良好的阻垢效果。

关键词：换热器；污垢；腐蚀；超声波

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.05.041

0 前言

我公司氢气换热器为列管式换热器，壳程介质为循环冷却水，管程介质为氢气.氢气换热器是Ⅲ类压力容器，其制造、检验和验收严格按国家有关标准执行的.壳程内冷却水流速相对较低，易结垢，导致壳程因结垢严重降低换热效果而无法使用，影响生产的正常运行.因此，在氢气换热器冷却水进口总管上安装超声波防垢器，便可以有效地防止了换热器壳体内壁结垢和腐蚀问题。

1 腐蚀的原因及污垢成因分析

1.1 氢气换热器的工艺

从离子膜电解来的80-85℃的湿氢气进入氢气洗涤塔，与塔上喷淋下来的循环冷却水逆流接触，洗涤去其中的碱及杂质，冷却至≤40℃.再进入氢气压缩机，加压至0.06-0.12Mpa后，氢气最后进入氢气换热器冷却到≤15℃.经氢气水雾分离器除水后，输送到盐酸合成氯化氢。

1.2 壳程的腐蚀

壳程的介质是工业水，根据设备使用说明，要求对工业水定期进行软化处理，并控制其pH值在7.0～7.8的范围内，才能保证换热器的正常使用.工业水对碳钢水换热器的腐蚀有多种形式，可能会发生孔蚀、缝隙腐蚀和电偶腐蚀等.一般认为在管壁主要发生吸氧腐蚀，使管壁穿孔，发生泄漏事故。在中性水中，碳钢遭受氧的腐蚀过程如下：

（a）阳极区：Fe — Fe2+ + 2e-

（b）阴极区：O2 + 2H2O +4e- — 40H-

当亚铁离子和氢氧根离子在水中相遇时，生成Fe（0H）2沉淀。即Fe2++20H-—Fe（OH）2

如果水中溶解的氧比较充足时，则Fe（0H）2会进一步氧化，生成黄色的锈FeOH或Fe203·H20而非Fe（0H）3；如果水中的氧不充足时，则Fe（0H）2进一步氧化为绿色的水合四氧化三铁或黑色的无水四氧化三铁。

1.3 污垢成因

氢气换热器给水为敞开式循环冷却水系统，水中含有溶解盐、灰尘、泥土、腐植物、微生物及凝胶状物质，在传热的过程中，随着温度的升高而不断被蒸发浓缩，当超过它在水中的溶解度时，盐类物质发生了化学变化超过饱和溶解度开始以结晶的方式析出，沉积在金属表面，在传热面上形成致密的水垢沉积物，即通常说的水垢.结晶析出过程中夹带灰尘、泥土、腐植物、微生物残骸以及凝胶状物质，在水流速较低的折流区域，沉积速度更快，沉积物更多，即通常说的污垢.氢气换热器为列管式换热器，壳程走循环水，管程走氢气，设备造价低，换热效率较高.但易使水中盐类物质结晶析出、污垢物质沉积，继而诱发设备的腐蚀。

1.4 水垢的危害

水垢的导热系数很小约为钢铁导热系数的几十分之一，当受热面结有水垢时其热阻大大增加，热量不能有效地传递给金属面从而降低了热效率增加了运行费用，致使生产成本提高，水垢还会使水中溶解氧浓度产生氧浓差从而形成氧浓差电势，极易在金属面产生垢下腐蚀，同时导致金属损伤.垢下腐蚀的直接结果是增加系统的维修费用，使设备局部穿孔泄漏导致设备提前报废，缩短了设备的使用寿命。

2 防护措施

结垢和微生物粘泥及由此伴生的腐蚀故障对系统的安全正常和低成本运行影响极大，需定期进行清洗，通过安全有效的清洗可达如下目的：

（1）安全正常运行、显著提高换热效率。（2）降低运行成本，大幅节约能源，清洗后可使系统降低能耗20%-30%。（3）保护金属，延长设备使用寿命。

2.1 传统清洗工艺

通常情况下清洗使用化学除垢剂进行间歇循环清洗，将系统与清洗泵、配液槽、橡胶软管连成清洗回路.间歇循环14-16小时（低进高出）在反冲洗4-6小时排出废液，用清水冲洗2-3遍即可.管路连接见图1。

本公司采用传统清洗工艺后效果并不明显，所采用药剂全部由专业清洗设备厂家提供.据实际数据显示，清洗前氢气出口温度为29℃，清洗后为26℃（实际控制指标为≤15℃）。

2.2 超声波防垢技术

超声波防垢器主要由管道式超声波换能器、电源控制柜及传输电缆等组成.超声波电源将220V/50 Hz交流电转换成交变的超声波功率信号，通过传输电缆将功率信号加到超声波换能器上，超声波换能器利用压电陶瓷功能材料将电能转换成机械能，进而产生超声波，向外辐射超声波能量，实现对流体介质的作用.由于超声波的“空化”效应和“剪切”作用，导致成垢物质发生性能变化，达到防垢效果。

安装超声波防垢器以前，设备长时间运行后换热器管束间隙就会塞满污垢，管壁长满锈瘤和腐蚀物。超声波防垢器自投用后管束和壳体内壁非常洁净，只在局部水滞流处有少量污泥，基本无腐蚀和锈瘤，防垢效果显著，工艺指标一直控制在≤15℃以下.有利于装置的安全、稳定、长期、满负荷、优运行，并节省换热器清洗、维修和更换管束费用.采用超声波防垢技术后，也将减小换热器的污垢热阻，提高总传热系数，从而提高传热速率，强化传热过程，有利于节能降耗。

3 结语

氢气换热器的腐蚀主要是工业水对碳钢管的吸氧腐蚀，可用蚀阻垢涂料防腐后效果明显，并且不影响换热器的换热效果，具有显著的经济效益和社会效益.采用超声波防垢技术，破坏循环冷却水中成垢杂质的生成和在管壁沉积的条件，有效地防止了氢气换热器壳体内壁及管束氢气含水的结垢和腐蚀.不仅强化了传热过程，有利于节能降耗，更重要的是避免了换热器因壳体内部结垢导致换热效果下降而无法使用产生的生产忧患，保证了装置生产的安全、稳定、长期、满负荷、优运行。

参考资料：

[1]氯气压缩机冷却器的腐蚀与防护[J].中国氯碱，1999（12）.

[2]超声波阻垢性能的研究[J].中国给水排水学，2003（11）.

[3]应崇福.超声学[M].北京：科学出版社.